автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Учет загрязнения окружающей среды аэрозолями в задачах развития энергетических систем

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А. Мелентьева

На правах рукописи

УДК 662.7: 621.31: 536.7: 001.57

МОЛОЖНИКОВА Елена Владимировна

УЧЕТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АЭРОЗОЛЯМИ В ЗАДАЧАХ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск-2003 г.

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН

Научный руководитель -

доктор технических наук С.П. Филиппов

Официальные оппоненты -

доктор технических наук Е.В. Сеннова

кандидат технических наук А. Л. Малевский

Ведущая организация -

Братский Государственный Технический Университет

Защита состоится 04 ноября 2003 года в 900 часов на заседании Диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130, ученому секретарю Диссертационного совета.

Для справок: тел. (3952)ч2-47-00, факс (3952) 42-67-96.

Автореферат разослан _ октября 2003 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 003.017.01

доктор технических наук, профессор

А.М. Клер

' ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Бурное развитие промышленности в 19-20 веках в большинстве стран мира поставило перед человечеством в числе прочих следующие две острых проблемы: 1) обеспечение ресурсами; 2) сохранение среды обитания. В наибольшей степени это относится к топливно-энергетическому комплексу (ТЭК), который является крупнейшим потребителем природных ресурсов и одним из наиболее существенных загрязнителей окружающей среды. Выдвинутые парадигмы «(устойчивого развития» человеческой цивилизации (Конференция ООН по развитию, Рио-де-Жанейро, 1992 г.) и «комфортности жизни» людей (Вернадский, Одум) не могут быть осуществлены без успешного решения обсуждаемых проблем. Очевидно, что эти проблемы: во-первых тесно взаимосвязаны, во-вторых, достаточно сложны, в-третьих, имеют множество решений. Поэтому преодоление их путем сепаратной реализации отдельных мероприятий в рамках известных концепций «рационального природопользования» и «охраны окружающей среды» оказывается чрезвычайно расточительным. Предлагаемые решения должны иметь комплексный характер, быть взаимоувязанными и оптимальными.

Именно такие решения могут быть подготовлены на основе системного подхода, который применительно к энергетике много лет успешно развивается в стране (JI.A. Мелентьев, A.A. Макаров, Л.С. Беляев и др.) и за рубежом (В. Хефеле, Н. Накиченович и др.). В рамках данного подхода разработаны системные энергетические модели, позволяющие отыскивать оптимальные направления использования природных энергетических ресурсов при соблюдении экологических ограничений. Наиболее известными и широко применяемыми моделями ТЭК страны являются MARKAL, EFOM, MESSAGE, энергетики мира - DNE21 и GEM. В этих моделях экологические ограничения представляют собой, как правило, ограничения на выбросы вредных веществ в окружающую среду. В Институте систем энергетики СО РАН в 1996-1997 гг. в рамках международного проекта ТАСИС «Экологически чистое энергоснабжение региона озера Байкал» была разработана региональная энергетическая модель ВЕЕМ (С.П. Филиппов), в которой впервые экологические ограничения задавались в виде ограничений на концентрации вредных веществ в так называемых «контрольных» точках. Однако, эта модель до сих пор не нашла должного практического применения. Это связано, прежде всего, с нерешенной проблемой получения надежных значений «экологических коэффициентов». Причем, применительно к аэрозолям проблема не решена как в методическом, так и прикладном планах.

Следует отметить, что до настоящего времени в задачах развития энергетики и, следовательно, в соответствующих математических моделях принимались во внимание только выбросы макрокомпонентов (SO2, NOx, СО и пыли). В то же время, известно пагубное влияние на здоровье людей субмикронных аэрозолей антропогенного происхождения. Источниками поступления таких аэрозолей в атмосферу являются, промышленность, прежде

всего энергетика, выбрасывающая твердые частицы (так называемые первичные аэрозоли), а так же процессы трансформации в атмосфере кислотообразующих газов (SO2, NOx, СО и др.) в аэрозольные частицы (так называемые вторичные аэрозоли). Субмикронные аэрозоли характеризуются развитой поверхностью и высокой адсорбирующей способностью. Эколбгическая опасность таких аэрозолей усиливается их возможностью проникать глубоко внутрь дыхательного тракта человека. Кроме того, антропогенные аэрозоли могут оказывать существенное влияние на климат (причем, как в региональном, так и глобальном масштабах) за счет изменения облачности и альбедо верхних слоев атмосферы.

Основной причиной, по которой проблема вторичных аэрозолей до сих пор не нашла отражения в задачах развития энергетики, является недостаток информации. Например, нет ясности с долей кислотообразующих газов, переходящих во вторичные аэрозоли на рассматриваемой территории, с влиянием климатических условий на процессы образования и «старения» (т.е. последующие превращения) вторичных аэрозолей, в частности, на их «обводнение» и, следовательно, изменение химических свойств и дисперсного состава и т.д.

Представляется, что ответить на данные вопросы в настоящее время можно только на основе комплексного проведения теоретических исследований и натурных измерений. Так, количественные оценки экологических характеристик объектов энергетики могут быть получены путем совместного использбвания снегосъемки и моделей рассеивания вредных выбросов в атмосфере. Имеющийся положительный опыт применения термодинамической модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) для исследования процессов трансформации продуктов сгорания в газовом тракте котла и атмосфере (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, A.B. Кейко) может быть использован для изучения процессов образования вторичных аэрозолей в атмосфере и их «старения».

Объектом исследования является региональная энергетическая система, образованная" совокупностью взаимосвязанных элементов - энергетических объектов (топливодобывающих и топливоперерабатывающих производств, энерготранспфтных коммуникаций, электростанций, котельных, домовых печей и т.д.) и находящаяся во взаимодействии с окружающей средой (прежде всего с окруж&югцей природной средой). Из энергетических объектов в работе рассматривания энергоисточники на органическом топливе: ТЭЦ, котельные и домовые печи.

Предметом исследования являются процессы загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями и методы их учета в задачах развития региональных энергетических систем.

Основной целью настоящей работы является решение проблемы учета загрязнения окружающей среды' аэрозолями, в том числе вторичными, в задачах развития региональных энергетических систем.

' Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задали:

1) разработать методику учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в математических моделях региональных энергетических систем;

2) разработать методику определения «экологических характеристик» энергоисточников, касающихся выбросов аэрозолей, и соответствующих «экологических» ограничений в моделях региональных энергетических систем;

3) выявить влияние климатических факторов на процессы образования и трансформации вторичных аэрозолей в атмосфере.

Методы исследования: методология системных исследований в энергетике; методы термодинамического анализа; методы гидрохимических исследований; методы математического моделирования.

Составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие основные результаты работы:

1. Методический подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями, в том числе вторичными, в математических моделях региональных энергетических систем.

2. Методика определения удельных показателей энергетических объектов, характеризующих загрязнение окружающей среды аэрозолями, и соответствующих ограничений в моделях региональных энергетических систем.

3. Методика и результаты натурных физико-химических исследований загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями.

4. Результаты исследования с помощью термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний влияния климатических факторов на трансформацию аэрозолей в атмосфере.

Практическая значимость работы. Разработанные методы и полученные результаты могут быть использованы при решении задач развития региональных энергетических систем, а также для оценки эффективности природоохранных мероприятий в энергетике и других отраслях промышленности. Особенно актуальны они для территорий с большой долей угля в топливно-энергетическом балансе (Восточная Сибирь, Дальний Восток и др. регионы страны). Результаты термодинамических исследований могут быть полезными для понимания природы и механизмов влияния климатических условий на процессы трансформации в атмосфере выбросов энергетики.

Предложенные в работе методические подходы и полученные результаты нашли применение в исследованиях влияния объектов энергетики на качество атмосферного воздуха в зоне Байкальского участка мирового природного наследия, при выполнении международных проектов SEPS «Сокращение вредных выбросов от котельных г. Слюдянки» (2001-2002 гг.) и EANET «Мониторинг кислотных выпадений с Юго-Восточной Азии» (1998-2003 гг.), интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири» (2000-2002 гг.), научных исследований по проекту РФФИ №01-02-16643 «Развитие моделей равновесной термодинамики для исследования физико-технических и экологических проблем энергетики» (2001-2003 гг.), а также в процессе

выполнения конкурсной научно-исследовательской работы ИСЭМ СО РАН «Идентификация выбросов серосодержащих соединений от объектов стационарной энергетики по данным сульфатных выпадений» (2001 г.).

Апробация результатов работы. Основные положения работы обсуждались на международных конференциях: III Верещагинская Байкальская конференция (Иркутск, август 2000), VIII Объединенный Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Иркутск, июнь 2001), конференция NATO ARW in Cooperation with the Russian Foundation for Basic Research "Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality"(Irkutsk, August 21-27, 2001), 8th International Joint Seminar on regional deposition processes in the atmosphere (Irkutsk, December 18-21, 2002); на отечественных научных конференциях и семинарах: «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 1997 г.), «Аэрозоли Сибири: VII Рабочая группа» (Томск, 2000 г.), «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001 г.), «Аэрозоли Сибири: VIII Рабочая группа» (Томск, 2001 г.); «Аэрозоли Сибири: IX Рабочая группа» (Томск, 2002 г.); в Институте систем энергетики СО РАН: на заседаниях Ученого совета института и секции «Научно-технический прогресс в энергетике» Ученого совета института (19992003 гг.), на конференции молодых ученых «Системные исследования в энергетике» (Иркутск, 1999 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в т.ч. 5 - в рецензируемых журналах и 2 - в иностранных изданиях.

Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в лаборатории термодинамики. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. Защищаемые положения получены автором лично.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации (без приложения) - 155 страниц, в том числе, рисунков - 28, таблиц - 26, библиографический список из 168 наименований (15 страниц), приложений-77 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, а также отражены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описаны особенности, классификация и источники атмосферного аэрозоля. Рассмотрены физико-химические процессы образования вторичных аэрозолей в результате функционирования энергетических объектов. Представлены результаты анализа современного состояния отечественных и зарубежных исследований проблемы загрязнения

окружающей среды аэрозолями. Рассмотрены подходы к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями в задачах развития энергетики.

На основе выполненного автором анализа проблем загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями поставлены задачи для исследования в данной работе.

Во второй главе изложен, предложенный автором, оригинальный методический подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями в математических моделях развития энергетических систем.

Поставленные в диссертационной работе задачи решаются автором в рамках комплексного подхода к прогнозированию развития энергетических систем, разработанного в ИСЭМ СО РАН (Л.С. Беляев, Б.М. Каганович, С.П. Филиппов). Подход основан на итеративном использовании трех типов математических моделей: 1) моделей физико-химических процессов; 2) моделей энергетических технологий (установок) и 3) моделей энергетических систем.

Автором предложено расширить изложенный выше методологический подход за счет включения в него моделей физико-химических процессов, протекающих в атмосфере. Это позволяет решить такие задачи работы, как:

• определение экологических ограничений на развитие энергетической системы в целом и отдельных ее компонентов;

• оценки экологических коэффициентов для рассматриваемых энергетических объектов (удельных концентраций аэрозолей, создаваемых энергетическими объектами в контрольных точках).

