Оценка влияния метеорологических факторов на состояние атмосферы пос. Ямбург по данным автоматического мониторинга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка влияния метеорологических факторов на состояние атмосферы пос. Ямбург по данным автоматического мониторинга

В ООО «Газпром добыча Ямбург» принята экологическая политика, для достижения основных принципов которой в обществе организована и постоянно совершенствуется система производственного экологического мониторинга, в том числе мониторинг воздушной среды.

Главной целью настоящей работы является оценка влияния метеорологических параметров атмосферы на распространения примесей (ЗВ) и влияние данных примесей на уровень риска для жизни населения.

С целью проведения мониторинга состояния атмосферного воздуха в августе 2004 г. в пос. Ямбург введен в опытную эксплуатацию модернизированный автоматический пост экологического контроля ДАПЭК 10.0000-0 (далее по тексту АПЭК). Измерения вредных веществ (окислы азота, углеводороды, оксид углерода, озон) и метеорологических параметров (температура, влажность, скорость и направление ветра, давление, экспозиционная доза) проводятся каждые 20 минут. Все наблюдения и оборудование АПЭК соответствуют РД 52.04.186-89.

Актуальность проводимых исследований по непрерывному зондированию состояния атмосферы состоит в том, что по данным Росгидромета за последние 100 лет среднеглобальная температура воздуха выросла на 0,6 ± 0,2 єС. При этом, атмосфера Арктики оказалась подвержена изменчивости атмосферных трансформаций в наибольшей степени. Безусловно, это не пройдет бесследно в первую очередь для ранимых северных экосистем, а также хозяйственной деятельности. Температура воздуха - это тот обобщенный значимый фактор, без которого невозможно прогнозировать как краткосрочные, так и долгосрочные изменения, происходящие в биогенных и абиогенных средах. Поэтому активация экономических интересов ОАО «Газпром» в арктической зоне России должна сопровождаться мониторинговыми исследованиями и в первую очередь за состоянием атмосферы в крупных промышленных узлах. Одним из таких является зона влияния ООО «Газпром добыча Ямбург».

Кроме этого, данные измерения актуализируются в связи с проведением Полярного года (2007-2008 гг.), один из центральных пунктов которого является оценка качества среды арктических территорий.

Обработка данных производилась по специально разработанной методике, которая основана на выделении по метеорологической информации периодов внутри года с различными неблагоприятными условиями для рассеивания примесей и их физико-химических превращений [2]. В нашем распоряжении имелись данные за 3 года (с 2006 - 2008 г.) - это 22 месяца (10 месяцев 2006г., 2 месяца 2007г., 10 месяцев 2008 г.). Всего непрерывные наблюдения без пропусков осуществлялись 630 суток. Длительный период времени измерения не проводились из-за технического обслуживания приборов, входящих в состав данного поста. Таким образом, анализируемый массив по ЗВ и метеорологическим параметрам составил около 500 000 измерений. Отметим, что АПЭК Ямбург является единственным пунктом такого класса, размещенным за полярным кругом, поэтому полученные результаты являются уникальными, так как концентрации примесей и метеопараметры измеряются одновременно и непрерывно в одном пункте. Так появляется возможность оценки влияния метеорологической ситуации на качество атмосферы применительно к различным периодам и с различной степенью детализации.

Для решения задач применялись корреляционный и регрессионный анализы; методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий согласно ОНД-86, расчет комплексных показателей загрязнения атмосферы, а также количественная оценка риска загрязнения воздуха для здоровья населения.

В районе Ямбурга выбросы ЗВ в атмосферу приходятся на основное (ЯНГМК) и вспомогательное производство газодобывающего предприятия, разрабатывающее одноименное нефтегазоконденсатное месторождение.

Наиболее значимые объемы выбросов по массе приходятся на основное производство, суммарные выбросы которого за 2006 - 2008 гг. по Надымскому району представлены следующими данными (табл.1).

