автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Исследование трансформации химических примесей в атмосфере и оценка экологического риска как условие повышения информативности системы мониторинга

На правах рукописи

ЧЕРНЯВСКИЙ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА КАК УСЛОВИЕ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

05.11,13 - \<Приборы и методы контроля природной среды, ]

, веществ, материалов и изделий»

Автореферат 2 8 ОКТ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2015 г.

005564068

005564068

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Промышленная экология» Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Каракеян Валерий Иванович

Феоктистова Оксана Геннадьевна, доктор технических наук, профессор, Московского государственного

технического университета

гражданской авиации

Кольцова Ольга Владимировна кандидат технических наук, доцент, Российского государственного

аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева, институт природообустройства имени А.Н. Костикова»

Ведущая организация: ОАО «НИИТМ»

Защита состоится «/» 201 б г. ч 30 мин в

аудитории 3103 на заседании диссертационного совета Д 212.134.04 при ФГАОУ ВО Национальный исследовательский университет «МИЭТ» по адресу: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО Национальный исследовательский университет «МИЭТ» и на сайте http://miet.ru/.

Автореферат разослан «У/7» 2015

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.134.04

доктор технических наук, профессор 1. Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Растущая техногенная нагрузка на наукоемкую природно-техническую геосистему (НПТГ) г. Зеленограда и связанная с этим интенсификация загрязнения приземного слоя атмосферы обостряют проблему обеспечения производств электронной техники чистым воздухом как технологической средой. В условиях, когда системы жизнеобеспечения таких производств составляют часть городской инфраструктуры, существенна также важность объективной и своевременной информации о состоянии атмосферы как фактора влияния на здоровье населения. В свете сказанного, задача исследования выбросов вредных веществ от стационарных и передвижных источников дополняется необходимостью физико-химического и математического моделирования, а также компьютерного представления процессов их трансформации и рассеивания в атмосфере как источника вторичных малоизученных и слабо контролируемых загрязнений. Основными загрязнителями атмосферного воздуха являются первичные соединения азота и серы, угарный и углекислый газы, контроль которых достаточно хорошо известен. Значительную сложность при исследовании загрязнения атмосферы представляет задача контроля так называемых вторичных соединений, образующихся го первичных при определённых условиях.

Возможности существующей системы экологического мониторинга, таким образом, должны быть существенно расширены как с точки зрения приборного оснащения, так и с позиций размещения постов контроля. Установление закономерностей формирования пространственного и временного распределения в приземном слое атмосферы первичных и вторичных примесей повышает информативность системы мониторинга атмосферного воздуха и рационализирует размещение стационарных и передвижных постов наблюдений. Успешное решение этих задач имеет не только технологические, но и в значительной степени, социально-экологические перспективы, которые, безусловно, являются актуальными для наукоемкой природно-технической геосистемы.

Объектом исследования является приземный слой атмосферы г. Зеленограда как наукоемкой природно-технической геосистемы.

Предметом исследования является процесс превращения и распространения химических веществ в атмосфере, что является основой обеспечения системы мониторинга атмосферы г. Зеленограда.

Цель работы и задачи

Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование образования и распространения примесей в атмосфере посредством математического и физико-химического моделирования, как условие для оценки эколого-экономического риска.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Системный анализ проблемы мониторинга примесей в атмосфере и обоснование необходимости исследований.

2. Теоретический анализ применимости существующих физико-химических и математических моделей процессов трансформации и распространения примесей в атмосфере для целей исследования.

3. Разработка физико-химической и математической модели на основе законов термодинамики и уравнений турбулентной диффузии для процессов трансформации и распространения примесей в атмосфере.

4. Экспериментальная оценка концентраций примесей и компьютерное представление полей их рассеивания от наиболее значимых источников с целью проверки моделей на адекватность.

5. Исследование экологических рисков от загрязнения атмосферы для здоровья населения и городской экосистемы.

6. Разработка методических рекомендаций по аналитическому определению полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере, а также по инструментальному оснащению постов наблюдения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана физико-химическая модель трансформации примесей в атмосфере и определены условия реализации химических реакций с образованием вторичных соединений в атмосфере с помощью энергии Гиббса.

2. На основе уравнения турбулентной диффузии разработана математическая модель рассеивания примесей при различных метеоусловиях, учитывающая переход от нестационарной функции к стационарной, что позволяет определять концентрации примеси в любой точке пространства.

3. Проведён комплексный анализ методов расчета коэффициента турбулентной диффузии и разработана методика определения вторичных примесей в атмосфере.