Следует отметить, что экологические коэффициенты определяются в первую очередь технологическими характеристиками источников выбросов и интенсивностью рассеивания, а экологические ограничения - природно-климатическими и фоновыми характеристиками региона.

Используемый в работе методологический подход к решению задач развития энергетической системы схематически представлен на рис. 1. Он позволяет определить место данной работы в общей схеме прогнозных исследований развития энергетики, проводимых в отделе научно-технического прогресса ИСЭМ СО РАН.

Традиционно в задачах развития энергетических систем в качестве экологических ограничений накладывались только ограничения на выбросы вредных веществ. В то же время известно, что с точки зрения влияния на окружающую среду важны не столько выбросы загрязняющих веществ, сколько создаваемые ими приземные концентрации.

Предложенная автором методика определения экологических ограничений и коэффициентов для модели развития энергетических систем представлена на рис.2. Она базируется на использовании как модельных расчетов (образования и трансформации аэрозолей и их рассеивания в локальном и региональном масштабе), так и натурных данных (наблюдений за химическим составом атмосферных осадков).

Внешняя информация

Внешние ограничения и параметры.

Результаты НИОКР.

Прогноз НТП в смежных отраслях.

Достижения фундаментальных наук. Экспериментальные (натурные) данные.

ш

с

РЕЗУЛЬТАТЫ: прогноз развития энергетической системы

п

Модели энергетических систем

(системное сопоставление

конкурирующих технологий) ----

Модели энергетических технологий

(прогнозирование технико-экономических и экологических

показателей) --

Модели физико-химических

процессов

в установках в атмосфере

(оценка (оценка

перспективных экологических

физико- ограничений и

технических коэффициен-

характеристик) тов)

Рис.1. Методологический подход к решению задач развития энергетической системы на долгосрочную перспективу.

При разработке экологических ограничений в первую очередь необходимо рассчитать поле концентраций первичных загрязнителей, создаваемое выбросами рассматриваемых энергоисточников. Результаты расчетов позволяют определить зоны максимального экологического воздействия и выбрать контрольные точки для модели региональной энергосистемы. В работе расчеты рассеивания выполнялись с помощью модели 18С8ТЗ, разработанной Агентством по Охране Окружающей Среды-США (Ш ЕРА). Используемые термодинамические модели позволяют исследовать влияние климатических условий на образование вторичного аэрозоля в атмосфере. В качестве исходных данных для оценки экологических ограничений и коэффициентов для системной модели, касающихся аэрозолей, в том числе и вторичных, предложено использовать результаты снегохимической съемки.

Модель развития энергетических систем

Формирование экологических коэффициентов и ограничений

Расчетные данные

Экспериментальные данные

Локальные Траекторные Термодинами-

модели модели дальнего ческие модели

рассеивания переноса

Химический анализ образцов снега

База данных по Климатическая Термодинамическая

теплолоисточникам база данных база данных

X

Снегосъемка, образцы снега

Рис. 2. Схема формирования экологических ограничений и коэффициентов для моделей развития энергетических систем

В данной главе подробно описана системная энергетическая модель ВЕЕМ (Balance Energy Environment Model), которая была разработана в ИСЭМ СО РАН (С.П. Филипповым) в 1996-1997 гг Автором работы модель ВЕЕМ усовершенствована в части описания экологических ограничений. Предложено одновременно использовать в модели ограничения на выбросы и концентрации.

Ограничения на выбросы вредных веществ каждым объектом и по системе в целом (для каждого узла reR) представлены в виде:

- максимальные (пиковые)

I «4+ I а;;;!рх;г)<ь;;<?, vPeP, ,ег, а>

jeJ,* jeJ„m

- годовые

X (<Ч+ I ¿С"ЧГ)<;6,Г\ VpeP,teT, (2)

где xtJ - установленная мощность j-ой технологии производства вредных веществ; Р - множество рассматриваемых вредных веществ (pollutants); Jem -множество технологий производства вредных веществ (р еР), при этом Jem с У; a'pj'P > я®'" ~удельное производствор-го вредного вещества;'-ой технологией в t-й период, соответственно, пиковое и годовое; х"т - установленная

мощность j-ой природоохранной технологии; а""'" , а"'™'" - коэффициенты при

переменной, определяющие удельную величину (соответственно, пиковую и годовую) извлечения р-то вредного вещества j-ой природоохранной технологией в f-й период; Ь'"1р, Ь'™'" — ограничения соответственно на пиковый и годовой объемы выбросов р-то вредного вещества (реР) в период teT.

Ограничения на концентрации учитываемых вредных веществ реР в каждой контрольной точке рассматриваемой территории в режиме s eS"™, S"™ с S (для каждого узла reR), соответственно:

- максимальные разовые (max)

I + I VpeP, seS"", ueU,teT, (3)

rem

- средние суточные (avr)

I I ueU, teT, (4)

rtm

где a™, a™UJ - удельные концентрации ¿>-го вредного вещества, создаваемые

j-ой технологией в «контрольной» точке ueU в s-м режиме, соответственно максимальные разовые и среднесуточные; 5env - множество «экологически значимых» режимов; Ь^, Ь™и - ограничения соответственно на максимальные разовые и среднесуточные концентрации р-то вредного вещества (реР) в каждой «контрольной» точке ueU рассматриваемой территории в режиме seSem; и а™^"- коэффициенты, характеризующие эффективность j- ой природоохранной технологии (максимальную и годовую).

Ограничения на концентрации вредных веществ в атмосфере определяются следующим образом (мкг/м3):

- ограничения на максимальные разовые концентрации

Ь™=к™{ПДК)™, (5)

- ограничения на среднесуточные концентрации

С = (6)

где (ПДК)^ах, (ПДК)™ - предельные допустимые концентрации р-го вредного вещества, соответственно, максимальная разовая и среднесуточная;

, - разрешенная доля энергетики региона, соответственно, в

максимальной разовой и среднесуточной величинах ПДК р-то вещества в точке и и экологическом режиме i (s eS"™).

С помощью коэффициентов fc™ и к™'и учитываются: а) местный

природный фон, б) выбросы прочих, помимо энергетики, антропогенных источников, в) вклад дальнего переноса:

С" =KW)r - «Рпро, - (С )*»« - (С )фо» ] «длю™, (7)

к™=[{пдк);г - (с™)прт - (с- - )фт]кпдку;г. (8)

Концентрации (с™)дшм и (c^)<w- могут быть определены с помощью модели дальнего переноса, а также с помощью оригинальной методики обработки данных наблюдений. Для оценки вклада в концентрации прочих антропогенных источников и природного фона, т.е. величин (с^)прт,(с?£)фт,

)проч.(сТри)фои> используются данные натурных измерений. Удельные концентрации суммарного (первичного и вторичного) аэрозоля IеР, создаваемыеу'-ым энергетическим объектом в точке и в режиме s, равны:

- удельная максимальная разовая концентрация суммарного аэрозоля

I /V™)'^. (9)

meM реР^

- удельная среднесуточная концентрация суммарного аэрозоля

«5* = (I cZ, + I Р„<;«,)^J, (10)

теМ pePag

где М - множество фракций аэрозоля; Pag - множество кислотообразующих газов (S02, NOx, СО); Д, - коэффициент превращения р-то кислотообразующего газа во вторичный аэрозоль. Здесь первая сумма - это концентрация в точке и первичного аэрозоля (суммирование по всем фракциям т), выбрасываемогоу'-м объектом. Вторая сумма - это концентрация в точке и вторичного аэрозоля, образующегося в результате трансформации кислотообразующих газов, выбрасываемых тем же у'-м объектом.

Коэффициент превращения р-то кислотообразующего газа во вторичный аэрозоль рр определяется по формуле

/W^AWAV 0D

где PSOi - коэффициент превращения «индикаторного газа» SO2 во вторичный

аэрозоль; A ri0j и Атр - время жизни в атмосфере соответственно SO2 и р-го

кислотообразующего газа.

Коэффициент превращения SO2 во вторичный аэрозоль рт

определяется на основе натурных измерений (снегосъемки) и расчетов рассеивания и трансформации кислотообразующих газов, выполняемых с помощью соответствующих моделей. Ограничения на выбросы аэрозоля в атмосферу определяются итеративно, путем нахождения предельных выбросов, при которых достигается равенство правых и левых частей в условиях (3) и (4).

В данной главе обосновано применение Гауссовой модели рассеивания ISCST3 для природно-климатических условий юга Восточной Сибири.

На примере города Слюдянки найдены численные значения удельных «экологических характеристик» энергоисточников (создаваемых ими концентраций S02, первичных и вторичных аэрозолей в контрольных точках рассматриваемой территории) (табл. 1).

Щ

Таблица 1. Удельные концентрации 802, создаваемые теплоисточниками разной мощности в контрольных точках, (мкг/м3)/МВт

Источник

Контрольные точки

1

Максимальная разовая

| Центральная, 35.5 МВт 12.69 3.10 2.26 4.51 4.79

1 Перевал, 12.6 МВт 3.17 81.96 3.17 2.38 6.35

| Баня "Перевал",. 0.2 МВт 4.32 12.96 3900.96 30.24 8.64

(Все источнйки, 73 1 МВт 8.61 15 94 12.99 5 47 6.84 1

Г Среднесуточная I

1 Центральная, 35.5 МВт 3 21 0.79 0 28 0 56 1 13

| Перевал, 12.6 МВт 2.38 43.56 0.40 0.20 0 60

I Баня "Перевал",. 0.2 МВт 2.16 2.59 885.60 3.24 0.86

I Все источники, 73.1 МВт 1.78 8.22 3.69 1.23 1.37

Из представленной таблицы видно, что удельные "концентрации вСЬ для теплоисточников малой мощности в 200-300 больше, чем для крупных.

Разработанный подход позволяет ставить и решать следующие задачи:

1) поиск оптимальной стратегии развития и оптимальных режимов функционирования энергетической системы, обеспечивающих защиту окружающей среды от ее негативного воздействия;

2) определение оптимального направления использования природных энергетических ресурсов региона при одновременном обеспечении требуемого качества окружающей среды;

3) подбор оптимального состава природоохранных мероприятий и их эффективности на объектах энергетики;

4) выбор оптимальных площадок для размещения новых энергетических объектов с учетом экологических факторов и др.

В третьей главе изложены методики и результаты натурных физико-химических исследований загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями. Особое внимание уделяется автором методике проведения специализированной снегосъемки, результаты которой позволяют выявить роль энергетики в загрязнении окружающей среды. В этой методике подробно рассматриваются следующие этапы: 1) выбор точек для отбора проб; 2) отбор образцов снежного покрова; 3) первичная обработка проб снега; 4) методы гидрохимического анализа; 5) обработка результатов и подготовка выводов и рекомендаций.

