Природна захищеність атмосфери

Размещено на http://www.allbest.ru/

природна захищеність атмосфери

С.З.Поліщук, В.О. Долодаренко, І.І. Гаврилюк, В.Ю. Каспійцева, Л.І. Уварова, О.Ю. Мінко

Інститут проблем природокористування та екології НАН України



У статті наведена структура та склад показників природної захищеності атмосфери з урахуванням наступних факторів: інтенсивністі переміщення повітряних мас, допустиме наповнення атмосфери речовинами, що забруднюють, спроможності розкладу в атмосфері шкідливих речовин, очищення атмосфери за рахунок гравітації шкідливих речовин, рослинного покриву. Захищеність атмосфери входить в структуру показників якості повітря і дозволяє встановити засоби її регулювання, сталого розвитку території.

В статье приведена структура и состав показателей защищенности атмосферы с учетом следующих факторов: интенсивности перемещения воздушных масс, допустимого наполнения атмосферы загрязняющими веществами, способности разложения в атмосфере вредных веществ, очищения атмосферы за счет гравитации вредных веществ, растительного покрова. Защищенность атмосферы входит в структуру показателей качества воздуха и позволяет установить методы ее регулирования, устойчивого развития территории.

захищеність атмосфера шкідливий гравітація



Одним з найважливіших факторів, який визначає ефективність охорони навколишнього середовища, є якість атмосферного повітря, яке включає захищеність атмосфери, його хімічне (фізико-хімічне) та фізичне забруднення.

У цій структурі найменш вивченим є показник захищеності атмосфери. Складність його встановлення визначається великою кількістю взаємозв'язаних факторів, для яких не існує аналітичного виразу. Для розв'язання цих питань в ІППЕ НАНУ розроблена структура й склад показників якості атмосфери, включаючи їі захищеність.

Для визначення показника якості необхідно встановити особливості показників для різноманітних ландшафтно-кліматичних умов, методику їх визначення та приклад її реалізації для умов Дніпропетровської області, що в цілому є метою цієї статті.

Структурно показники якості повітря розміщені на трьох основних рівнях їхного агрегування: перший - зведена інтегральна оцінка якості повітря; другий - макропоказники якості повітря; третій - базові показники якості повітря. При цьому показники другого та третього рівнів визначаються, в основному, з урахуванням методу експертної оцінки (рис.1 ).

Склад показників другого рівня включає три основних макропоказника: 1) захищеність атмосферного повітря територій; 2) показник хімічного (фізико-хімічного) забруднення повітря; 3) показник фізичного забруднення повітря. Склад показників захищеність атмсферного повітря території включає наступні базові показники третього рівня: а) інтенсивність переміщення повітряних мас; б) допустиме наповнення атмосферного повітря речовинами, що його забруднюють; в) спроможність розкладу в атмосфері шкідливих речовин; г) очищення атмосфери за рахунок гравітаційного осідання шкідливих речовин; д) рослинний покрив.



Інтенсивність переміщення повітряних мас забезпечує спроможність атмосфери розсіювати викиди та визначається повторюваністю вітрів при швидкості понад 4 м/с, менше за 1 м/с та інверсій. Україна, в цілому, і Дніпропетровська область, зокрема, відносяться до третьої зони щодо потенціалу спроможності атмосфери розсіювати викиди, що характеризується як зона підвищеного потенціалу повторюваності, наприклад, слабких (швидкість менше 4 м/с) вітрів до 10-15% взимку та 25-30% влітку, повторюваністі приземних інверсій до 40-60%.

Допустиме накопичення - маса забруднюючої речовини, що накопичена та утримується у атмосферному повітрі за умови, що на поверхні землі її концентрація речовини дорівнює гранично допустимій.

Спроможність розкладу в атмосфері шкідливих речовин характеризується впливом ультрафіолетової радіації (число годин сонячного сяйва) та грозами (число днів із грозами).

Гравітаційне осідання - осідання маси забруднюючої речовини на підстилаючу поверхню під дією сили тяжіння.

Рослинний покрив характеризується величиною лісистості території та зелених насаджень (у тис. га). Методичний підхід для визначення природної захищеності атмосфери для різноманітних ландшафтно-кліматичних регіонів полягає у наступному.