4. Выполнен анализ риска от присутствия примесей в атмосфере для здоровья человека на основе индикаторно-рискологического подхода ЕРА и российского гигиенического регламентирования примесей и определен экологический ущерб атмосфере.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработан алгоритм термодинамического анализа и возможности трансформации первичных примесей в атмосфере во вторичные.

2. Разработан оригинальный аналитический метод расчёта полей концентраций и времени существования вторичных загрязнителей в атмосфере.

3. Разработаны методические рекомендации по расчёту полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере и сформулированы предложения по модернизации постов контроля атмосферы города.

4. Выполнена экспериментальная оценка концентраций примесей и компьютерное представление полей их рассеивания от наиболее значимых источников с целью проверки моделей на адекватность.

5. Выявлены потенциально экологически неблагополучные территории города, определены ущербы для атмосферы и риски для здоровья населения.

Внедрение результатов работы

1. Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке УМК ряда дисциплин магистерской программы «Энергетическая эффективность производств электронной техники» направления «Электроника и наноэлектроника» Национального исследовательского университета «МИЭТ».

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке УМК по дисциплинам «Промышленная экология» и «Физиология человека» кафедры «Безопасность полетов и жизнедеятельности» в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА).

Методология и методы исследования.

В работе использован экспериментально-аналитический подход к решению рассматриваемой проблемы в соответствии с существующими положениями экоаналитической науки и практики. Основу исследований составляют системный анализ, физико-химическое и математическое моделирование процессов трансформации и распространения загрязнителей в атмосфере с применением энергии Гиббса и уравнения турбулентной диффузии, а также графическое компьютерное представление полей рассеивания примесей. Анализ экологического риска проводился на основе индикаторно-рискологического подхода ЕРА и российского гигиенического регламентирования примесей; а ущерб атмосфере определялся по укрупненной денежной оценке риска.

Личный вклад автора.

Все основные результаты диссертации получены лично автором. Главными из них являются:

1. Сравнительный теоретический анализ моделей трансформации и распространения химических загрязнителей в атмосфере.

2. Разработка и анализ физико-химической модели расчёта вторичных загрязнителей в атмосфере с использованием энергии Гиббса и экспериментальных данных.

3. Разработка и анализ решений математической модели на основе уравнения турбулентной диффузии при различных погодных условиях с использованием розы ветров.

4. Теоретические исследования времени существования в атмосфере г. Зеленограда первичных и вторичных загрязнителей под влиянием метеорологических параметров.

5. Получение и обработка экспериментальных данных и проверка математической модели на адекватность в условиях реального загрязнения атмосферного воздуха первичными и вторичными загрязнителями.

6. Компьютерное представление полей рассеивания первичных и вторичных загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях.

7. Анализ риска загрязнения атмосферы и его последствий для здоровья населения и экосистемы города.

8. Разработка методических рекомендаций по расчёту полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере, а таюке рекомендаций по инструментальному оснащению постов наблюдения.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность теоретических результатов, полученных посредством моделирования, обусловлена проверками их на адекватность на основе экспериментальных данных и сравнением со сведениями отечественных и зарубежных исследователей. Фактические значения концентраций первичных загрязнителей получены в Зеленоградском отделе экологического контроля Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, а также с помощью сертифицированного измерительного оборудования при натурных исследованиях. Расхождения между расчетными и экспериментальными данными исследований концентраций примесей и продолжительности их существования в атмосфере соответствуют погрешности инженерных расчётов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты инженерно-экологического анализа приземного слоя атмосферы наукоемкой природно-техиической системы.

2. Физико-химическая модель трансформации первичных примесей атмосферы во вторичные на основе констант равновесия и энергии Гиббса.

3. Математическая модель рассеивания примесей в атмосфере на основе уравнения турбулентной диффузии.

4. Компьютерное представление полей рассеивания загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях с использованием специализированного программного продукта УПРЗА «ЭКО Центр» и расчётно-графического пакета МаШсас! с целью уточнения времени нахождения концентрации в воздухе.

5. Компьютерное представление полей рассеивания первичных и вторичных загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях.

6. Результаты анализа экологического риска воздействия химических соединений на здоровье населения г. Зеленограда и городскую экосистему.

Апробаиия работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. 18 -я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов ((Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, апрель, 2011 г.

2. 19 -я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2012», Москва, апрель, 2012 г.