Для специализированной снегосъемки разработаны следующие принципы отбора проб, которые отличаются от стандартных методик, используемых при контроле качества окружающей среды:

• выбор точек для отбора проб снега осуществляется на основе результатов предварительных расчетов полей концентраций БОг и первичных аэрозолей, выполняемых с применением локальной модели

рассеивания, учитывающей климатические особенности региона (в работе использовалась модель 18С8ТЗ);

• распределение точек отбора проб снега на исследуемой территории осуществляется исходя из конфигурации расчетных полей загрязнения, в частности, в зонах расчетных максимумов концентраций 802 и аэрозолей частота отбора проб должна бьггь увеличена (из опыта - в 2-3 раза) по сравнению с остальными участками;

• необходимо предусмотреть отбор проб внутри и вне районов с печным отоплением;

• выбранные точки снегоотбора должны находиться не менее чем в 20 метрах от автомагистралей;

• в случае сложного рельефа местности необходимо отбирать образцы снежного покрова в нижней и верхней частях склонов.

Отбор и хранение проб снега проводится в соответствии со стандартными методиками. Для выполнения гидрохимического анализа проб снежной воды использовался комплекс современных методов: высокоэффективной жидкостной хроматографии, атомной абсорбции и спектрофотометрии (Табл.2). Качество химических анализов контролируется путем расчета баланса основных ионов и сравнения величин рассчитанной и измеренной электропроводности, как это принято в международной практике.

Таблица 2. Методы химического анализа проб снежной воды и применяемое оборудование

Параметры Метод анализа Прибор Точность метода Предел обнаружения

pH Потенциомет-рический рН-метр F-21, Horiba ± O.OlpH 0.01

Электропроводность Электрохимический ЕС-метр DS-12, Horiba ± 1% 0.01 цст/ст

SO4 ,СГ, N03" Ионная хроматография (ВЭЖХ) Хроматограф «Милихром А-02» ± 5-7% 0.05 мг/л

НСОз' Обратного титрования ±2% 0.05 мг/л

NR,+ Спектрофото-метрический УФ спектрофото-метр PV8700, X 440 nm ±2% 0.05 мг/л

Са2+Ж Атомно-абсорбционный Спектрофотометр AAS-30 CARL ZEISS, А. 422.7 nm. Пламя: С2Н2 ±3% 0.1 мг/л

Mg2* Атомно-абсорбционный Спектрофотометр AAS-30 CARL ZEISS, X 285.2 nm. Пламя: С2Н2 ±3% 0.01 мг/л

Г Атомно-абсорбционный Спектрофотометр AAS-30 CARL ZEISS, X 766.5 nm. Пламя- C2H2 ±5% 0.1 мг/л

Для определения величины удельного выпадения сульфат ионов {р50г~) и

детального изучения загрязнения территории г. Иркутска вторичными аэрозолями в марте 2000 года было отобрано 36 проб (19 точек) в Иркутске и еще 3 в ближайших окрестностях города, в 2001 году - 70 проб (38 точек), в 2002 году - 26 проб (13 точек), в 2003 году - 16 проб (8 точек). В г. Слюдянка и его окрестностях в 2002 году было отобрано 17 проб (10 точек), а в 2003 году было отобрано 19 проб (13 точек).

Выбор сернистого газа в качестве вещества-индикатора («индикаторного» газа) обусловлен следующими причинами. Во-первых, в рассматриваемом районе основным источником выброса 802 в атмосферу являются процессы сжигания органических топлив, содержащих серу (главным образом, это теплоэнергетические установки на угле и мазуте). Во-вторых, определение концентраций анионов 8042" в пробах снега требует небольших затрат на химические анализы.

На основании обработки проб снежного покрова и анализа результатов определялась доля первичных выбросов Б02 (Д,), превращающихся в пределах рассматриваемой территории во вторичный аэрозоль (сульфаты)

где М - молекулярный вес; Р^ - выпадение ионов БО^' в пределах

рассматриваемой территории; - поступление ионов SO£~ на рассматриваемую территорию с дальним переносом воздушных масс; GSOi - выбросы S02 в

пределах рассматриваемой территории (размерность величин Р и G - в тоннах за рассматриваемый период, т.е. за период устойчивого снежного покрова).

Выпадение ионов в пределах рассматриваемой территории

вычисляется по формуле

Psoï = b.Psor)nbFn, 03)

я-1

где Psoi- - удельное выпадение ионов SO\~ в я-ой зоне рассматриваемой

территории (т/км2 за рассматриваемый период, т.е. за период устойчивого снежного покрова); AFn - площадь и-ой зоны рассматриваемой территории

(км2). Величина удельного выпадения ионов SOв и-ой зоне рассматриваемой территории ( Psoi- ) определяется путем обработки результатов гидрохимического анализа. Величины выпадений (P^i- ), полученные по формуле (13) из

результатов химического анализа проб снега, приведены в табл. 3.

В работе автором предлагается оригинальный метод оценки выпадения ионов SOl~, поступивших с дальним переносом воздушных масс (Р^-) в

города рассматриваемого региона (южная часть Иркутской области и Бурятии -

от 51°с.ш. до 54°с.ш., от 100°в.д. до 105°в.д.). Искомая величина определяется на основе специальных исследований, включающих:

• анализ ионного состава атмосферных осадков, выпадающих на рассматриваемой территории в течение исследуемого периода;

• определение районов формирования осадков (региональный, дальний перенос), выполняемый с использованием модели дальнего переноса HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectoty Model), разработанной в США (National Oceanic and Atmospheric Administration).

Таблица 3. Оценка доли превращения ЭОг в сульфаты на территории городов Иркутск и Слюдянка на основе результатов снегосъемки

г. Иркутск г. Слюдянка

[Среднегодовые выбросы 802, тонн за период устойчивого снежного покрова 10650 195

[Средняя плотность выбросов БОг, т/км 30.3 1.4

[Среднегодовое выпадение сульфат-ионов на территории города (в пересчете на БОг), тонн за период устойчивого снежного покрова 186.6 10.5

Удельное выпадение сульфат-ионов (в среднем по городу), т/км2 (в пересчете на БОг) 0.53 0.08

[ Доля БОг, переходящего в сульфаты, % от I выброса 1.8 5.4

Для обоснования корректности метода в работе приведен подробный анализ факторов (сезонных, циркуляционных, локальных), влияющих на формирование химического состава атмосферных осадков. Использовались материалы для г. Иркутска, пос. Монды и пос. Листвянка за период 1999-2002 г.г., а также пробы снежного покрова. По архивным метеорологическим данным построены обратные траектории воздушных масс за 1999-2002 гг. для разных сезонов года. Было выделено 12 наиболее часто встречающихся типов траекторий для воздушных масс на высоте 1500 м и 3000 м. Приведенный в работе статистический анализ данных о химическом составе как атмосферных осадков, так и проб снежного покрова дает возможность утверждать, что:

• в исследованных городах Прибайкалья зимой выпадение сульфатов определяется преимущественно локальными антропогенными источниками выбросов. Прежде всего это относится К' населенным пунктам, в теплоснабжение которых преобладают мелкие энергоисточники;

• направление траекторий воздушных масс для г. Иркутска, пос. Листвянка и пос. Монды совпадают в 90% случаев;

• сезонный ход концентраций ионов БО/" в составе атмосферных осадков имеет ряд сходных особенностей в различных пунктах региона.

Итак, с одной стороны, природные факторы, формирующие химический состав осадков в различных пунктах региона, достаточно близки. С другой стороны, зимой преобладающее поступление сульфатов на снежный покров в городах (при плотности выбросов не менее 1.4 т/км2) имеет локальное происхождение. Следовательно поступление за счет дальнего переноса существенно меньше и погрешности определения в меньшей степени

влияют на точность определения Д,, чем неточности определения величины локальных выпадений. Таким образом, для решаемой задачи можно в качестве ориентировочной оценки выпадения сульфатов, формирующихся за счет природных источников и дальнего переноса, принимать величину их поступления с атмосферными осадками.

Удельная величина поступления ионов (в частности, ионов 80\~) с атмосферными осадками за рассматриваемый период определяется по следующей формуле (т/км2)

Р\о1 (14)

где с5С/2- - концентрация ионов 502" в исследуемой пробе, г/л; V - объем

осадков в месяц г, л/м2; Ф- количество месяцев в рассматриваемом периоде.

По данным табл. 3 и 4 с учетом соотношений (7) и (8) рассчитывается величина.

Таблица 4. Оценка влажного выпадения для г. Иркутска, пос. Листвянки и пос. Монды, т/км2

Населенный пункт. Сезон. 5042- N0; Я+

г. Иркутск

- теплый период 0,845 0,367 0,00306

- холодный период 0,685 0,193 0,00013

- весь год 1,530 0,560 0,00319

пос. Листвянка

- теплый период 0,456 0,266 0,00364

- холодный период 0,218 0,201 0,00085

- весь год 0,674 0,467 0,00449

пос. Монды

- теплый период 0,220 0,175 0,00113

- холодный период 0,036 0,014 0,00002

- весь год 0,256 0,189 0,00115

Из анализа снегохимических проб по г. Иркутску за четыре отопительных сезона (1999-2003гг.) следует, что содержание сульфатов в пробах снега достаточно стабильно. Наблюдаемое варьирование концентраций ЗО,»2" может быть объяснено следующими основными причинами:

• различиями в погодных условиях (температуре атмосферного воздуха, скорости и направлении ветра, количестве и интенсивности инверсий и оттепелей), которые определяют условия рассеивания и трансформации ВОг в атмосфере;

• различиями в выбросах в атмосферу 502 объектами энергетики из-за а) разных климатических условий (которые определяют теплопотребление и, следовательно, объемы сжигаемого топлива) б) разного содержания серы в используемых углях (разной структуры сжигаемых углей).

Полученные результаты позволили уточнить удельные концентрации аэрозолей, создаваемые теплоисточниками в контрольных точках. Учет образования вторичных аэрозолей приводит к увеличению концентраций аэрозолей субмикронных фракций (с диаметром частиц 1 мкм и менее) (табл.

5).