Таблица 1

Выбросы загрязняющих веществ на территории ЯНГКМ в Надымском районе за 2006-2008 гг.

Можно отметить устойчивое снижение валовых выбросов по всем ЗВ в атмосферу почти на 5 тыс. т, что связано с осуществлением природоохранных мероприятий согласно экологической политике ООО «Газпром добыча Ямбург».

На основе расчетов по методике ОНД-86 построена теоретическая модель распространения примесей от основного производственного комплекса. В результате моделирования расчетные концентрации ЗВ в воздухе пос.Ямбург не должны превышать санитарно-гигиенических норм, так как их вклад от стационарных объектов ЯГКМ составляет менее 10%. Данные наблюдений с помощью АПЭК подтвердили теоретическую модель.

Таким образом, основными загрязнителями атмосферы поселка являются выбросы от вспомогательного производства, к которому относят:

· строительно-ремонтный трест;

· районное энергетическое управление;

· ремонтно-эксплуатационное управление;

· ремонтно-механическое управление;

· дорожное ремонтно-эксплуатационное управление;
управления технологического транспорта и строительной техники;

· базы ПТОиК: цеха нефтепродуктов и ингибиторов и электромеханического цеха;

· управление интенсификации и ремонта скважин;

· линейно-эксплуатационная служба;

· транспорт.

Большая часть этих предприятий сосредоточены на территории Промбазы, валовые выбросы от которых по данным расчетов ПДВ в атмосферу представлены в табл. 2.

Таблица 2

Данные выбросов в атмосферу ЗВ от стационарных объектов Промбазы за 2008г.

Анализ табл.2 указывает на то, что в течение года распределение выбросов ЗВ в атмосферу происходит более - менее равномерно от 571т (весна) до 646т (начало зимы). Подавляющая роль в течение года из ЗВ принадлежит (60,8%) оксидам углерода, 22,1% диоксиду азота, 6,2% оксиду азота и на долю углеводородов приходится менее 1%. Также необходимо отметить, что большой вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносит автотранспорт, валовые выбросы которого составляют около 20% от всех выбросов.

Известно, что различные химические соединения, выбрасываемые одним источником, или одновременно находящиеся в атмосфере ведут себя неодинаково. В большей степени это обусловлено макромолекулярными процессами. Однако далеко не последнюю роль в их миграции определяют такие показатели энергии разложения веществ (интенсивность метаболизма) как:

· сумма солнечной радиации, кДж/год;

· сумма температур выше 0°С;

· количество ультрафиолетовой радиации;

· количество гроз в году;

· соотношение осадков и испаряемости (индекс сухости);

· скорость разложения органических веществ;

· интенсивность фотохимических реакций.

При анализе годового хода ЗВ выявлено, что максимум концентрации NOx и CO приходится на зимние месяца, что связано с неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ) - отсутствием «эффективной» циркуляции атмосферы и, как следствие, наличие температурных инверсий. Минимум концентраций ЗВ выявлен в весене - летний период, что объясняется синоптической ситуацией на данной территории. Выявлено, что в течение года по приведенной выше схеме происходит перераспределение влияния значимых (ведущих) факторов от температурных инверсий зимой к усилению роли циклонической деятельности летом. При этом необходимо отметить, что в основном весной и летом концентрация NOx и СО в атмосферном воздухе поселка уменьшилась, за исключение концентрации метана, и, соответственно, суммарного количества углеводородов (табл.3). Так как выбросы в атмосферу ЗВ от объектов промбазы в течение года распределены равномерно, следовательно, уменьшение концентрации некоторых ЗВ летом связано лишь с благоприятными условиями для рассеивания вредных примесей.

Также следует отметить, что концентрации ЗВ в 2006-2007 и 2008 гг. отличаются, что можно связать с изменяющимися метеорологическими условиями.

метеорологический загрязнение атмофсфера

Таблица 3

Среднемесячные концентрации загрязняющих веществ атмосферы в пос.Ямбург за 2006 - 2008 гг.