3. XVIII международная научно-практическая конференция 2013НИЧеСКИе НаУКИ ~ °Т Те°рИИ К пРактике>>> Новосибирск, февраль,

4. Международная молодёжная научная конференция «XXXIX Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2013

5. 20 -я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013», Москва, апрель, 2013 г.

6. XX международная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск, апрель,

7. XXIX международная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск декабрь 2013.

8. Международная молодёжная научная конференция «ХЬ Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2014.

9. 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2014», Москва, апрель, 2014.

10. XXXVI международная научно-практическая конференция «Технические науки - от теории к практике», Новосибирск, апрель, 2014.

11. Международная молодёжная научная конференция «Х1Л Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2015.

12. 22 -я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2015», Москва, апрель, 2015.

Публикации:

Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в 21 работе, в том числе 5 работ в рецензируемых журналах из перечня, рекомендуемым ВАК РФ.

По материалам диссертации сделано 12 докладов на научных конференциях. Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве, и включенные в диссертацию, получены автором лично и включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.

Структура и объем диссертаиии. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, выводов и списка литературы. Объем основной части диссертации составляет 133 страниц, включая 29 рисунков и 32 таблицы. Общий объём работы составляет 136 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, показаны её научная новизна и практическая значимость, изложены применяемые методы исследования и основные положения, выносимые на защиту, а также приведен перечень конференций, на которых докладывались основные результаты работы.

В первой главе приводится общая характеристика наукоемкой природно-технической геосистемы (далее, геосистемы), представляющей собой сложноорганизованный объект, к исследованию и конструированию которого в полной мере применимы принципы системного анализа как методологии решения проблемы путем последовательной её декомпозиции на взаимосвязанные частные подпроблемы в виде «дерева причин и последствий».

Формулировка проблемы, определение приоритетности причин и последствий осуществляется с помощью экспертных оценок, что позволило выстроить иерархию задач в виде «дерева целей» для организации системы мониторинга атмосферы как источника технологической среды для предприятий электронной техники и как составляющей среды обитания человека.

К настоящему времени исследование проблемы загрязнения атмосферного воздуха сводится в основном к изучению вопросов образования и рассеивания первичных примесей. Явление образования вторичных загрязнителей обсуждается с точки зрения возможности

химических реакций в атмосфере, но без постановки и решения задачи расчета их концентрации и времени существования.

В результате анализа проблемы загрязнения атмосферного воздуха и мнений специалистов различных направлений установлено, что из множества моделей атмосферных процессов в зависимости от целей исследования наибольшее распространение получило два вида моделирования:

1. Моделирование с использованием физико-химических характеристик веществ, участвующих в реакциях, имеет цель анализа возможности реализации химических реакций с образованием вторичных соединений.

2. Моделирование рассеивания примесей на основе уравнения турбулентной диффузии для исследования с определенными допущениями распределения концентраций примеси во времени и пространстве.

Приведенные соображения определяют дальнейшие задачи исследования.

Ш_второй главе производится инженерно-экологическая

оценка атмосферы наукоемкой природно-технической геосистемы с её краткой климатической характеристикой, анализируются многолетние данные по валовым и покомпонентным первичным выбросам от предприятий и автотранспорта.

В условиях постоянного присутствия в атмосфере газообразных загрязнителей необходим не только их постоянный мониторинг, но и учёт их вероятной трансформации под влиянием метеоусловий, способных спровоцировать химические реакции с образованием более сложных и малоизученных веществ, приводящих к определенным эколого-экономическим рискам.

Критерием возможности трансформации первичных примесей во вторичные является энергия Гиббса:

Ав = АН~ТА5

где АН - энтальпия, кДж/моль; А5 - энтропия, Дж/(моль-К); Т -абсолютная температура, К.

При Дв < 0 химическая реакция в атмосфере протекает самостоятельно, при Д(? > 0 для протекания реакции необходим катализатор (например, солнечный свет). При Ав = 0 система находится в состоянии равновесия.

В справочных таблицах имеются стандартные значения G, Н и 5 при Т = 298 К, а энергия Гиббса при произвольной температуре определяется по формуле:

AG/,29s = XV'AG/.298 (прод) - X v,. AG/i295 (исх)

Если значения ДС? не заданы, то экспериментальный расчёт Д# и AS приводится по формулам:

■ ^/,298 = EV'^/.298 (ПРОД)(ИСХ) ,

^/.298 = Еу/А5/.298(прод)-£у,.Д5;298(исх) где v, - стехиометрические коэффициенты, являющиеся коэффициентами химических уравнений; Д#^298 (исх), AH°f 298(прод),

^"/.298 (исх) и Аб'^зд^прод) - энтальпии и энтропии исходных веществ и продуктов реакции соответственно.