Таблица 5. Концентрации аэрозолей с диаметром частиц 1 мкм и менее, создаваемые теплоисточниками в контрольных точках, мкг/мЗ (для г. Слюдянки)

Источник Контрольные точки

1 1 2 - | 3 1 4 | 5

1. Без учета вторичных аэрозолей

I максимальная газовая

Центральная, 35.5 МВт 8,85 1.90 1,60 3,50 2,00

1 Перевал, 12 6 МВт 1,00 17,ЬЬ 0,80 1,20 0,80

Баня "Перевал", 0.2 МВт 0,03 0,05 14,75 0,04 0,10

1 Все источники, 73.1 МВт 9,00 17,73 17.00 7,00 7,00

1 среднесуточная

1 Центральная, 35.5 МВт 1,84 0,50 0,20 0,60 0,80

Перевал, 12.6 МВт 0,10 5,82 0,10 0,10 0,05

Баня "Перевал", 02 МВт . 0,00 0,01 3,35 0,01 0,01

Все источники, 73.1 МВт 3,00 6,75 4,00 1,50 1,50

2. С учетом вторичных ^эрозолей

I максимальная разовая

Центральная, 35.5 МВт 47,10 11,25 8,40 17,10 17,13

Перевал, 12.6 МВт 4,40 104,81 4,20 3,75 7,60

Баня "Перевал", 0.2 МВт 0,12 0,30 91,51 0,63 0,27

I Все источники, 73.1 МВт 62,55 116,84 97,75 41,00 49,50

1 среднесуточная

1 Центральная, 35.5 МВт 11,53 2.88 1,05 2,30 4,20

Перевал, 12.6 МВт 2,65 52,49 0,53 0,31 0,69

Баня "Перевал", 0.2 МВт 0,05 0,06 20,78 0,07 0,03

I Все источники, 73.1 МВт 14,05 57,84 26,95 9,15 10,00

На основе сопоставления натурных и расчетных данных были сделаны следующие выводы.

1. Доля первичных выбросов БСЬ, превращающихся в пределах территории города во вторичный аэрозоль (сульфаты) составляет: 1) без

учета дальнего переноса аэрозолей - для г. Иркутска 1.8 %, для г. Слюдянка - 5.4 %, 2) с учетом дальнего переноса аэрозолей -соответственно, 1.7% и 4.0%.

2. Различие обусловлено следующими основными факторами:

• прежде всего, различием в плотности выброса 802 (в Иркутске она много выше, следовательно, принимается в расчет меньшая территория рассеивания, на которой учитывается превращение Б02 в сульфаты);

• различием в средней по городу высоты выброса 802 (в Иркутске она существенно выше за счет ТЭЦ);

• различием климатических характеристик (прежде всего, средней за зиму скорости ветра и количества осадков).

3. По данным снегосъемки поток на подстилающую поверхность вторичного аэрозоля (растворимая фракция) составляет 6-8% от выпадения первичного аэрозоля (нерастворимая фракция в снеговых пробах). Однако, при этом происходит многократное увеличение концентраций в атмосферном воздухе рассмотренных городов аэрозолей наиболее опасных мелких (субмикронных) фракций.

Таким образом, предложенная методика проведения специализированной снегосъемки и анализа ее результатов позволяют оценить долю первичных выбросов 502 (Ра), превращающихся в пределах рассматриваемой территории во вторичный аэрозоль (сульфаты). Для оценки фоновых выпадений в городах, характеризующихся схожими природными факторами формирования химического состава атмосферных осадков, можно использовать данные удельных выпадений в разных пунктах региона, рассчитанных по формуле (14).

В четвертой главе для моделирования процессов образования и трансформации вторичных аэрозолей в атмосфере применена термодинамическая модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС), разработанная в ИСЭМ СО РАН (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, Е.Г. Анциферов). Важными для данного случая преимуществами термодинамического подхода перед кинетическим являются: а) более мягкие ограничения на число рассматриваемых веществ; б) возможность исследования превращений, механизмы которых детально еще не изучены.

Исследование образования, превращения и старения аэрозолей, которое является предметом данной работы, в теоретическом плане осложняется наличием в рассматриваемой системе большого количества компонентов, многие из которых могут одновременно находиться в нескольких фазовых состояниях. Поэтому использование термодинамических моделей при решении поставленной задачи в настоящее время является практически единственным методом, позволяющим описать особенности перехода загрязнителей из газовой фазы в жидкокапельный аэрозоль.

Поскольку процесс конденсации в физике и химии атмосферы традиционно рассматривается как равновесный, все расчеты выполнены в предположении, что система находится в равновесии. Для расчетов

использовалась модификация модели МЭПС, учитывающая возможность присутствия в системе разбавленного раствора сильных электролитов, алгоритм которой базируется на статистической теории Дебая-Хюккеля:

С7. = <??+ДЛп^ +ЯТЫг,, (15)

а, 1

где С) - энергия Гиббса одного моля у-го компонента раствора, ег, - общее число молей растворителя и растворенных веществ; у - рациональный (отнесенный к мольной доле) коэффициент активности у -го компонента.

В работе анализируются результаты термодинамического моделирования, полученные при различных постановках задачи (с учетом и без учета силы поверхностного натяжения) и начальных составах системы. При таком подходе удалось имитировать процессы, протекающие в реальной атмосфере: 1) формирования аэрозоля из газовой фазы, 2) последующего обводнения твердой частицы, 3) растворения газов в зародышевой капле.

Ряд численных экспериментов был выполнен для верификации предлагаемой модели. Были получены зависимости концентрации раствора капель от относительной влажности, которые удовлетворительно согласуются с известными литературными данными. Так, представленные на рис. 3 кривые 1 и 2, которые рассчитаны автором при различных начальных составах (0.5 ПДК N02 и 5 ПДК N02 в газовой фазе), при влажности более 90%, практически, совпадают с эмпирическими зависимостями.

Исследовано влияние содержания оксидов серы в воздухе на количество жидкофазного аэрозоля (Рис. 4). Из рисунка видно, что загрязнение атмосферы оксидами серы будет способствовать увеличению образования других вторичных аэрозолей (например нитратных). В работе отмечается, что при влажности 50-60% и более, все газообразные серосодержащие соединения растворяются в зародышевых каплях.

Автором проводились исследования влияния химического состава загрязненной атмосферы на состав и размеры зародышевых капель. Предполагалось, что кроме газа и жидкости в системе содержатся твердые частицы, имитирующие ядра конденсации, которые были представлены в системе в виде твердых солей металлов. Таким образом, рассматривалась система, позволяющая изучить эволюцию аэрозоля. Анализ результатов расчетов позволяет сделать вывод, что свойства ядер конденсации (в частности, растворимость) влияют на дисперсный состав. Однако, при влажности менее 100% размеры жидкофазного аэрозоля не превышают 1 мкм. Поскольку заключительным этапом эволюции атмосферного аэрозоля в известном смысле являются атмосферные осадки, для сравнения результатов термодинамического моделирования с экспериментальными использовались данные химического анализа проб дождя и снега (Табл. 6).

187Е-07 3 40Е-07 ] У(802), моль/кг но -т-ниоз

Рис. 3. Изменение концентрации раствора при увеличении относительной влажности воздуха (Т=25 °С), 1-2 результаты расчетов, 1 *- 4* литературные данные.

Рис. 4. Влияние начальной концентрации БСЬ (У(802)) на количество растворенных веществ (X©)-

Из таблицы видно, что соотношение анионов в расчетном примере соответствует тому, что наблюдается в Иркутске зимой.

Таблица 6. Химический состав атмосферных осадков (анионы) по экспериментальным и расчетным данным (%)

1 НСО,- БО42- N0,- СГ

ЦМонды, лето 12.75 33.14 18.90 35.50 |

|Монды, зима 35.97 24.11 14.39 25.52

(Иркутск, лето 26.72 46.79 13.24 13.25 |

¡Иркутск, зима 24.70 47.40 12.40 15.50

^Расчетные данные 24.63 47.28 15.49 12.59 |

В работе также рассматривалось влияние таких метеорологических условий как температура и давление на компонентный и дисперсный состав жидкофазного аэрозоля.

На основе выполненных термодинамических исследований были сделаны следующие выводы:

1) термодинамическое моделирование позволяет с достаточной точностью имитировать образование и эволюцию аэрозолей в атмосфере;

2) практически весь антропогенный 802 превращается в атмосфере во вторичный аэрозоль (ЭО^') путем гетерофазных превращений;

3) при относительной влажности 50-60% и выше будет происходить интенсивное поглощение газообразного 802 зародышевыми водяными каплями, что в свою очередь, способствует более активной конденсации паров воды на поверхности раствора;

го

4) имеет место существенное влияние климатических факторов (влажности, температуры и давления) и химического состава ядер на дисперсные характеристики атмосферного аэрозоля. Однако все изменения дисперсных характеристик аэрозоля не выходят за пределы субмикронного диапазона. Это дает основание для суммирования концентраций субмикронной фракции первичного аэрозоля и вторичного аэрозоля в модели региональной энергосистемы;

5) полученные в главе 3 для Восточной Сибири оценки доли превращения Б02 во вторичный аэрозоль являются достаточно устойчивыми и могут использоваться для регионов со схожими климатическими характеристиками.

В заключении отражены основные результаты работы

1. Предложена методика учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в модели развития региональной энергетической системы. Формализовано введение ограничений не только на выбросы, но и на концентрации вредных веществ в контрольных точках. Методика разработана в рамках комплексного подхода к прогнозированию развития энергетических систем. Впервые данный методологический подход был расширен за счет включения в него моделей физико-химических процессов, протекающих в атмосфере.

2. Разработаны принципы определения параметров, необходимых при введении экологических ограничений: проведение модельных расчетов (образования и трансформации аэрозолей и их рассеивания в локальном и региональном масштабе); использование данных наблюдений за химическим составом атмосферных осадков и снежного покрова. На примере расчета удельных показателей энергетических источников для г.Слюдянка показана необходимость задания ограничений именно на концентрации загрязняющих веществ с учетом их трансформации в атмосфере.

3. Разработана методика проведения специализированной снегосъемки для выявления роли энергетики в загрязнении окружающей среды аэрозолями. Показана необходимость модельных расчетов рассеивания выбросов для оптимального выбора точек отбора образцов снега. Предложена неравномерная частота отбора проб в условиях сложного рельефа местности. Методика рекомендуется к дальнейшему применению при оценке влияния объектов энергетики и других отраслей промышленности на загрязнение городов.

4. Представленная в работе методика проведения специализированной снегосъемки и анализа ее результатов, на примере гг. Иркутск и Слюдянка' позволяют оценить долю первичных выбросов Б02 ((За), превращающихся в пределах рассматриваемой территории во вторичный аэрозоль (сульфаты). Получены оценки выпадения

вторичного аэрозоля (сульфатов) в локальной зоне: для г. Иркутска -1.7 %, для г. Слюдянка - 4.0 %. Показано, что учет образования вторичных аэрозолей приводит к многократному увеличению концентраций в атмосферном воздухе рассмотренных городов аэрозолей субмикронных фракций, что необходимо учитывать в задачах развития региональных энергетических систем.

5. Для ориентировочной оценки вклада дальнего переноса в загрязнение городов предлагается использовать осредненные величины выпадения сульфатов в различных точках региона. Вклад дальнего переноса в загрязнение городов Южного Прибайкалья вторичными аэрозолями (сульфатами) составляет: для г. Иркутска - 4.5%; для г. Слюдянки -30%.

6 Обосновано применение термодинамических моделей для описания образования и эволюции аэрозолей в атмосфере. Показано, что практически весь антропогенный S02 превращается в атмосфере во вторичный аэрозоль (S042'). При влажности менее 100% обводненные частицы вторичного аэрозоля не превышают по размерам 1-2 мкм и, следовательно, рассеиваются аналогично субмикронной фракции первичного аэрозоля. Полученные для Восточной Сибири оценки доли превращения SO2 во вторичный аэрозоль являются достаточно устойчивыми и могут использоваться для регионов со схожими климатическими характеристиками.