Интересно сопоставить изменения среднемесячных значений основных метеорологических параметров за два года (табл.4) с вариациями основных загрязнителей.

Таблица 4

Среднемесячные показатели метеорологических параметров атмосферы пос. Ямбург за 2006 - 2008 гг.

Так, среднегодовая температура воздуха изменилась 2,80С причем за счет потепления воздуха преимущественно в зимние месяцы, что объяснимо развитием циклонической деятельность и подтверждается увеличением влажности воздуха и усилением ветрового режима. То есть условия 2008г. по сравнению с 2006г. были значительно более благоприятны для рассеивания примесей. В тоже время потепление воздуха и повышение влажности привело к интенсификации эманаций метана из торфяников.

В качестве примера влияния температуры воздуха в наиболее неблагоприятный период рассеивания примесей (февраль) можно проиллюстрировать суточным ходом концентрации диоксида азота (рис.1).

Рис. 1. Суточный ход концентрации диоксида азота и температуры (26.02.07)

Сочетание метеоусловий, влияющих на рассеивание либо накопление ЗВ, называют потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА). В соответствии с картой распределения ПЗА [1], территория, характеризуется умеренным потенциалом загрязнения атмосферы. Эмпирически этот интегральный показатель выражается в виде следующей формулы [5]:

МПА =

где Рсл - повторяемость дней со скоростью ветра 0 - 1 м/с (%); Рт - повторяемость дней с туманом (%); Р0 - повторяемость дней с осадками > 0,5 мм в сутки (%); Рв - повторяемость дней со скоростью ветра > 6 м/с (%).

Данный показатель был рассчитан на сроки измерения концентраций веществ - загрязнителей с последующим осреднением в пределах суток, месяцев, сезонов. Он изменяется внутри года от 0,31 в августе до 0,88 в ноябре-марте. Вариация МПА в таких пределах указывает на то, что изменчивость атмосферных процессов, которые накладываются на распространение выбросов, имеет высокую интенсивность.

Суть предполагаемого нами подхода состоит в том, что имеющаяся информация по МПА позволяет выделить репрезентативные периоды внутри года, сезона, месяца, суток и на этих временных отрезках проследить изменения роли влияния факторов для различных ЗВ. При этом применяется корреляционный анализ, а значимость факторов, влияющих на самоочищение атмосферы, оценивается с применением моделей регрессионного анализа. Таким образом, для выделения репрезентативных временных периодов самоочищения атмосферы, учитывались одновременно влияние температур, скоростей ветра, относительных влажностей, а также давления. Отрезки времени выделялись с учетом сезонного, месячного и суточного хода ПЗА и затем выбирались типичные ситуации, на фоне которых оценивалось влияние отдельных факторов на концентрации ЗВ в атмосфере.

К зимнему сезону 2006-2007 гг. отнесены 6 месяцев - с ноября по апрель; к весеннему - май, июнь; летнему - июль; осеннему - август, сентябрь, октябрь. С учетом имеющихся данных для зимнего сезона репрезентативным месяцем будем считать февраль (26), для весеннего - июнь (1), в летнем - июль (23), в осеннем - октябрь (25). В скобках указаны репрезентативные даты месяца. В 2008 году репрезентативные периоды следующие: зима - с ноября по апрель; весна - май, июнь; лето - июль, август; осень - сентябрь, октябрь. Репрезентативными месяцами в этом году считались: для зимнего сезона - март (5); для весеннего - май (6); для летнего - июль (19); для осеннего - октябрь (30). Следует отметить, что репрезентативные периоды из года в год подвергаются не очень сильному изменению, следовательно, можно предположить какие периоды в следующем году будут репрезентативными.