Определение физико-химических параметров заданных реакций проводилось с помощью программного продукта HSC Chemistry 7.0. Расчёты концентраций вторичных загрязнителей по каждой химической реакции выполнялись через зависимости константы равновесия от энергии Гиббса. Константы равновесия связаны с мольными долями первичных загрязнителей, не зависящими от среднесуточных либо максимально-разовых концентраций веществ.

В качестве примера приведем экспериментальную формулу расчёта концентрации примеси HN03 в атмосфере:

с = с 1 123Кр'С"°2 '°Hl°

HNOj л/1' '

V CNO

где Кр - константа равновесия реакции; , си^0 - концентрации реагентов реакции; cHNOj, cN0 - концентрации продуктов реакции.

Концентрация Н20 рассчитывается по недостатку вещества, как стандартная химическая задача. Результаты расчетов концентраций вторичных загрязнителей при разных температурах и их сравнение с ПДК приведены в табл.1.

Вторичный загрязнитель Концентрация, полученная численно, г/м3 пдкмр, г/м3

Т = 253 К Т = 273 К Т = 293 К

РШО, 1,139-10'2 1,433-Ю"3 2,472-10"4 0,0004

эо, 0,23 0,054 0,015 0,0005

Н2804 6,03 м О6 1,434-105 2,121-Ю3 0,0003

л i ----------•> ««^км^^ии^и^Л 1и

первичных при определенных метеоусловиях в соответствии с разработанной физико-химической моделью, могут присутствовать в атмосфере в весьма широком диапазоне концентраций.

Б третьей главе рассматриваются подходы к математическому моделированию рассеивания примесей на основе уравнения турбулентной диффузии:

где / - время распространения примеси, с (у^.у.)- составляющие средней скорости перемещения вещества соответственно по направлению осей у, 2, м/с; (кх,ку,к:) - горизонтальные и

вертикальные составляющие компонента турбулентной диффузии (коэффициенты обмена), м2/с; Я - коэффициент трансформации примеси

во вторичную под воздействием на него осадков, с'1;

^ дх ' ду ' дг

градиент концентрации по направлению;

дС д(

- градиент

концентрации по времени; С - концентрация примеси, г/м3.

Решение уравнения (1) дает две важные функциональные зависимости:

I. .. Л' 5 /

м

СЛХ'У'7>1)=-

(*-уУ у

4к) 4 к/

8(Ы)

(,-н?

(г +Н)

N

+ е

■е

(2)

Уравнение (2) получено по известной модели М.Е. Берлянда, которая учитывает стандартные предположения относительно распространения дымового факела и слабохолмистый характер

подстилающей поверхности. Уравнение (2) с помощью интегрирования сверткой можно привести к стационарному (3), которое наиболее информативно будет отражать процесс распространения примесей в приземном слое атмосферы.

Н—, е ' '

4Х2+у2+(г + Н)2

(3)

Уравнение (2) является нестационарным и для него строятся зависимости в нужный момент времени. Такую зависимость удобно использовать при аварийных выбросах от промышленных предприятий.

Уравнение (3) получается из уравнения (2) его интегрированием на интервале времени [0, со] с использованием свёртки по I. Эти преобразования возможны при следующих допущениях: 1. Непрерывно действующий стационарный точечный источник; 2. Примесь однородна, её потери отсутствуют; 3. Концентрация примеси в выбросе падает по экспоненте; 4. Имеется только турбулентная диффузия, а молекулярная пренебрежимо мала.

Показатель степени экспоненты в формуле (3) содержит коэффициент диффузии к, определяющий характер распространения примеси, и коэффициент абсорбции X, отвечающий за трансформацию и движение загрязнителя под действием осадков. Эти коэффициенты образуют эффективный коэффициент диффузии, учитывающий осадки и ветер:

_ А2+4кЛ « 2к '

Коэффициент диффузии определяется при некоторых допущениях по методу Бирда-Гиршфельдера-Куртисса:

, 0,002628 1Г3(М,+М2)

V 2м,м2 '

где к - коэффициент диффузии, м2/с; р - давление, атм.; Т -температура, К; Мь М2 - молекулярные массы газов 1 и 2] а, 2 -постоянная сил, найденная по формуле Леннарда-Джонса, А; П^1'* -

функция, значение которой берётся по справочной таблице; е, 2 и а, 2 -постоянные сил, А, которая определяются по формулам Леннарда-Джонса:

о-

2

где о-д а,, ей е2 - постоянные в уравнении Леннарда-Джонса.