Публикации

Основное положения диссертации изложены в следующих работах.

1. Картавская В.М., Съемщиков С.Е., Моложникова Е.В., Хохлова E.H., Князева Н.В. Разработка мероприятий по снижению выбросов загрязняющих веществ в атмосферу котельными малой производительности// Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Тезисы докладов региональной научно-технической конференции. Иркутск, 1997. - с. 5152.

2. Моложникова Е.В., Кучменко Е.В. Анализ процессов загрязнения атмосферы с помощью термодинамических моделей // Системные исследования в энергетике. Труды молодых ученых. Иркутск, 1999, Выпуск29.-с. 149-156.

3. Кучменко Е.В., Кейко A.B., Моложникова Е.В. Влияние метеоусловий на вторичное загрязнение атмосферы // Труды Третьей Верещагинской Байкальской конференции. Иркутск, 2000. - с.63.

4. Кучменко Е.В., Кейко A.B., Моложникова Е.В. Термодинамическое моделирование жидкокапельного аэрозоля в атмосфере // Аэрозоли Сибири. VII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск, 2000. - с. 58-59.

5. Кучменко Е.В., Моложникова Е.В., Филиппов С.П., Нецветаева О.Г., Голобокова Л.П. Анализ загрязнения объектами стационарной

энергетики снежного покрова г. Иркутска // Аэрозоли Сибири. VII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск 2000, с. 58.

6. Кучменко Е.В., Каганович Б.М., Моложникова Е.В. Термодинамическое моделирование антропогенного влияния на химический состав осадков /ДТП Объединенный Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" Материалы симпозиума. Томск 2001, с. 176.

7. Кучменко Е.В., Кейко А.В., Моложникова Е.В. Термодинамическое моделирование жидкофазного аэрозоля в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2001, том 14, № 6-7, с. 637-640.

8. Кучменко, Б.М. Каганович, Моложникова Е.В. Термодинамическое моделирование антропогенного влияния на химический состав осадков // Оптика атмосферы и океана. 2001, том 14, №10, с. 966-968.

9. Моложникова Е.В., Кучменко Е.В., Нецветаева О.Г., Кобелева Н.А., Ходжер Т.В. Сравнение экспериментальных и расчетных данных ионного состава атмосферных осадков юга Восточной Сибири // Аэрозоли Сибири. VIII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск 2001, с.71.

10.Кучменко Е.В., Моложникова Е.В., Кейко А.В. Идентификация данных о выбросах объектов энергетики на основе химического анализа состава осадков // Аэрозоли Сибири. VIII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск 2001, с.95.

11.Моложникова Е.В., Кучменко Е.В., Нецветаева О.Г., Кобелева Н.А., Ходжер Т.В. Сравнение экспериментальных и расчетных данных ионного состава атмосферных осадков юга Восточной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2002, том 15, № 5, с. 446-449.

12.Кучменко Е.В., Моложникова Е.В., Филиппов СП. Идентификация данных о выбросах объектов энергетики на основе химического анализа состава осадков // Оптика атмосферы и океана. 2002, том 15, № 5, с. 541-545.

13.Моложникова Е.В., Кучменко Е.В., Кобелева Н.А., Нецветаева О.Г. Анализ механизмов формирования ионного состава осадков на юге Восточной Сибири // Аэрозоли Сибири. IX Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск 2002, с. 43.

14.Kuchmenko Y.V., Moloznikova E.V., Netsvetayeva O.G., Kobeleva N.A. Comparison of experimental and calculated data on ion composition of precipitation in the south of East Siberia //Barnes (ed.), Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality. NATO Science Series. IV. Earth and Environmental Sciences. Irkutsk 2002, Vol.16, p. 223-228.

15.Kuchmenko Y.V., Moloznikova E.V., Netsvetayeva O.G., Kobeleva N.A., Keiko A.V., Khodzher T.V. Analysis of mechanisms of formation of ionic composition of precipitation in the south of East Siberia // Proceedings of 8th international joint seminar on regional deposition processes in the atmosphere. Irkutsk 2002, p. 3-9.

16.Моложникова E.B., Кучменко E.B., Нецветаева О.Г., Кобелева Н.А. Анализ механизмов формирования ионного состава осадков на юге

Восточной Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2003, том 16, № 5, с. 500-503.

Соискатель: у Е. В. Моложникова

Подписано к печати 26.09 2003. Формат 60x84 /16 Заказ № Ч/б Тираж 100 экз.

Ризограф ИСЭМ СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130

РНБ Русский фонд

2005-4 14504

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙИ

1.1 Проблема загрязнения окружающей среды аэрозолями.

1.1.1 Воздействие аэрозолей на окружающую среду.

1.1.2 Особенности и классификация атмосферного аэрозоля.

1.1.3 Происхождение и химический состав аэрозольных частиц.

1.1.4 А нтропогенн ы й аэрозол ь.

1.1.5 Поведение аэрозолей в атмосфере.

1.2 Состояние исследований.

1.2.1 Исследование проблемы образования вторичных аэрозолей.

1.2.2 Использование снегосъемки для исследований проблемы загрязнения окружающей среды аэрозолями.

1.2.3 Учет загрязнения окружающей среды аэрозолями в задачах развития энергетики.

1.3 Постановка задач исследования.

2 МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К УЧЕТУ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АЭРОЗОЛЯМИ В ЗАДАЧАХ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Общая схема исследований.

2.1.1 Основы методологии.

2.1.2 Исследуемые физико-химические процессы.

2.1.3 Основные учитываемые факторы.

2.1.4 Схема определения экологических ограничений и коэффициентов.

2.2 Математическая модель региональной энергетической системы.

2.2.1 Область применения.

2.2.2 Структурирование системы.

2.2.3 Иерархия энергоносителей.

2.2.4 Моделирование блока конечного потребления энергии.

2.2.5 Математическое описание модели.

2.3 Определение экологических коэффициентов и ограничений.

2.4 Учет особенностей структуры теплоисточников и режимов их фу нкцион иров ания.

2.5 Учет климатических характеристик региона.

2.6 Модели рассевания выбросов.

2.6.1 Вводные замечания.

2.6.2 Модель Гауссова факела ISCST3.

2.6.3 Модель дальнего переноса.

2.7 Определение численных значений удельных «экологических характеристик» энергоисточников на примере г. Слюдянка.

3 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ВТОРИЧНЫМИ АЭРОЗОЛЯМИ

3.1 Методика физико-химических исследований.

3.1.1 Исходные положения.

3.1.2 Методика проведения специализированной снегосъемки для выявления роли энергетики в загрязнении окружающей среды аэрозолями.

3.2 Расчет рассеивания выбросов в атмосфере.

3.3 Результаты снегосъемки и их анализ.

3.3.1 Результаты снегосъемки.

3.4 Исследование роли дальнего переноса в загрязнении окружающей среды аэрозолями.

3.4.1 Методика исследований.

3.4.2 Влияние сезонных факторов на состав осадков в г. Иркутске.

3.4.3 Влияние циркуляционных и локальных факторов на состав осадков в г. Иркутске.ПО

3.4.4 Особенности антропогенного влияния на состав атмосферных осадков в локальном и региональном масштабе.

3.4.5 Обобщения и выводы.

4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ И ТРАНСФОРМАЦИИ ВТОРИЧНЫХ АЭРОЮЛЕЙ В АТМОСФЕРЕ.

4.1 Термодинамическое моделирование трансформации газовых примесей во вторичный аэрозоль.

4.2 Изучение влияния метеорологических условий на образование вторичного аэрозоля.

Актуальность темы.

Бурное развитие промышленности в 19-20 веках в большинстве стран мира поставило перед человечеством в числе прочих следующие две острых проблемы: обеспечение ресурсами и сохранение среды обитания. В наибольшей степени это относится к топливно-энергетическому комплексу (ТЭК), который является крупнейшим потребителем природных ресурсов и одним из наиболее существенных загрязнителей окружающей среды. Выдвинутые парадигмы «устойчивого развития» человеческой цивилизации (Конференция ООН по развитию, Рио-де-Жанейро, 1992 г.) [1] и «комфортности жизни» людей (Вернадский, Одум) [2, 3, 4] не могут быть осуществлены без успешного решения обсуждаемых проблем. Очевидно, что эти проблемы, тесно взаимосвязаны, достаточно сложны и имеют множество решений. Поэтому преодоление их путем сепаратной реализации отдельных мероприятий в рамках известных концепций «рационального природопользования» и «охраны окружающей среды» оказывается чрезвычайно расточительными. Предлагаемые решения должны иметь комплексный характер, быть взаимоувязанными и оптимальными.

Именно такие решения могут быть подготовлены на основе системного подхода, который применительно к энергетике много лет успешно развивается в стране (JI.A. Мелентьев, А.А. Макаров, JI.C. Беляев и др.) [5, 6,

7, 8, 9, 10, 11, 12] и за рубежом (В. Хефеле, Н. Накиченович и др.) [13]. В рамках данного научного подхода разработаны системные энергетические модели, позволяющие отыскивать оптимальные направления использования природных энергетических ресурсов при соблюдении экологических ограничений. Наиболее известными и широко применяемыми моделями ТЭК страны являются MARKAL [14], EFOM [15, 16], MESSAGE [17], энергетики мира - DNE21 [18] и GEM [19, 20]. В этих моделях экологические ограничения представляют собой, как правило, ограничения на выбросы вредных веществ в окружающую среду. В Институте систем энергетики 4

ИСЭМ) СО РАН в 1996-1997 гг. в рамках межрегионального проекта ТАСИС «Экологически чистое энергоснабжение региона озера Байкал» была создана региональная энергетическая модель ВЕЕМ (С.П. Филиппов), в которой впервые экологические ограничения задавались в виде ограничений на концентрации вредных веществ в так называемых «контрольных» точках [21]. Однако, эта модель до сих пор не нашла должного практического применения. Это связано, прежде всего, с нерешенной проблемой получения надежных значений «экологических коэффициентов». Причем, применительно к аэрозолям проблема не решена как в методическом, так и прикладном планах.

Следует отметить, что до настоящего времени в задачах развития энергетики и, следовательно, в соответствующих математических моделях принимались во внимание только выбросы макрокомпонентов (SO2, NOx, СО и пыли). В то же время, известно пагубное влияние на здоровье людей субмикронных аэрозолей антропогенного происхождения. Источниками поступления таких аэрозолей в атмосферу являются, во-первых промышленность, прежде всего энергетика, выбрасывающая твердые частицы (так называемые первичные аэрозоли), и, во-вторых, процессы трансформации в атмосфере кислотообразующих газов (S02, NOx, СО) в аэрозольные частицы (так называемые вторичные аэрозоли). Субмикронные аэрозоли характеризуются развитой поверхностью и высокой адсорбирующей способностью [22]. Экологическая опасность таких аэрозолей усиливается их способностью проникать глубоко внутрь дыхательного тракта человека. Кроме того, антропогенные аэрозоли могут оказывать существенное влияние на климат (причем, как в региональном, так и глобальном масштабах) за счет изменения облачности и альбедо верхних слоев атмосферы [23, 24, 25].

