Математические модели анализа данных наблюдений локального и регионального загрязнения атмосферы Рапута В. Ф. ИВМиМГ СО РАН. - презентация

1 Математические модели анализа данных наблюдений локального и регионального загрязнения атмосферы Рапута В. Ф. ИВМиМГ СО РАН

2 Методология оптимального пробоотбора, схемы химического анализа и модели распространения аэрозольных примесей в мониторинге антропогенных источников 1 Коковкин В.В., 2 Рапута В. Ф., 1 Шуваева О.В, 3 Морозов С.В 1 – ИНХ СО РАН, 2 - ИВМиМГ СО РАН, 3 – НИОХ СО РАН

3 Типы дымовых струй в атмосфере

4 Основные этапы исследования: 1. Пробоотбор и методы химического исследования загрязнения снега и почвы 2. Планирование оптимальной системы наблюдений 3. Анализ под факельных наблюдений 4. Постановки обратных задач 1. переноса примеси в атмосфере 5. Определение параметров источника 6. Оценивание суммарного выброса примеси 7. Модели управления источниками

5 1. Пробоотбор и методы химического исследования загрязнения снега и почвы Среди неорганических компонентов в растворах обычно определяют макрокомпоненты, которые представлены такими катионами как кальций, магний, натрий, калий, аммоний, а также анионами – гидрокарбонат, сульфат, хлорид, нитрат. Среди микроэлементов в наибольших концентрациях в растворах присутствуют железо, алюминий, медь, цинк и др. Органические компоненты, представляющие наибольший интерес в воздушных выбросах – это полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), которые обладают высокой канцерогенной активностью.

6 Таб. 1. Методы анализа и определяемые компоненты в пробах снежного покрова Определяемые компоненты Метод анализа pH, HCO 3 - Потенциометрия ( Анион – 410 ) SO 4 2-, Cl -, NO 3 - Ионная хроматография ( Waters, США ) Са, Мg, Na, Zn, КАтомно – абсорбционная пламенная спектрометрия ( Hitachi 8000, Япония ) Ba, Fe, Cd, Mn, Cu, Pb, Cr, Ni, Be Атомно – эмиссионная спектроскопия с дуговым возбуждением спектров ( PGS-2, Германия ) NH 4 + Фотоколориметрия ( SQ-118,Merck, Германия ) ПАУХромато – масс - спектрометрия ( Hewlett Packard, Германия )

7 1) Пусть проведён эксперимент в N-1 точке по плану N-1. Отыскиваем точку такую, что 2) В точке проводится дополнительное наблюдение. 3) Отыскиваем оценки по наблюдениям согласно плану ( 2.1 ) ( 2.2 ) 2. Планирование оптимальной системы наблюдений

8 3. Планирование и анализ под факельных наблюдений концентрации примеси в атмосфере Постановка задачи: ( 3.1 ) ( 3.2 ) Тяжёлая примесь:

9 Лёгкая примесь: ( 3.3 ) ( 3.4 )

10 Рис 1. Дисперсия поля наземной концентрации лёгкой примеси для x max =600 м, k 0 =0,8 м ( а ) и осевой концентрации тяжёлой примеси для x max =1300 м, w=20 см/с ( б )

11 Рис 2. Дисперсия поля приземной концентрации лёгкой примеси при x 2 км. ( u=3,5 мс -1, w=1,8 мс -1, h=900 м ). Рис 3. Дисперсии осевых концентраций на оптимальных планах (u=7 мс -1,w=1,6 мс -1, h=900 м ) при 1) x [1,10] км, 2) x [1,7;5,7] км, 3) x [5,7;14,6] км.

12 4. Постановки обратных задач переноса примеси в атмосфере ( 4.1 ) ( 4.2 ) а ) Аэрозольное загрязнение локального масштаба Точечный источник

13 ( 4.3 ) ( 4.4 ) ( 4.5 )

14 Монодисперсный случай: ( 4.6 ) ( 4.7 ) ( 4.8 )

15 Случай малых w : ( 4.9 ) ( 4.10 )

16 Новосибирский электродный завод Рис 4. а) Удельное содержание БП (мкг/л) в снеге к северу от НЭЗ; - расчёт, - опорные точки, - контрольные точки наблюдений б) Схема размещения точек пробоотбора.

17 Рис 5. Изолинии средней концентрации бенз(а)пирена (мкг/кг) в почве - положение источника. (ПДК – 20 мкг/кг)

18 Новосибирский оловокомбинат Рис 6. Схема отбора проб снега ( 2000 – 2001 гг ).

19 Рис 7. Восстановленные уровни выпадений мышьяка ( мкг/л ) за зимние сезоны 1994 – 1995 гг, 2000 – 2001 гг.

20 Норильский медеплавильный завод Рис 8. Содержание тяжёлых металлов в твёрдом осадке снеговой воды в направлении на северо-восток от Норильского медеплавильного завода а) восстановленные концентрации никеля по локальной модели, б) содержание свинца, восстановленное по модели регионального переноса. - расчёт, - опорные точки, - контрольные точки наблюдений

21 Нефтегазовые факела Рис 9. Удельное содержание сульфатов (а) и бенз(а)пирена (б) в районе нефтегазового факела.

22 a = x cos + (y - ) sin, b = - x sin + (y - ) cos, S(a) – приземное поле концентрации от линейного источника. Линейный источник Автотрассы ( 4.11 )

23 Рис 10. Схема маршрута пробоотбора снега. - опорные точки, - контрольные точки наблюдений

24 Рис 11. Удельное содержание свинца в крупнодисперсной части (а) и суммарно в мелкодисперсной и водорастворённой частях (б).

25 Рис 12. Распределение свинца по фракциям на расстоянии 50 м от полотна дороги.

26 Рис 13. Рассчитанное и измеренное удельное содержание бенз(а)пирена в снеге в конце зимы 1999 и 2000 г.

27 Таб. 2. Оценки суммарных выпадений ПАУ ПАУ Оценка выпадений, М, г/км 1999 г.2000 г. Бенз(а)пирен 0,160,55 Флуорантен 1,21,9 Пирен 0,61,5

28 б ) Региональное загрязнение ( 4.12 ) Метод асимптотических разложений: ( 4.13 )

29 ( 4.15 ) ( 4.14 )

30 Рис 14. Схема маршрутных снегосъёмок в окрестностях Иркутска.

31 Рис 15. Уровни выпадений бериллия на маршруте Иркутск – Листвянка за зимний период , , гг.

32 Рис 16. Уровни выпадений бериллия на маршруте Иркутск- Баяндай за зимний период гг. (а), гг. (б).

33 Рис. а. Восстановленные концентрации выпадений пыли в окрестностях НТЭК Рис. б. Космоснимок территории НТЭК от

34 Заключение Численный анализ данных мониторинга показывает существование достаточно простых закономерностей формирования полей газового и аэрозольного загрязнения местности. По небольшому числу точек измерения и доступной входной информации показана возможность построения количественных моделей длительного аэрозольного загрязнения местности источниками различных типов. С их использованием получены оценки суммарного выброса. Следует отметить экономичность и особую эффективность мониторинга снежного покрова для контроля выбросов и уровней загрязнения вокруг предприятий. Применение процедур оптимального планирования систем наблюдений позволяет существенно повысить точность оценивания параметров и полей загрязнения. Цикл проведённых работ представляет основу для разработки комплексной системы мониторинга локального и регионального загрязнения местности.