Полученные зависимости позволяют построить поля рассеивания в виде изолиний концентраций примесей на исследуемой территории с применением

универсальной программы расчета загрязнений атмосферы УПРЗА «ЭКО центр» (рис.1) и пакета МаШСас! (рис.2). Поля концентраций при неблагоприятных метеоусловиях на примере Ш2 показаны на рис. 1 а

2.

Рис. 1. Поля концентраций N02 в теплый период года

Рис. 2. Поля концентраций N0 в теплый период года при наличии

осадков

Графическое представление полей концентраций основных примесей атмосферы при различных метеоусловиях демонстрируют реальную картину качества воздуха экосистемы города, показывают вероятность превращения первичных примесей во вторичные, способные при достаточном времени существования приводить к экологическим рискам.

Четвертая глава посвящена оценке качества атмосферного воздуха г. Зеленограда, риску негативного воздействия вредных выбросов на здоровье населения и ущерба природной среде.

Важнейшим этапом при этом является сбор и системный анализ данных по концентрациям примесей, на основании которых далее рассчитываются показатели качества атмосферы и экологический риск. За основу берутся концентрации первичных неорганических соединений, предоставленные ГУП «Мосэкомониторинг». Расширение спектра анализируемых примесей за счет органических соединений возможно при включении в состав постов контроля монопольного масс-спектрометра с гиперболическим электродом, разработанного совместно с ООО «ПАРСЕК» и Национальным исследовательским

университетом «МИЭТ», способного улавливать малозаметные концентрации различных соединений, в том числе и органических.

На основании «дерева событий» установлено критическое событие, приводящий при определенных условиях к вторичным критическим событиям, создающим опасный феномен в виде токсического эффекта, способного привести к главному событию -риску ущерба здоровью населения.

Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха в городе в целом на основании индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) показывает, что этот уровень - «низкий» при степени среднегодового загрязнения атмосферы - «слабое». Формально не внушает опасений также динамика интегральной оценки качества атмосферного воздуха города по постам наблюдения с использованием показателя загрязнения атмосферы (Л"атм).

Однако ранее полученные поля концентраций основных примесей атмосферы и данные о времени их нейтрализации приводят к необходимости оценки риска их негативного воздействия на компоненты экосистемы.

В связи с тем, что исследуемые первичные и вторичные загрязнители в атмосфере не являются канцерогенами, рассматриваются неканцерогенные риски по методике ЕРА и на основе российского гигиенического регламентирования примесей.

Методика оценки риска здоровью населения, разработанная ЕРА (Американское агентство по окружающей среде) в тесном контакте с европейскими и российскими учёными, исходит из предположения и заданности местности, неизменности состояния окружающей среды и механизмов распространения опасных веществ и их воздействия на население.

В связи с отсутствием канцерогенных веществ, в атмосфере г. Зеленограда, исследования были направлены на анализ риска от неканцерогенов.

Неканцерогенный риск рассчитывается по формуле: / _ (С- ■:Ущ)-ЕР-ЕР + (С;, ■Т„,-УЫ)-ЕР-ЕР ' В№-АТ-365 ' С )

где Са - концентрация вещества в атмосферном воздухе, мг/м3; СА -

концентрация вещества в воздухе жилища (предположим, что численно она равна Са), мг/м3; Т„„, - время, проводимое вне помещений, ч/день (6

ч/день); Т,„ - время, проводимое внутри помещений, ч/день (18 ч/день); Уош - скорость дыхания вне помещений, м3/ч (1,4 м3/ч); V,„ - скорость дыхания внутри помещения, м3/час (0,63 м3/ч); EF - частота воздействия, дней/год (250 дн./год для средней концентрации, 100 дн./год для максимальной концентрации); ED - продолжительность воздействия, год; BW - масса тела, кг; AT - период осреднения экспозиции, лет. Результаты расчеты сведены в табл. 2.