Для выделенных периодов в 2006-2007 гг. и в 2008 г. рассчитаны уравнения регрессии, в которых в качестве предикантов выступали концентрации ЗВ, а предикторов или влияющих факторов - зафиксированные метеорологические параметры. Изначально предполагалось, что на изменения концентраций вредных веществ внутри репрезентативных отрезков влияют один или несколько метеопараметров. Для начала оценивается адекватность модели, т.е. действительно ли существует один или несколько влияющих признаков. Рассчитываем Fв (выборочное) и Fк (критическое). Fв можно вычислить при помощи дисперсионного анализа, либо по формуле:

Fк - это параметр распределение Фишера. В программе Microsoft Excel Fк вычисляется с помощью функции FРАСПОБР (б, k-1; n - k), б = 1 - P, где Р - вероятность = 0,95.

1. Если Fв < Fк , то признаков влияющих на результативный не существует, следовательно, в дальнейших расчетах нет смысла.

2. Если Fв > Fк , то существует хотя бы один признак влияющий на результат и, следовательно, можно строить модель регрессии.

Далее оценивается значимость коэффициента ti или вклад (значимость) отдельных факторов в дисперсию рассматриваемого предиканта. Изначально рассчитываем tk с помощью функции СТЬЮДРАСПОБР (б, n-2). На каждом шаге рассчитываем коэффициент ti по формуле:

,

где коэффициенты уравнения регрессии, стандартное отклонение.

Далее сравниваем tk и минимальное значение ti по модулю.

· Если |min ti| < tk, то i - ый признак (предиктор) исключаем из дальнейших исследований.

· Когда |min ti| > tk, то признаки влияют на предикант.

С помощью данных расчетов выведены уравнения регрессии с оптимальным числом, влияющих предикторов и рассчитаны величины достоверности аппроксимации по максимальному значению коэффициента множественной корреляции R2. Максимальные значения этого показателя указывают на то, что связь концентрации вредного вещества (y) и метеопараметра (x) чаще всего выражается логарифмической функцией вида: y=a·ln(x)+c, реже прямолинейной и экспоненциальной функциями.

В течение рассматриваемых периодов между ЗВ и метеопараметрами были также рассчитаны матрицы корреляций по выделенным сезонам, месяцам и суткам, которые указывают на влияние «ответственных» факторов за распространение примеси в атмосфере для репрезентативных отрезков времени. Анализ полученных данных свидетельствует на то, что концентрация примесей зависит от различных метеорологических факторов в различной степени. Например, в 2006-2007гг, на концентрацию углеводородов (УВ) главное воздействие оказывает температура, затем влажность и давление (в порядке оценки значимости), на концентрацию NOx влияют температура и скорость ветра, концентрации СО в большей степени зависит от температуры и направления ветра, а концентрация озона от температуры и влажности. В 2008г. на концентрацию УВ и NOx влияли аналогичные метеопараметры; а концентрация СО контролируется влажностью, скоростью и направлением ветра. Отсюда следует важный вывод: концентрации примесей в атмосфере обусловлены совместным влиянием изменяющихся факторов, роль которых существенно меняется не только внутри года, но и между годами. Одновременно следует отметить общую закономерность: для всех видом измеряемых примесей в течение 2-х лет наиболее значимым параметром, по сумме вкладов, влияющих на состояние атмосферы в течение всего года, является температура. Внутри года по сезонам выявляются иные закономерности воздействия факторов на распространение примесей и формирования полей их концентраций, также как и при рассмотрении репрезентативных месяцев (например, рис.2).

Рис.2. Связь концентраций окислов азота и скорости ветра в течение февраля 2006г.

Территория Западно-Сибирской низменности, где находится пос.Ямбург, открыта как с севера, со стороны Северного Ледовитого океана, так и с юга. Данный рельеф способствует меридиональному обмену, что приводит к большой изменчивости состояния погоды. Внутрисуточное изменение метеопараметров оказывает огромное влияние на вариации атмосферных примесей. Например, 1-го июня 2006 г. характерна большая зависимость концентрации NOx от давления, однако в течение весны, в том числе июне не наблюдается высокой зависимость загрязнения от данного метеопараметра. Надо отметить, что за счет внутрисуточных изменений метеопараметров разница между максимально разовой и средней концентрацией ЗВ в течение суток велика. Наиболее вероятно, что это связано с проявлением температурных инверсий, которые, как говорилось выше, в районе Западной Сибири наиболее часто встречаются в утренние часы.