Основной причиной, по которой проблема вторичных аэрозолей до сих пор не нашла отражения в задачах развития энергетики, является недостаток информации. Например, нет ясности с долей кислотообразующих газов, переходящих во вторичные аэрозоли на рассматриваемой территории, с влиянием климатических условий на процессы образования и «старения» (т.е. последующие превращения) вторичных аэрозолей, в частности, на их обводнение» и, следовательно, изменение химических свойств и дисперсного состава и т.д.

Представляется, что ответить на данные вопросы в настоящее время можно только на основе совместного проведения теоретических исследований и натурных измерений. Так, количественные оценки «экологических характеристик» объектов энергетики могут быть получены путем совместного использования снегосъемки и моделей рассеивания вредных выбросов в атмосфере. Уже имеется положительный опыт применения термодинамической модели экстремальных промежуточных состояний (МЭПС) для исследования процессов трансформации продуктов сгорания в газовом тракте котла и атмосфере (Б.М. Каганович, С.П. Филиппов, А.В. Кейко) [26, 27, 28, 29]. Этот опыт может быть использован для изучения процессов образования вторичных аэрозолей в атмосфере и их «старения».

Предложенные в работе, методы и модели применены автором для исследования влияния объектов энергетики на качество атмосферного воздуха в зоне Байкальского участка мирового природного наследия. Проблема загрязнения окружающей среды данного региона чрезвычайно актуальна. В 1999 году принят закон Российской Федерации «Об охране озера Байкал», выполнение которого сопряжено с большими трудностями, в том числе и по причине недостаточной изученности многих аспектов рассматриваемой проблемы, в частности, связанных с влиянием природно-климатических особенностей региона на его загрязнение аэрозолями в результате функционирования объектов энергетики.

Объектом рассмотрения в диссертационной работе является региональная энергетическая система, образованная совокупностью взаимосвязанных элементов — энергетических объектов (топливодобывающих и топливоперерабатывающих производств, энерготранспортных коммуникаций, электростанций, котельных, домовых печей и т.д.) и находящаяся во взаимодействии с «окружающей средой» (прежде всего с окружающей природной средой). Из энергетических объектов в работе рассматриваются только энергоисточники на органическом топливе: ТЭЦ, котельные и домовые печи.

Предметом исследования в диссертационной работе являются методические и практические вопросы учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, в том числе вторичными, в задачах развития региональных энергетических систем.

Цель и задачи исследования

Основной целью настоящей работы является решение проблемы учета загрязнения окружающей среды аэрозолями в задачах развития региональных энергетических систем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать методику учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в математических моделях региональных энергетических систем;

2) разработать методику определения «экологических характеристик» энергоисточников, касающихся выбросов аэрозолей, и соответствующих «экологических» ограничений в моделях региональных энергетических систем;

3) выявить влияние климатических факторов на процессы образования и трансформации вторичных аэрозолей в атмосфере.

Научная новизна

В работе автором впервые:

1) предложен оригинальный подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в математических моделях региональных энергетических систем;

2) для моделирования процессов образования и трансформации вторичных аэрозолей в атмосфере применена термодинамическая модель экстремальных промежуточных состояний (МЭПС);

3) для городов Восточной Сибири (Иркутск и Слюдянка) применен метод синхронного использования данных, полученных с помощью натурных измерений (снегосъемка) и вычислительных экспериментов (выполненных с помощью модели рассеивания ISCST3), для определения численных значений удельных концентраций первичных и вторичных аэрозолей, создаваемых энергетическими объектами в «контрольных» точках рассматриваемой территории;

4) городов с различной плотностью выбросов диоксида серы объектами энергетики получены оценки выпадения вторичного аэрозоля (сульфаты) в локальной зоне;

5) получены оценки вклада дальнего переноса в загрязнение окружающей среды Юга Восточной Сибири аэрозолями на основе анализа влияния траекторий переноса воздушных масс на состав атмосферных осадков.

Практическая значимость работы

Разработанные методы и полученные результаты могут быть использованы при решении задач развития региональных энергетических систем, а также для оценки эффективности природоохранных мероприятий в энергетике и других отраслях промышленности. Особенно актуальны они для территорий с большой долей угля в топливно-энергетическом балансе (Восточная Сибирь, Дальний Восток и др. регионы страны). Результаты термодинамических исследований могут быть полезными для понимания природы и механизмов влияния климатических условий на процессы трансформации в атмосфере выбросов энергетики.

Предложенные в работе методические подходы и полученные результаты нашли применение при выполнении международных проектов SEPS «Сокращение вредных выбросов от котельных г. Слюдянки» (2001-2002 гг.) и EANET «Мониторинг кислотных выпадений с Юго-Восточной Азии» (1998-2003 гг.), интеграционного проекта СО РАН «Аэрозоли Сибири» (20002002 гг.), научных исследований по проекту РФФИ №01-02-16643 «Развитие моделей равновесной термодинамики для исследования физико-технических и экологических проблем энергетики» (2001-2003 гг.), а также конкурсных научно-исследовательских работ ИСЭМ СО РАН «Идентификация выбросов серосодержащих соединений от объектов стационарной энергетики по данным сульфатных выпадений» (2001 г.) и «Идентификация данных о выбросах теплоэнергетики на основе химического анализа состава осадков» (2002 г.).

Методы исследования:

Методология системных исследований в энергетике; методы термодинамического анализа; методы гидрохимических исследований; методы математического моделирования. На защиту выносятся

1. Методический подход к учету загрязнения окружающей среды аэрозолями, в том числе вторичными, в математических моделях региональных энергетических систем.

2. Методика определения удельных показателей энергетических объектов, характеризующих загрязнение окружающей среды аэрозолями, и соответствующих ограничений в моделях региональных энергетических систем.

3. Методика и результаты физико-химических исследований загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями.

4. Результаты исследования с помощью термодинамических моделей экстремальных промежуточных состояний влияния климатических факторов на трансформацию аэрозолей в атмосфере.

Апробация работы

Материалы диссертации опубликованы в 16 работах, в т.ч. 5 - в рецензируемых журналах и 2 - в иностранных изданиях. Кроме того, они обсуждались:

1) на международных конференциях: III Верещагинская Байкальская конференция (Иркутск, август 2000); VIII Объединенный Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Иркутск, июнь 2001); конференции NATO ARW in Cooperation with the Russian Foundation for Basic

Research "Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality "(Irkutsk, August 21-27, 2001); 8th International Joint Seminar on regional deposition processes in the atmosphere (Irkutsk, December 18-21, 2002);

2) на отечественных научных конференциях и семинарах: «Региональной научно-технической конференции. Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, 1997 г.); «Аэрозоли Сибири: VII Рабочая группа» (Томск, 2000 г.); «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 24-27 сентября 2001 г.); «Аэрозоли Сибири: VIII Рабочая группа» (Томск, 2001 г.); «Аэрозоли Сибири: IX Рабочая группа» (Томск, 2002 г.);

3) в Институте систем энергетики СО РАН: на заседаниях Ученого совета института и секции научно-технического прогресса в энергетике Ученого совета института (1999-2003 гг.); на конференции молодых ученых ИСЭМ СО РАН «Системные исследования в энергетике» (Иркутск, 1999 г.).

Личный вклад автора

Диссертационная работа выполнена в Институте систем энергетики им. JI. А. Мелентьева СО РАН и является частью исследований, проводимых в лаборатории термодинамики. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии. Защищаемые положения получены автором лично.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации (без приложения) - 15 5 страниц, в том числе, рисунков - 28, таблиц - 26, библиографический список из 168 наименований (15 страниц), приложений -77 страниц.

На основе выполненых термодинамических исследований можно сделать следующие выводы:

1) термодинамическое моделирование позоляет с достаточной точностью имитировать образование и эволюцию аэрозолей в атмосфере;

2) практически весь антропогенный SO2 превращается в атмосфере во вторичный аэрозоль (SO4 ') путем гетерофазных превращений;

3) при относительной влажности 50-60% и выше будет происходить интенсивное поглощение газообразного SO2 зародышевыми водяными каплями, что в свою очередь, способствует более активной конденсации паров воды на поверхности раствора;

4) имеет место существенное влияние климатических факторов (в первую очередь, влажности, а также температуры и давления) и химического состава ядер на дисперсные характеристики атмосферного аэрозоля.Однако все изменения дисперсных характеристик аэрозоля не выходят за пределы субмикронного диапазона;

5) при влажности менее 100% обводненные частицы вторичного аэрозоля не превышают по размерам 1-2 мкм, и, следовательно, рассеиваются аналогично субмикронной фракции первичного аэрозоля. Это дает основание для добавления в модели региональной энергосистемы приземных концентраций вторичного аэрозоля к концентрациям первичного аэрозоля субмикронной фракции (в соответствующих точках рассматриваемой территории) (см. раздел 2.2);

6) увеличение в атмосфере концентраций сульфатного аэрозоля способствует образованию других вторичных аэрозолей (например

нитратных);

7) полученые в главе 3 для Восточной Сибири оценки доли превращения SO2 во вторичный аэрозоль являются достаточно устойчивыми и могут использоваться для регионов со схожими климатическими характеристиками.Заключение Выполненная работа позволила сделать следующие выводы:

1. Предложена методика учета загрязнения окружающей среды аэрозолями, включая вторичные, в модели развития региональной энергетической системы. Формализовано введение ограничений не только на выбросы, но и на концентрации вредных веществ в контрольных точках. Методика разработана в рамках комплексного подхода к прогнозированию развития энергетических систем. Впервые данный методологический подход был расширен за счет включения в него моделей физико-химических процессов, протекающих в атмосфере.2. Разработаны принципы определения параметров, необходимых при введении экологических ограничений: проведение модельных расчетов (образования и трансформации аэрозолей и их рассеивания в локальном и региональном масштабе); использование данных наблюдений за химическим составом атмосферных осадков и снежного покрова. На примере расчета удельных показателей энергетических источников для г.Слюдянка показана необходимость задания ограничений именно на концентрации загрязняющих веществ с учетом их трансформации в атмосфере.3. Разработана методика проведения специализированной снегосъемки для выявления роли энергетики в загрязнении окружающей среды аэрозолями. Показана необходимость модельных расчетов рассеивания выбросов для оптимального выбора точек отбора образцов снега.Предложена неравномерная частота отбора проб в условиях сложного рельефа местности. Методика рекомендуется к дальнейшему применению при оценке влияния объектов энергетики и других отраслей промышленности на загрязнение городов.4. Представленная в работе методика проведения специализированной снегосъемки и анализа ее результатов, на примере гг. Иркутск и Слюдянка позволяют оценить долю первичных выбросов SO2 (у^д), превращающихся в пределах рассматриваемой территории во вторичный аэрозоль (сульфаты). Получены оценки выпадения вторичного аэрозоля (сульфатов) в локальной зоне: для г. Иркутска - 1.7 %, для г. Слюдянка — 4.0 %. Показано, что учет образования вторичных аэрозолей приводит к многократному увеличению концентраций в атмосферном воздухе рассмотренных городов аэрозолей субмикронных фракций, что необходимо учитывать в задачах развития региональных энергетических систем.5. Для ориентировочной оценки вклада дальнего переноса в загрязнение городов предлагается использовать осредненные величины выпадения сульфатов в различных точках региона. Вклад дальнего переноса в загрязнение городов Южного Прибайкалья вторичными аэрозолями

(сульфатами) составляет: для г. Иркутска - 4,5%; для г. Слюдянки -

6. Обосновано применение термодинамических моделей для описания образования и эволюции аэрозолей в атмосфере. Показано, что практически весь антропогенный SO2 превращается в атмосфере во вторичный аэрозоль (SO4 "). При влажности менее 100%) обводненные частицы вторичного аэрозоля не превышают по размерам 1-2 мкм и, следовательно, рассеиваются аналогично субмикронной фракции первичного аэрозоля. Полученные для Восточной Сибири оценки доли превращения SO2 во вторичный аэрозоль являются достаточно устойчивыми и могут использоваться для регионов со схожими климатическими характеристиками.