Таблица 2. Коэффициенты опасности хронического воздействия примесей атмосферы

Вред ное веще Кла сс опа CW- °'' /со мг/м3 CW-мг/м3 m мг/м3 AR/C, мг/м3 кь мг/кг • день Л>/. мг/кг • день HQ, HQot

ство сно сти

n0 3 0,03 0,884 0,04 0,72 5,795 • ю-3 0,068 0,75 1,228

no2 2 0,04 0,192 0,06 0,47 7,726 ■ю-3 0,015 0,667 0,409

s02 3 0,003 0,023 0,05 0,66 5,795 •ю-4 1,777 •ю-3 0,06 0,035

03 1 0,03 0,148 0,03 0,18 5,795 •ю-3 0,011 1 0,823

СО 4 0,6 5,4 3 23 0,116 0,417 0,2 0 235

hno 3 1,647 ■ Ю"10 8,132 ■ 10-.о 0,04 0,09 3,181 • 10"и 6,283 • ю-'1 4,12 • 10"6 9,036 • 10"6

so3 3,02 • Ю-4 3,724 • ю-4 0,001 0,1 5,833 •ю-5 2,877 • ю-5 0,301 3,724 • ю-'

Суммарный индекс опасности HI = ^ HQi i Vctt --------- Г ____ ___------ . 2,98 3,10

Как следует из полученных результатов покомпонентный риск здоровью населения от большей части загрязнителей меньше единицы что говорит об отсутствии отрицательного воздействия, однако в сумме

эти вещества могут оказывать аддитивное воздействие и наносить вред здоровью.

Риск рефлекторного воздействия на здоровье населения, оцененный по российской методике, характеризуется острыми и кратковременными реакциями организма человека на воздействие химических примесей. Расчёты показывают, что средний рефлекторный риск N0 равен 0,136, а СО - 0,097. Это говорит о том, что 136 человек из 1000 и 97 человек из 1000 могут почувствовать временное ухудшение здоровья из влияния на них указанных загрязнителей. Но рефлекторный риск воздействия Б03 на здоровье людей, в случае его присутствия в атмосфере, равен 0,999. Это говорит о том, что практически всё население, попавшее под воздействие данного полютанта может испытывать кратковременно плохое самочувствие. На такой риск возможен только в случае аварийного или залпового выброса первичного загрязнителя.

В работе проведено исследование эколого-экономического риска от воздействия вредных выбросов на атмосферу. Расчёт ущерба от воздействия вредных примесей от стационарных источников проводился по формуле:

к = Риапш =иута/^Л,К, , (5)

ы\

г, ^

где У = —— вероятность причинения ущерба атмосфере; N - число "о

измерений концентраций, превышающих ПДКСС.; Ы0 - общее число измерений концентраций;^ - денежная оценка единицы выбросов; сг -коэффициент, учитывающий региональные особенности территории;/-поправка, учитывающая характер распространения примеси; Л, -коэффициент приведения примеси к «монозагрязнителю»; К, - объём выброса ¡-го вида примеси.

Чаще всего превышения ПДК вредных выбросов наблюдались в 2013 году. Годовой экономический ущерб за 2013 год при риске, равном 1,23 6-103 составил 398,61 руб. Данные результаты свидетельствуют о том, что даже редкие превышения ПДК вредных веществ в атмосфере могут приводить к значительным экономическим ущербам.

В заключении приводятся основные результаты и выводы диссертации.

1. Результаты инженерно-экологической оценки свидетельствуют о присутствии в приземном слое атмосферы природно-технической системы широкого спектра первичных примесей содержащих углерод, серу и азот, способных при определенных условиях трансформироваться в более сложные химические соединения, потенциально опасные как для производств электронной техники, так и для населения.

2. Использование разработанной физико-химической модели на основе энергии Гиббса подтверждает реальность трансформации первичных примесей под действием метеоусловий во вторичные того же элементного состава, но с другими токсикологическими свойствами и с перспективой дальнейших превращений. Вторичные примеси могут присутствовать в атмосфере в весьма широком диапазоне концентраций.

3. Наибольшее распространение в России получила модель рассеивания примесей в атмосфере М.Е. Берлянда, в соответствие с которой степень загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих стационарных и передвижных источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации вредных веществ, которая устанавливается при неблагоприятных метеоусловиях.

4. Для исследования процесса рассеивания примесей в атмосфере предлагается математическая модель на основе уравнения турбулентной диффузии, которое решается при определенных допущениях и позволяет представить поля концентраций графически с помощью изолиний. Коэффициент турбулентной диффузии, определяющий характер рассеивания примеси и вычисляется по методу Бирда, Гиршфельдера и Куртисса минимизирующего погрешность расчётов.