Структура та склад показників, наведених у табл. 1, дозволяють для кожного регіону встановити їм притаманні інтенсивності переміщення повітряних мас, допустиме забруднення,наповнення атмосфери речовинами, що забруднюють; здібності розкладу в атмосфері шкідливих речовин, її очищення за рахунок гравітації шкідливих речовин; величину рослинного покриву з урахуванням ландшафтно-кліматичних умов. Їх чисельна оцінка можлива нормуванням показників для будь-якого регіону та використанням експертних вагових коефіцієнтів.

При цьому деякі з показників (допустиме накопичування забруднення та гравітаційне осідання) визначені теоретично, а найважливіша частина показника «рослинний покрив» встановлена на рівні теоретичної передумови. Означені показники наведені нижче.

Допустиме накопичення забруднень (екологічну ємність) будемо характеризувати допустимим накопичуванням речовини, що забруднює, тобто масою забруднювача, накопиченого в атмосферному повітрі за умови, що на поверхні землі величина концентрації цієї речовини дорівнює гранично допустимій. У відповідності до цього масу i-ої речовини будемо визначати наступним чином



(1)

де S - площа району, м2;

C0і - концентрація забруднювача, що дорівнює ГДК ;

H - висота, м.

Показник використання можливостей екологічної ємності для i-ої речовини будемо визначати слідуючим чином

при

Gmax i G i Gmin i,

Kэк. ем. i=0 при G i > Gmax i, (2)

Kэк. ем. i=1 при G i < Gmin i, .

Тут Gmaxi , Gmini - відповідно, максимальне та мінімальне накопичування забруднюючої речовини, кг/рік;

Gi - поточне накопичування (поточний викид), кг/рік;

Тжитi - «час життя» i-ої речовини, що забруднює, с.

Сумарний для усіх забруднювачів показник використання екологічної ємності:

, (3)

де Рi - ваговий коефіціент, що визначається експертним шляхом.

Як відомо, існує два основних механізмів вилучення домішок із атмосфери:

1) сухе осідання, що відбувається в результаті гравітаційного осідання, дифузійного переносу до земної поверхні та прилипання на ній при торканні, а також інерційного осідання,

2) вологе осідання разом із атмосферними опадами.

Таблиця 1 - Показники, що визначають природну захищеність атмосфери

Показники, які визначають природну захищеність природного середовища від забруднюючого впливу	Ступінь захищеності
	Незахищена	Слабка	Умовна	Надійна
Інтенсивність переміщення повітряних мас
Повторюваність вітрів при швидкості понад 4 м \ с, %	< 10	10-30	30-50	> 50
Повторюваність вітрів при швидкості менше за 1 м\с (штіль),%	> 30	30-20	20-10	> 10
Повторюваність інверсії (тумани),%	< 40	40-50	50-60	> 60
Допустиме наповнення атмосфери забруднюючими речовинами
Допустиме наповнення атмосфери забруднюючеми речовинами, т\м2	< 3000	3000-4000	450000-900000	> 900000
Спроможність розкладу в атмосфері шкідливих речовин
Вплив ультрафіолетової радіації, число годин сонячного світла	< 1200	1200-1500	1500-1800	>1 900
Вплив гроз, число днів з грозами	< 10	10-20	20-30	> 40
Вплив гравітації, т\рік	< 10	10-2000	2000-4000	> 4000
Вплив опадів, кількість дощових днів на рік	< 30	30-40	40-50	> 60
Рослинний покрив
Рослинний покрив у % до загальної площі	< 20	20-35	35-50	> 50

Гравітаційне осідання.

Гравітаційне осідання грає важливу роль у виділенні з атмосфери аерозолей, що мають щільність помітно більшу щільності повітря (частки з радіусом 20 мкм і більше).

Швидкість гравітаційного осідання визначається, насамперед, швидкістю турбулентного перемішування, фізико- хімічними особливостями речовини. Для різноманітних поверхонь швидкість сухого осідання різноманітна.

У [1] наведені експериментальні дані про швидкість сухого осідання SO42- (0.8-1.2 см/с), солей Ca2+ (0.9-2.0 см/с), солей Na5+ (0.9-1.2 см/с), швидкість сухого осідання SO2 варіює від 0.1 над снігом і льодом до 4-6 см/с Настільки широкий інтервал значень обумовлений, на думку авторів [1], мінливістю спектру розподілу аерозолей розглянутих домішок, що залежить від метеорологічних факторів (швидкості вітра, відносної вологості, температури). Згідно даних [2], швидкість сухого осаджування Pb рівна 0.2 см/с, SO42- - 0.5, ДДТ і гексахлорциклогексана - 0.25 см/с.