Уровень загрязнения атмосферного воздуха в пос. Ямбург считается низким, что подтверждают расчеты что ИЗА (индекс загрязнения атмосферы) и КИЗА (комплексный индекс загрязнения атмосферы) в течение 2-х лет. Рассчитанный ИЗА в пос.Ямбург за 2006-2007 гг равен 0.04, что соответствует низкому уровню загрязнения на данной территории (<5), а КИЗА составил величину 0.4, что также говорит о низком уровне загрязнения атмосферного воздуха (<4). В 2008 г. ИЗА равен 1.9, а КИЗА составляет величину 0.2, что также соответствует низкому уровню загрязнения атмосферы. При данных значениях ИЗА и КИЗА маловероятно ожидать экстремально высоких уровней загрязнения атмосферы.

Однако в условиях суровой зимы оценка риска является необходимой частью исследований, т.к. при ингаляционном воздействии влияние вредных примесей существенно усиливается. Риск проявления немедленных токсических эффектов рассчитывается по формуле [6]:

Probit = -2,35 + 3,73 * lg (C/ ПДКм.р.),

где С - максимально разовая концентрация; ПДКм.р. - предельно-допустимая максимально разовая концентрация. Для перевода величины Probit в риск использовали функцию НОРМСТРАСП (программа Microsoft Excel). Результаты расчетов и последующих осреднений данных по рискам сведены в табл. 5

Таблица 5

Значения канцерогенных рисков от загрязнения атмосферы пос. Ямбург

Данные значения рисков сравниваются с ориентировочной шкалой приемлемости индивидуального риска смерти [3]:

· 10^(-2) - исключительно высокий;

· 10^(-3) - 10^(-2) - очень высокий;

· 10^(-4) - 10^(-3) - высокий;

· < 10^(-4) - относительно невысокий;

Граница приемлемости

· < 10 ^(-5) - невысокий и малый уровень риска смерти.

По данным расчетам видно, что средние значения рисков воздействия вредных веществ значительно ниже границы приемлемости. Максимальные значения рисков могут быть вызваны техническими погрешностями измерений вредных веществ, поэтому при оценках риска следует руководствоваться средними значениями.

При рассмотрении значений многолетних рисков наиболее опасным веществом является озон, который, согласно международным стандартам, является высокотоксичным газом. Величина риска данного вещества на человека равна 3*10-6, что является ниже границы приемлемости. Далее по величине воздействия следуют окислы азота, оксид углерода, углеводороды. При этом надо отметить, что данная последовательность в течение рассмотренных лет не менялась.

При рассмотрении максимальных значений рисков в течение рассмотренных периодов наблюдается их превышение границы приемлемости. В зимний период, I и IV кварталы, риск воздействия на человека NO2 увеличивается до высокого, а в весенне-летний период увеличивается воздействие О3. Надо отметить, что увеличение концентрации озона связано с уменьшением концентрации диоксида азота в атмосферном воздухе. Образование озона в присутствии оксидов азота происходит следующим образом. Диссоциация оксида азота под действием света (л < 420 нм) приводит к образованию свободных атомов кислорода:

NO2 + hн > NO + О.

Этот процесс побуждает образование озона:

O + О2 + М > О3 + М,

где М -- любая частица, воспринимающая энергию.

Так же в летний период наблюдается высокая корреляция озона с температурой и влажностью. Таким образом, можно сделать вывод о том, что концентрация озона зависит от повышенного температурного режима и фотолиза диоксида азота в летнее время. Зимой эти процессы ограничиваются за счет низкой температуры.