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1987.340 с.

2. Одум Ю. Экология: В 2-х т. Т. 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1986, с. 95.

3. Мелентьев Л.А. Системные исследования в энергетике. М Наука, 1983. 456 с.

4. Мелентьев Л.А. Избранные труды. Методология системных исследований в энергетике. М.: Наука. Физматлит, 1995. 302 с.

5. Макаров А. А, Мелентьев Л. А. Методы исследования и оптимизации энергетического хозяйства. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1973. 274 с.

6. Системный подход при управлении развитием электроэнергетики Л.С. Беляев, П.В. Войцеховская, В.А. Савельев и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1980, 240 с.

7. Теоретические основы системных исследований в энергетике Под ред. Л.С. Беляева и Ю.Н. Руденко. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1986 с.

8. Кононов Ю.Д. Энергетика и экономика: проблемы перехода к новым источникам энергии. М.: Наука, 1981. 192 с. II. Методы исследования и управления системами энергетики Л.С. Беляев, Н.И. Воропай, Ю.Д. Кононов и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отделение, 1987.-373 с.

9. Системные исследования проблем энергетики Л.С. Беляев, Б.Г. Санеев, С П Филиппов и др.; Под ред. Н.И. Воропая. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 2000. 558 с.

10. Energy in а finite world: а global system analysis W. Haefele, Program Leader. Cambridge, Massachusetts: Ballinger Publ. Сотр., 1981 p. 48. 140

11. Kruijk H. De. The EU enei and environmental model EFOM-ENV specified in GAMS: Model description and users guide.-ECN Project №7165,1994.- 139p.

12. Messner S., Strubegger M. Users guide for MESSAGE III. WP-95-69. HAS A, Laxenburg, Austria, 1995. 138 p

13. Fujii Y., Yamaji K. Assessment of technological options in the global energy system for limiting the atmospheric C02 concentration Environmental Economics and Policy studies, 1998, Vol.1, pp. 113-139.

14. Filippov S.P., Tyrtyschnyi V.N., The GEM-1 OR software package for the global energy studies Методы оптимизации и их приложения, Иркутск, СЭИ СО РАН, 1995, с. 306.

15. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию Л.С. Беляев, О.В. Марченко, С П Филиппов и др. Новосибирск: Наука, 2000. 269 с.

16. Филиппов П.Модель ВЕЕМ /ИСЭМ СО РАН. Препр. Иркутск, 1998. 48 с. 22 Филиппов СП., Павлов П.П., Кейко А.В., Горшков А.Г., Белых Л.А. Экспериментальное определение выбросов сажи и ПАУ котельными и домовыми печами Известия РАН. Энергетика, 2000, 3. 108-118.

17. Аэрозоль и климат. Под ред. КЛ. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 541 с.

18. Houghton J.T., Meira Filha L.G., Bruce J., Hoesung L., Callander B.A., Haites E., Harris N., Maskell K. Eds. IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change. Radiative forcing of climate change: Climate Change 1

19. Cambridge University Press, Cambridge. 1995. pp. 1-231.

20. Twomey, S., Atmospheric aerosols: Elsevier, New York. 1977.- 378 p.

21. Каганович Б.М., Филиппов СП. Равновесная термодинамика и математическое программирование. Новосибирск: Наука, 1995. 236 с.

22. Каганович Б.М., Филиппов С П Анализ технических и экологических проблем энергетики методами равновесной термодинамики Известия РАН. Энергетика, 2000, 6. с. 13-21. 141

23. Keiko A.V., Filippov S.P., Kaganovich B.M. Thermodynamic analysis of the secondary pollution of the atmosphere Int. J. of Energy, Environment, Economics, 1997, V. 4, N 4 pp. 247-260

24. Зыков С В Садовский А.П., Олькин Е., Рапута В.Ф. О некоторых эпидемиологических событиях, обусловленных химическими факторами окружающей среды Бюллетень СО РАМН, 1999, N4.

25. Куценогий К.П. История развития исследований в области аэрозолей в Сибири Оптика атмосферы и океана. 2000, т. 13, №6-7, с.577-587.

26. Bates, T.S., Kapustin, V.N., Quinn, Р.К., Covert, D.S., Colman, D.J., Mari, C Durkee, P.A., De Bruyn, W.J., Saltzman, E.S.,. Processes controlling the distribution of aerosol particles in the lower marine boundary layer during the First Aerosol Characterization Experiment (ACE 1). //Journal of Geophysical Research 1998,p.l03-105.

27. Deepak, A., Vali, G. (Eds.), The International Global Aerosol Program (IGAP) Plan.// A. Deepak Publishing, Hampton, USA. 1991.-240 p.

28. Charlson, R.J., Langner, J., Rodhe, H., Leovy, C.B., Warren, S.G. Perturbation of the Northern hemisphere radiative balance by backscattering from anthropogenic sulfate aerosols.// Tellus 43B, 1991. pp. 152-163.

29. Martinsson B.G,, Frank G., Cederfelt S.-L, Swietlicki E., Berg O.H., Zhou J., Bower K.N., Bradbury C Birmili W., Stratmann F., Wenelisch M., Wiedensohler A., Yuskiewicz B.A,. Droplet nucleation and growth in orographic clouds related to aerosol population.// Atmos. Res. 50, 1999, pp. 289-315.

30. Langner, J., Rodhe, H.A global three-dimensional model of the tropospheric sulfur cycle.// J. Atmos. Chem. 13, 1991.pp. 225-264.

31. Kiehl, J.T., Briglieb, B.P.,. The relative roles of sulfate aerosols and greenhouse gases in climate forcing.// Science 260, 1993. pp. 311-314. 142

32. Безуглая Э.Ю., Расторгуева Г.П., Смирнова И.В. Чем дышит промышленный город.- Л.: Гидрометеоиздат, 1991.- 255 с.

33. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра., 1988.-c.274.

34. Лавров Н.В., Розенфельд Э.И., Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окружающей среды. М.: Металлургия, 1981. 240 с.

35. Ежегодник состояния загрязнения атмосферы в городах на территории России. 1994 г. Санкт-Петербург: ГГО им. Воейкова, 1995.- 280 с.

36. Региональный экологический атлас/ Батуев А.Р, Белов А.В., Воробьев В.В., Богоявленский Б.А. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998.- 321 с.

37. Кошелев А.А., Ташкинова Г.В., Чебаненко Б.Б. Экологические проблемы энергетики. -Новосибирск: Наука, 1989. 322 с.

38. Ташкинова Г.В. Теплоэнергетика и экология города //Разработка экологической программы для города Иркутска. Иркутск: СЭК, 1991. 4-27.

39. Ивлев Л.С, Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. Санкт-Петербург: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та. 2000. 256 с.

40. Довгалюк Ю.А., Ивлев Л.С. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. Санкт-Петербург: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та. 1998. 324 с. 143

41. Ankilov А., Baklanov А., Colhoun М., Enderle К.-Н., Gras J., Julanov Yu., Kaller D., Lindner A., Lushnikov A.A., Mavliev R., McGovern F., OConnor T.C., Podzimek J., Preining O., Reischl G.P., Rudolf R., Sem G.J., Szymanski W.W., Vrtala A.E., Wagner P.E., Winklmayr W., Zagaynov V. Particle size dependent response of aerosol counters Atmospheric Research 62 (2002) c.209-237.

42. Кучменко E.B., Зароднюк М.С. Термодинамическое моделирование образования водных растворов на поверхности аэрозолей /ИСЭМ СО РАН. Препринт 11 Иркутск, 2001. 44 с.

43. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Л.: Химия, 1969. 429 с. 55. J. Osan, J. de Hoog, A. Worobiec, C.-U. Ro, K.-Y. Oh, L Szaloki, R. Van Grieken. Analytica Chimica Acta Application of chemometric methods for classification of atmospheric particles based on thin-window electron probe microanalysis data 446, 2001. pp. 211-222.

44. Куценогий П.К. Концентрация и спектр размеров атмосферных аэрозолей Сибири. Оптика атмосферы и океана, 1994, 7, N8, с. 1055-1058. 57. Ван Малдерен X., Ван Грикен Р., Ходжер Т.В., Буфетов Н.С., Куценогий К.П. Анализ индивидуальных аэрозольных частиц в Сибирском регионе. Предварительные результаты. Оптика атмосферы и океана. 1994. Т.7, N 8 с. 1154-1162.

45. Мазин И.П., Шметер С М Облака: строение и физика образования. Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 279 с.

46. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы: Пер. С англ. М.: Мир, 1988. 3 5 2 с.

47. Облака и облачная атмосфера. Справочник/ Под ред. И.П. Мазина, А.Х. Хргина. Ленинград: Гидрометиздат, 1989.-280 с.

48. ИвлевЛ.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. Ленинград: Издательство ЛГУ, 1982. 366 с. 144

49. Савенко B.C. Природные и антропогенные источники загрязнения атмосферы. Итоги науки и техники. Сер. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. М. Том 31. 210 с.

50. Решение экологических проблем в условиях глобальой взаимозависимости Израэль Ю.А. Проблемы мониторинга и охраны окружающей среды Д.: Гидрометеоиздат. 1989. 18. с.

51. Справочник по климату СССР. Выпуск

52. Часть 4. Л.: Гидрометеоиздат, 1967г.-342с.

53. Prinn R.G. Tropospheric chemical models Proc. Int. Sch. Phys. "Enrico Fermi", 115th (Use of EOS for studies of atmospheric physics), 1990 (pub. 1992). pp.65-76.