Кількість домішок, що осаджується за рік:

, (4)

де - швидкість зависання часток, м/с,

- річний викид домішки, кг/c;

- висота приземного шару, м.

Показник захищеності, обумовлений гравітаційним осаджуванням домішок:

при

Gгравmax i Gграв i Gгравmin i,

Кграв i = 0 при Gграв i > Gграв min , (5)

Kграв i = 1 при Gграв i < Gгравmin i



де Gгравi - поточний викид і-ї речовини, що забруднює, кг/рік;

Gгравmax i - максимальна кількість домішки, що осіла, кг/рік;

Gгравmin i - мінімальна кількість домішки, що осіла, кг/рік.

Сумарний показник гравітаційного осаджування щодо всіх забруднювачів:

, (6)

де i - вагові коефіціенти, що визначаються експертним шляхом.

Таким чином, сумарний показник гравітаційного осаджування зв'язаний з господарською діяльністю через викиди в атмосферу.

На концентрацію дрібних часток сухе осідання не має вагомого впливу із-за малої швидкості гравітації, проте осідання дрібних часток, пов'язане з їх збільшуванням за рахунок коагуляціонных процесів, має місце при підвищеній вологості.

Осаджування за рахунок опадів.

Найбільш важливим механізмом самоочищення атмосфери від радіоактивних домішок є хмари та процеси пов'язані з їх утворенням [3,4,5], при цьому, природно змінюються властивості опадів, насамперед їх кислотність.

Ефективність вимивання приземных аерозолей з атмосфери залежить від характеру опадів, що випадають, їхньої інтенсивності та тривалості, потужності підхмарного шару, спектру розподілу крапель дощу, спектру аерозолей, їхньої концентрації та від інших факторів [2].

Із збільшенням тривалості дощу його спроможність, що вимиває, зменшується щодо статечного закону.

Опади, що випадають у вигляді снігу в 3-4 разу ефективніше вимивають аерозолі, ніж дощ. При одній і тій же інтенсивності опадів у сніговій воді сульфатів і нітратів міститься в декілька разів більше, ніж у дощовій. Вимивання газових домішок здійснюється більш інтенсивно дощем, ніж снігом, бо льодові кристали вбирають газ менш активно, ніж вода.

Величини вимивання газових речовин що забруднюють Gвимі , отримані на підставі [6], залежать від тривалості опадів, річних викидів на розглядуваній території, часу життя речовини що забруднює та кількість дощів. Вони можуть бути визначені за формулою

, (7)

де Gі - річний викид i-ї речовини, що забруднює,

Tжi - час життя i-ї речовини, що забруднює,

tд j - тривалість i-го дощу,

n - число дощів на рік ().

Показник захищеності за рахунок вимивання опадами визначається аналогічно (5) і (6).

Рослинний покрив.

Вбирання підстеляючою поверхнею характерно для молекул газу та дрібних часток, що не переміщуються відносно оточуючого повітря та не мають седіментаціонного осідання.

Як правило, вбирання здійснюється поверхнями, які покриті рослинністю. В природі такі однорідні поверхні, як сніг, вода, голий грунт зустрічаються рідко. Стан рослинності може різко змінювати процесс вбирання. Рослинний покрив грунту розглядається як пористий фільтр товщиною L, приблизно рівній середній висоті рослинності. Рослинність при достатньо великій висоті поводить себе по відношенню до атмосферної домішки в значному ступені як обемний фільтр.

Седіментаційне осідання характерне для достатньо великих часток діаметром понад 10 мкм.

Сірчана та азотна кислота утворяться на дрібних частках діаметром 0,1 мкм - 1 мкм в результаті газофазних і гетерогенних реакцій окислення. Для сірчаної і азотної кислоти та їх солей седіментаційне осідання не має сенсу.

Для газів термін «осідання» взагалі не прийнятний.

Для опису процесу виведення сполучень сірки та азоту в «сухих» умовах використовується термін «сухе вбирання», розуміючи під цим неповернене захоплення молекул або часток підстеляючою поверхнею.