Для прогноза наступления критических ситуаций с возможными аномальными концентрациями ЗВ необходим более продолжительный ряд наблюдений, что позволит вскрыть многие важнейшие особенности влияния метеофакторов на качество атмосферы пос. Ямбург. Однако, проанализировав данные концентраций ЗВ и роль метеопараметров за два года наблюдений можно сделать следующие выводы:

· По данным расчета ИЗА и КИЗА в пос.Ямбург уровень загрязнения атмосферного воздуха низкий.

· Выбросы от ЯНГКМ не оказывают значимого негативного влияния на состояние атмосферы данного поселка и составляет по своему вкладу в общее загрязнение, даже при неблагоприятных метеорологических условиях, не более 10%.

· Значение МПА<1 указывает на то, что в течение года на рассматриваемой территории в целом создаются благоприятные условия для рассеивания примесей, т.е. характерен высокий ассимиляционный потенциал атмосферы.

· Регрессионный и корреляционный анализы указывают на то, что между метеоусловиями и концентрациями ЗВ существуют сложные взаимообусловленные формы зависимостей, которые могут быть аппроксимированы линейными либо логарифмическими (степенными) функциями.

· Выбросы в атмосферу ЗВ от объектов промбазы в течение года распределены равномерно, следовательно, уменьшение и возрастание концентраций ЗВ связано лишь с условиями для рассеивания вредных примесей.

· Концентрации примесей в атмосфере обусловлены совместным влиянием изменяющихся факторов, роль которых существенно меняется не только внутри года, но и между годами.

· Наиболее значимым фактором, обуславливающим рассеивания примесей в атмосфере, является температурный фактор, увеличивающий застойные явления воздуха в период с ноября по март (полярная ночь), когда холодный воздух прижат к поверхности земли и отсутствуют условия возникновения температурных вертикальных инверсий. Он выступает в качестве лимитирующего фактора, который ограничивает естественную способность атмосферы к самоочищению. В этот период возрастает риск воздействия для человека оксидов азота.

· В течение суток выявлено значительное изменение метеорологических параметров с соответствующим изменением концентрации загрязнителей за счет максимально разовых значений, что свидетельствуют о возможностях создания кратковременных критических ситуаций, вплоть до превышения санитарно-гигиенических нормативов.

· Особое внимание следует уделить окислам азота, поскольку в результате вторичных реакций кислорода и оксида азота образуется озон и диоксид азота, что приводит к усилению отрицательного воздействия продуктов сгорания на биоту и человека.

· Риск воздействия озона на человека наиболее высок на рассматриваемой территории. Однако многолетние риски воздействия всех вредных веществ значительно ниже границы приемлемости.

Развитие предприятия требует усиления природоохранной деятельности, в том числе в области охраны атмосферного воздуха. С помощью проведенного анализа были выделены наихудшие климатические периоды для загрязнения атмосферы, соответственно, во время данных периодов необходимо вести более строгий контроль за соблюдением нормативов ПДВ.

Список литературы

1. Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В. Воздух городов и его изменения.- СПб.: Астерион, 2008. - 254с.

2. Лущенкова Е.О., Хаустов А.П. Влияние метеорологических условий на качество атмосферы пос.Ямбург//Экологические системы и приборы. 2009. №5. - С.22-27.

3. Меньшиков В.В., Швыряев А.А. Опасные химические объекты и техногенный риск. Учебное пособие - М.: Изд-во Химич. фак. МГУ, 2003 - 254с.

4. Руководящий документ 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы.

5. Селегей Т.С. Формирование уровня загрязнения атмосферного воздуха в городах Сибири. - Новосибирск: Наука, 2005. - 348с.

6. Фрумин Г.Т. Загрязнение атмосферного воздуха в крупных городах// Экологическая химия. 2002. № 11 (2). - С.73 - 77.

Размещено на Allbest.ru