5. Отсутствие аналитических методов получения коэффициентов диффузии сложных газовых выбросов не позволяет построить точно поля рассеивания вторичных выбросов. Построенные с помощью унифицированной программы расчёта загрязнения атмосферы (УПРЗА) «ЭКО Центр» поля рассеивания всех первичных и частично вторичных загрязнителей с учётом розы ветров за 2013 год демонстрируют реальную картину изменения их концентраций над жилыми районами г. Зеленограда.

6. Поля концентраций, построенные для Б02 и N0 с помощью пакета МаЛСас!, показывают закономерности их рассеивания в зависимости от метеоусловий и свидетельствуют об интенсификации процесса самоочищения атмосферы при наличии осадков даже при неблагоприятных условиях перемешивания их при низких скоростях ветра (менее 2 м/с). При этом время жизни указанных примесей составляет около двух часов, что существенно при оценке риска здоровью населения.

7. Медико-экологические аспекты загрязнения атмосферы предполагает учет двух типов риска: риск для здоровья, характеризующий вероятность развития у населения неблагоприятных для здоровья эффектов, и риск нанесения экологического ущерба атмосфере в денежном выражении в результате деятельности транспортно-промышленного комплекса. Анализ рисков выполняется с помощью «дерева событий» по рекомендациям ГОСТ Р 54142-2010.

8. Статистические показатели качества воздуха и характеристики уровня его хронического загрязнения свидетельствую об относительно благополучном состоянии атмосферы в городе (по ИЗА уровень загрязнения - «низкий»). При этом наблюдаются случаи превышения ПДК как первичных (N0, СО), так и вторичных загрязнителей (БОз), что может привести к риску их хронического и рефлекторного отрицательных воздействий на здоровье населения, а также нанести ущерб для атмосферы города.

9. Для оценки риска здоровью используется методики индикаторно-рискологического подхода и гигиенического регламентирования примесей, а риск экологического ущерба атмосфере города определяется по укрупненной методике. Парциальные коэффициенты опасности основных примесей в атмосфере не превышают 1, однако, их суммарные индексы как при хроническом (Н1Х = 2,98), так и при остром воздействии (#/0 = 3,10) свидетельствуют о негативном эффекте на протяжении жизни человека. Индексы опасности загрязнителей с повышением температуры среды возрастают и при +15 °С, риск рефлекторного воздействия первичных загрязнителей (N0, СО) составляет 0,136, и 0,097 соответственно, а -вторичного загрязнителя (БОз) - 0,999, что может реально сказаться на самочувствии населения, затронутых влиянием указанной примеси.

10. Годовой экономический ущерб за 2013 год при риске, равном 1,236-10"3 составил 398,61 руб. Это свидетельствуют о необходимости неослабного контроля над состоянием атмосферы

города и дальнейшего совершенствования системы экологического мониторинга с учетом зонирования территории по фактору экологического риска. Для повышения информативности системы мониторинга предлагается дополнить посты контроля монопольным масс-спеюрометром с гиперболическим электродом, разработанным совместно с ООО «ПАРСЕК» и Национальный Исследовательским Университетом «МИЭТ», что позволяет при использовании детектора ионов на основе цилиндра Фарадея создать компактный, автономный прибор контроля низкоконцентрированных примесей.

Список публикаций в рецензируемых научных изданиях из перечня

ВАК:

1. Чернявский С. А. «Математическая модель распространения в атмосфере парниковых газов, порожденных стационарным точечным источником» // Научный Вестник МГТУ ГА -М.: 2012, №184 (10).-С. 128-131.

2. Каракеян В.И., Чернявский С.А. Распространение вторичных примесей в атмосфере как фактора влияния при построении системы мониторинга // ОБРОННЫЙ КОМПЛЕКС - научно-техническому прогрессу России: межотраслевой научно-технический журнал. - М.: ФГУП «ВИМИ», 2013. Вып. 2, С. 40 - 44.

3. Каракеян В.И., Чернявский С.А. Исследование процесса распространения первичных и вторичных загрязнителей в атмосфере содержащих серу и азот // Экология промышленного производства: межотраслевой научно-технический журнал. - М • ФГУП «ВИМИ» 2013., Вып. 3, С. 21-25.

4. Каракеян В.И., Чернявский С.А. Оценка риска здоровью взрослого населения от загрязнения атмосферы химическими соединениями // Экология урбанизированных территорий - М • ИД Камертон, 2015, Вып. 2, С. 59 - 63. '

5. Каракеян В.И., Чернявский С.А. Физико-химическое моделирование трансформаций антропогенных выбросов в приземном слое атмосферы. II Экология промышленного производства. Межотраслевой научно-практический журнал, ФГУП «ВИМИ», 2013, С

Список публикации в других изданиях:

1. Чернявский С. А. «Анализ состояния атмосферного воздуха в г. Зеленограде и мероприятия по его защите от примесей» // Микроэлектроника и информатика - 2011, 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2011. С. 294.