Оскільки при захопленні безпосередньо на поверхні розділу фаз відбуваються процеси адсорбції та хемосорбції, швидкість процесу в основному буде визначатися як фізико-хімічними властивостями вбираючої поверхні, так і властивостями газів і часток, які вбираються. Хімічно активна природа оксидів сірки та азоту чинить «сухе вбирання» важливим механізмом виведення сполуки сірки та азоту з атмосфери та поліпшення її якісного складу. Визначення узагальненого коефіцієнта вбирання здійснюється за наступним алгоритмом:

- розрахунок лінійної швидкості вбирання;

- розрахунок коефіцієнта вбирання одиницею поверхні;

- розрахунок узагальненого коефіцієнта вбирання щодо типів домішок і видів поверхні.

Розглянемо розрахунок кожного параметру.

При розрахунку лінійної швидкості вбирання враховуються усі три типи опору вбиранню, об'єднані в rсум.:

rt+rl - атмосферний опір (відповідно вільної атмосфери і прикордонного ламінарного шару);

rs - опір вбиранню поверхні.

Лінійна швидкість вбирання Vi розраховується за формулою

v=1/(rt+rl+rs) .

Для наступних основних типів вбираючої поверхні: рослинність висотою 0,1 і 10 м при закритих, відкритих гирлах і мокрій траві; грунт грубої оранки шорсткістю 0,1 м при рН=4, 5 і 7.5; прісні водосховища; сніг. Діпазон зміни лінійної швидкості вбирання від 0 до 20 см/с [8].

При розрахунку коефіцієнта «сухого вбирання» одиницею поверхні враховується лінійна швидкість і наступні обмеження:

- розподіл домішки щодо висоти рівномірний;

- висота шару розподілу Hi практично не змінюється в процесі переносу повітряної маси та згідно даних численних експериментів дорівнює для сірко- та азот містячих газів -1200 м; нітратів і сульфатів -1500 м.

З урахуванням вищезазначених обмежень коефіціент вбирання можна записати у вигляді:

Kiпогл. = Vi / Hi .

Значення коефіцієнтів вбирання одиницею поверхні наведені у підсумковій табл. 2.

При розрахунку коефіцієнта «сухого вбирання» великого фізико-географічного регіону, зокрема Дніпропетровської області з різноманітними типами вбираючої поверхні необхідно використовувати узагальнений у просторі та часі коефіцієнт «сухого вбирання» для розглядуваних домішок - Кобобщ.пр.i і різноманітних типів поверхні - Кобобщ.пов.i.

Розрахуємо ці коефіцієнти для всього регіону і по районам.

Узагальнений коефіціент щодо типів домішок розраховується за формулою:

Кобощ.пов. i = .

Тут Kiпогл. - середній коефіцієнт вбирання одиницею поверхні;

Si - площа різноманітних типів вбираючої поверхні всього регіону та окремих районів.

Таблиця 2 - Узагальнені коефіціенти вбирання щодо типів і видів поверхні

Показники	Назва району
	Дніпропет-ровсько - Дніпрод-зержинський	Західний Донбас	Нікополь-ський	Криворізький
Площа району Sм. Р. , тис. кв.км	1.164	1.303	1.195	13.343
Площа підстелюючої поверхні Si, тис. кв.км угіддя, жнива ліс водосховища	0.39 0,32 0.23	0.54 0.062 0.085	0.79 0.0254 0.113	6.28 0.0495 0.26
Коефіціент вбирання Одиницею поверхні (угіддя та рілля / ліс / водосховища ) SO2, HNO3 NO2 CO2	0.015 / 0.03 / - 0.009/0.006/0 - / 0.2 / -	0.015 / 0.03 / - 0.009/0.006/0 - / 0.2 / -	0.015 / 0.03 / - 0.009/0.006/0 - / 0.2 / -	0.015 / 0.03 / - 0.009/0.006/0 - / 0.2 / -
Узагальнений коефіціент вбирання Кiобощ. для типів домішок SO2, HNO3 NO2 CO2	0.013 0.006 0.055	0.0076 0.004 0.0095	0.01 0.006 0.0042	0.007 0.0042 0.0007
Узагальнений коефіціент вби-рання Кiобощ. пов. (угіддя та рілля / ліс / водосхови-ща ) SO2, HNO3 NO2 CO2	0.005/ 0.008 / - 0.003/0.0016/0 0.054	0.0062/ .0014/- 0.0037/0.0002/0 0.0095	0.01 / 0.0006 /- 0.006/0.0001/0 0.00425	0.01 / 0.0001 / - 0.0042/0.00002/0 0.00074



Узагальнений коефіціент (Кобощ.пов.i) щодо типів поверхні в кожному районі визначається формулою:

Кобощ.пов.i =,

де S м. р. - площа району.