2. Чернявский С.А. «Моделирование процессов загрязнения атмосферы двуокисью углерода» // Методы и средства контроля объектов природно-технических геосистем: сборник научных трудов / Подред. В.И. Каракеяна. -М.: МИЭТ, 2011. С. 167- 175.

3. Чернявский С.А. «Исследование образования вторичных примесей в атмосфере» // Микроэлектроника и информатика - 2012, 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2012. С. 275.

4. Чернявский С.А. «Исследование образования вторичных примесей в атмосфере» // Методы и средства контроля объектов природно-технических геосистем: сборник научных трудов / Под ред. В.И. Каракеяна. - М.: МИЭТ, 2012. С. 110 - 117.

5. Чернявский С.А. «Образование и трансформация первичных и вторичных атмосферных загрязнителей на примере соединений серы и азота, как важная задача мониторинга атмосферного воздуха» // Технические науки - от теории к практике: материалы XVIII международной заочной научно-практической конференции. Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. С. 188 - 198.

6. Чернявский С.А. «Исследование распространения первичных и вторичных соединений в атмосфере, как главная составляющая системы мониторинга» // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодёжной научной конференции в 9 томах. -М.: МАТИ, 2013. Т.8, С. 125 - 126.

7. Чернявский С.А. «Энергия Гиббса как критерий образования сложных химических соединений в атмосфере» // Микроэлектроника и информатика - 2013, 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2013. С. 298.

8. Чернявский С.А. «Математическая модель процесса распространения в атмосфере газовых загрязнителей при различных погодных условиях» // Технические науки - от к практике: материалы

XX международной заочной научно-практической конференции Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. С. 142 - 152.

9. Чернявский С.А. «Аналитический метод расчёта концентраций вторичных атмосферных загрязнителей на основе концентраций первичных соединений , полученных со стационарных наблюдения в г. Зеленограде» // Инфраструктура объектов природно-технических геосистем: сборник научных трудов / Под ред В И Каракеяна. - М.: МИЭТ, 2013. С. 86 - 91.

10. Чернявский С.А., Каракеян В.И. «Расчёт концентраций вторичных загрязнителей в атмосфере на примере соединений азота и серы» // Технические науки - от теории к практике / Сб. ст. по материалам XXIX междунар. науч.-практ. конф. №12 (25) Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. С. 195 - 202.

11. Чернявский С.А. «Расчёт и исследования вторичных атмосферных загрязнителей в г. Зеленограде» // ХЬ Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодёжной научной конференции в 9 томах. -М.: МАТИ, 2014. Т.8, С. 114-116.

12. Чернявский С.А. «Численный метод расчёта концентраций вторичных загрязнителей как важная ступень поиска сложных химических элементов в атмосфере» // Микроэлектроника и информатика - 2014, 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов -М.: МИЭТ, 2014. С. 241.

13. Чернявский С.А., Каракеян В.И. «Исследование валовых выбросов вторичных загрязнителей в атмосферу г. Зеленограда как практическая задача контроля качества атмосферного воздуха» // Технические науки - от теории к практике / Сб. ст. по материалам XXIX междунар. науч.-практ. конф. №7 (32). Новосибирск: Изд. «СибАК» 2014. С. 6-16.

14. Чернявский С.А. «Анализ вероятности реализации токсикологических эффектов в атмосфере г. Зеленограда» // Методы и средства контроля объектов природно-технических геосистем: сборник научных трудов / Под ред. В.И. Каракеяна. - М.: МИЭТ, 2014. С. 130 -

15. Чернявский С.А. «Оценка опасности воздействия химических загрязнителей на различные категории населения г Зеленограда» // ХЫ Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодёжной научной конференции в 4 томах. Т.1:

Материаловедение и технологии обработки материалов для аэрокосмической отрасли. - М.: ИНФРА-М, 2015. Т.1, С. 263-264.

16. Чернявский С. А. «Анализ неканцерогенного риска здоровью разных категорий населения химическими примесями атмосферы в г. Зеленограде» // Микроэлектроника и информатика -2015, 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ 2015. С. 342.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л.

Тираж экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ

124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1, МИЭТ.