Площі окремих типів вбираючої поверхні районів, регіону в цілому, узагальнені коефіціенти щодо видів домішок і типів поверхні наведені в підсумковій табл.2.

Чисельні значення показників, що визначають природну захищеність атмосфери для умов Дніпропетровської області, наведені в табл.1., інтегральні показники якості повітря з урахуванням захищеності атмосфери наведені в табл.3. Вхідні дані для умов області приймаються згідно статистичних і літературних даних [7, 9, 10].

Таблица 3 - Зведені інтегральні показники якості повітря

Найменування	Розрахун-кове значення	Ваговий коефіціент значущості	Абсолютний внесок показника в якість повітря	Питома вага показника, %
Захищенність атмосфери	0,585	0,30	0,175	35,86
Хімічне (фізико-хімічне) забруднення	0,444	0,64	0,302	61,88
Фізичне забруднення	0,551	0,02	0,011	2,26
Підсумок	-	-	0,488	-

Аналіз даних таблиці інтегральних показників якості повітря (табл. 3) показує, що найбільше їх питоме значення відповідає фізико-хімічному забрудненню повітря і складає 61.88%, далі - захищеність атмосфери 35.86% та її фізичне забруднення 2.26%. Викликає інтерес значення питомих вагів якості повітря щодо базових значень захищеності атмосфери. Так, інтенсивність переміщення повітряних мас має питому вагу 12.28%, допустиме накопичування шкідливих речовин в атмосфері - 3.61%; здібність розкладання в атмосфері шкідливих речовин - 6.12%; очищування атмосфери за рахунок гравітації шкідливих речовин - 3.18%; рослинний покрив - 10.67%.

Таким чином, основне значення в захищеності атмосфери мають інтенсивність переміщення повітряних мас і рослинний покрив. Аналіз зведених інтегральних показників якості повітря показує, що в перспективі очікується їх зниження. Це пояснюється тим, що вхідні дані щодо Дніпропетровської області приймалися за 1990-1996 рр. В цей період в зв'язку з падінням продуктивності знижувалось хімічне забруднення (приблизно в 1,8 разів). Тому, при досягненні продуктивності рівня 1990 р. в перспективі якість повітря може знизитися з 0.488 до 0.406.

В цілому як у нинішній час, так і в найближчій перспективі якість атмосферного повітря визначається як задовільна (див. табл. 3).

Взагалі результати проведених робіт можуть бути використані для рішення найважливіших питань охорони навколишнього середовища, зокрема, оцінки різноманітних ландшафтно - кліматичних регіонів, поліпшення якості їхньої захищеності та інше.



Бібліографічні посилання

1. Белов П.Н., Карлова З.Л. Оценка количества осаждающихся на земную поверхность вредных примесей методом математического моделирования //Вестник МГУ. Серия 5: География. - 1992. - Выпуск 1.

2. Хайди Г.М. Процессы удаления газообразных и взвешенных загрязнений из атмосферы // Химия нижней атмосферы. - М.: Мир, 1976.

3. Бурцев И.И., Малахов С.Г. Вымывание осадками продуктов деления из подоблачного слоя атмосферы // Известия АН СССР. - 1968.- Т.4. - № 3. - С. 328-333.

4. Зимин А.Г. Механизм захвата и осаждения атмосферных примесей облаками и осадками // Вопросы ядерной метеорологии. М., Госатомиздат.- 1975.

5. Стыро Б.И. Самоочищние атмосферы от радиоактивных загрязнений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968.

6. Хргиан А.Х. Физика атмосферы.- М.: Изд-во МГУ, 1986.- 328 с.

7. Рекомендации по охране окружающей среды в районной планировке . - М.: Стройиздат, 1989.

8. Израэль Ю.А., Назаров И.М. Кислотные дожди. - Л.: Гидрометеоиздат, 1998. - 269 с.

9. Экологические основы природопользования / Под ред. Н.П.Грицан. - Днепропетровск: ИППЭ НАН Украины, 1998. - 408 с.

10. Статистический ежегодник.: Народное хозяйство Днепропетровской области. - Днепропетровск, 1997, 1998, 1999.

Размещено на Allbest.ru

...