54. Алекин О.A. Основы гидрохимии. Гидрометеорологическое издательство, Д., 1970-C.443. 72. G. М. Hidy, О. Preining and E.J/ Davis (Eds.), History of Aerosol science 2000, rf Verlag der Osterreichishen Akademe der Wissenshaften, Wien, 2000, pp.89-115.

55. Whitby K.T., Cantrell B. Fine Particles. Institute of Electrical and Electronic Engineers Las Vegas, New York, 1976. -143p.

56. Куценогий П.К. Сезонная изменчивость суточного цикла массовой концентрации субмикронной фракции континентального атмосферного 145

57. Козлов А.С., Анкилов А.Н., Бакланов A.M., Власенко А.Л., Еременко СИ., Малышкин СБ. Исследование механических процессов образования субмикронного аэрозоля.//Оптика атмосферы и океана, 13 №6-7 2000, с. 664671.

58. Атмосфера. Справочник. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1991г. 510 с.

59. Junge The chemical composition of atmospheric aerosols.

60. Measurements at round Hill Field station. June-July, 1953. J. Meteorology, 1954, v. 11, pp. 323333.

61. Akimoto H., Narita H. Distribution of SO2, NOx and CO2 emissions from fuel combustion and industrial activities in Asia with 1X1 degree resolution// Atmospheric Environment. 1994., 28 (2). pp. 213-225.

62. Cyrys J., Gutschmidt K., Brauer M., Dumyahn Т., Heinrich J., Spengler J.D., Wichmann H.E. Determination of acidic sulfate aerosols in urban atmospheres in Erfurt (F.R.G.) and Sokolov (former CS.S.R.) Atmospheric Environment, 29 (1995), p. 3545-3557.

63. Cyrys J., Gutschmidt K., Brauer M., Dumyahn Т., Heinrich J., Spengler J.D., Wichmann H.E. Determination of acidic sulfate aerosols in urban atmospheres in Erfurt (F.R.G.) and Sokolov (former CS.S.R.) Atmospheric Environment, 29 (1995), p. 3545-3557.

64. Grubler A. A Review of Global and Regional Sulfur Emission Scenarios. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 3 (1998), p. 383-418.

65. Okita Т., Нага Н., Fukuzaki N. Measurements of atmospheric SO and S02", and determination of the wet scavenging coefficient of sulfate aerosols for the winter monsoon season over the sea of Japan.// Atmospheric Environment, 30 (1996), p. 3733-3739.

66. Keiko A.V., Filippov S.P., Kaganovich B. M. Thermodynamic analysis of the secondary pollution of the atmosphere// Int. J. Energy, Environment, Economies. 1997, Vol. 4(4), p. 247-260. 146

67. Филипов СП., Каганович Б.М., Павлов П.П. Термодинамический анализ процессов образования оксидов азота при сжигании угля// Новые технологии и техника в теплоэнергетике. сб. Докл. Международного семинара, Новосибирск Гусиноозерск: 1995. 1 часть, с. 95 101.

68. Филипов СП., Каганович Б.М., Павлов П.П. Термодинамическое моделирование процессов в газовых трактах котлоагрегатов// Использование методов математического моделирования в котельной технике. Сб. Докл. Науч. Техн. Конф., Красноярск: СибВТИ. 1996. с. 53-71.

69. Характеристика фонового загрязнения сульфатами снежного покрова на территории СССР/ Т.В. Беликов, В.Н. Василенко, И.М. Назаров и др. Метеорология и гидрология 1984, №9, с. 47-55.

70. Ломоносов И.С Основные элементов процессы и принципы техногенного их рассеяния и концентрирования оценки. Геохимия техногенных процессов. М. Наука, 1990. с. 26-60. 147

71. Оболкин В.А., Ходжер Т.В. Годовое поступление из атмосферы сульфатов и минерального азота в регионе оз. Байкал. Метеорология и гидрология; 1990;(7), с. 71-76.

72. Каганович Б.М., Филиппов СП., Кавелин И.Я. Прогнозные исследования технологий использования угля/ СЭИ СО АН СССР. Препринт, Иркутск, 1984.-219 с.

73. Каганович Б.М., Филиппов СП., Анциферов энергетических технологий: термодинамика, Е.Г. Эффективность прогнозы. экономика, Новосибирск: Наука, 1989. 256 с.

74. Каганович Б.М., Филиппов СП., Анциферов Е.Г. Моделирование термодинамических процессов. Новосибирск: Наука, 1993.- 101 с.

75. Горбань А.Н., Каганович Б.М., Филиппов С П Термодинамические равновесия и экстремумы: Анализ областей достижимости и частичных равновесий в физико-химических и технических системах. Новосибирск: Наука, 2001.-296 с.

76. Методические вопросы долгосрочного прогнозирования новых энергетических технологий Кавелин И.Я., Крутов А.Н., Филиппов СП, Методические вопросы системных исследований в энергетике, Иркутск, СЭИ СО АН СССР, 1986, с. 81 -91.

77. Каганович Б.М., при Филиппов СП., Анциферов Е.Г. Применение прогресса в термодинамики решении задач научно-технического энергетике Системные оценки эффективности и выбор направлений технического прогресса в энергетике. Иркутск: СЭИ СО АН СССР, 1990, с. 76-89.

78. Филиппов СП., Каганович Б.М., Павлов П.П. Термодинамический анализ развития энергетических технологий Системные исследования в энергетике в новых социально-экономических условиях, Новосибирск: Наука, 1995, с. 162-176. 148

79. Belyaev L.S., Filippov S.P., Marchenko O.V. Possible role of power from space in the 21st century Proc. of the SPS-97 Conf. (Montreal, Canada, Aug. 2428, 1997), Canadian Aeronautics and Space Institute, 1997, p.35-40. 105 Беляев Л.С, Марченко O.B., Филиппов С П Исследование тенденций и масштабов развития ядерной энергетики мира в XXI в. Известия вузов. Ядерная энергетика, 1997, 1, с. 4-9.

80. Энергетика АТР в 21 веке на фоне мировых тенденций Л.С. Беляев, Ю.Д. Кононов, О.В. Марченко, С В Соломин, С П Филиппов ТЭК, 1998, 3-4, с. 22.

81. Energy of APR in the 21st century on the background of world trends Belyaev L.S., Marchenko O.V., Solomin S.V., Tyrtyshny V.N., Filippov S.P. Proc. of Int. conf Eastern energy policy of Russia and problems of integration into the energy space of the Asia-Pacific region" (Sept. 22-26, 1998, Irkutsk, Russia), Irkutsk: SEI, 1998, p. 10-24.

82. Беляев Л.С, Филиппов СП., Марченко О.В. Энергетика и переход к устойчивому развитию Известия РАН. Энергетика, 1999, 5. с. 43-53.

83. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию Л.С. Беляев, О.В. Марченко, СП. Филиппов и др. Новосибирск. Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 2000. -269 с. 110 Belyaev L.S., Marchenko O.V., Filippov S.P. Space-based power systems with wireless power transmission in the 21th century Proc. of the Millennium Conf on Antennas Propagation AP2000 (April 9-14, 2000, Davos (Switzerland). Noordwijk (Netherlands) Europien Space Agency, 2000. 370p.

84. Беляев Л.С, Марченко O.B., Филиппов С П Энергетика мира как фактор устойчивого развития Энергия, 2001, 11, с. 2-11. 149

85. Филиппов СП., Павлов П.П., Кейко А.В., Горшков А.Г., Белых Л.И. Экологические характеристики теплоисточников малой мощности. Иркутск. Препринт/ Институт систем энергетики СО РАН., 5, 1999, 48 с. 119 Техническая оценка котлов малой и средней мощности. Отчет проекта ТАСИС №ESIB 9

86. Иркутск.: Институт систем энергетики, 1997. 25 с. 120 Шарловская М.С, Ривкин А.С Влияние минеральной части Сибирских углей на загрязнение поверхностей нагрева парогенераторов. Новосибирск: Наука. 1973.243 с. 121 Региональный экологический атлас/ Батуев А.Р, Белов А.В., Воробьев В.В., Богоявленский Б.А. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 1998. 321 с. 150

87. Сокращение вредных выбросов от котельных г. Слюдянки. Заключительный отчет по проекту SEPS. Иркутск.: Институт систем энергетики, 2002. 78с.

88. Справочные данные. Энергетическое топливо СССР. М.: Энергоатомиздат, 1991. 184 с.

89. Климат Иркутска /под ред. Ц. А. Швер, Н. П. Форманчук. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-320 с. 126. Чем дышит промышленный город./ Безуглая Э.Ю., Расторгуева Г.П., Смирнова И.В. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. 255 с.

90. Климатическме параметры Восточной-Сибири и Дальневосточного экономических районов (научно справочное пособие). Л.: Гидрометиздат, 1979.-267 с.

91. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -270 с.

92. Кейко А.В., Кучменко Е.В., Филиппов СП., Павлов П.П. Моделирование воздействия энергетики на качество воздуха: препринт Института систем энергетики СО РАН. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1999. 44 с.

93. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных примесей, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-46 с.

94. Pankrath J. Atmospheric dispersion models for regulatory purposes in the Federal Republic of Germany. Part I. Regulatory modeling//Int. J. Environ. Pollut. 1995, 5(4-6), pp. 427-430.

95. Указания no расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий СН 369-74//Справочные материалы для экспертизы мероприятий по охране атмосферы в проектных решениях на строительство объектов. Т.2. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-271 с. 151

96. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере//- Л:. Гидрометеоиздат, 1983. 328 с.

97. Prinn R.G. Tropospheric chemical models Proc. Int. Sch. Phys. "Enrico Fermi", 1990 (pub. 1992), 115th (Use of EOS for studies of atmospheric physics), p.65-76.

98. Bouwmans L, Meeder J.P., Nieuwstadt F.T.M. Large-eddy simulation and practical models Int. J. Environ. Pollut. 1995, Vol. 5(4-6, Workshop on Operational Short-range Atmospheric Dispersion Models for Environmental Impact Assessment in Europe, 1994), pp. 331-337. 137. EPA, Guidline on Air Quality Models, EPA-450/2-78-027, U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, North Carolina, 1978.

99. Cirillo M.C., Graziani G. Regulatory atmospheric short and medium range dispersion models in Italy Int. J. Environ. Pollut. 1995, Vol. 5(4-6), pp. 450-462.

100. Maes G., Cosemans G., Kretzschmar J., et al. Comparison of six Gaussian dispersion models used for regulatory рифозез in different countries of the EU Int. J. Environ. Pollut. 1995, Vol. 5(4-6), pp. 734-747.

101. Pechinger U., Petz E. Model evaluation of the Austrian Gaussian plume model ON M 9440: comparison with the Kincaid dataset Int. J. Environ. Pollut. 1995, Vol. 5(4-6), pp. 338-349.

102. Users Guide for the Industrial Source Complex (ISC3) Dispersion Models, EPA-454/B-95-003a, U.S. Environmental Protection Agency, Research Triangle Park, North Carolina, 1995. -38 p. 142. EPA USERS guide for the industrial source complex (ISC2) dispersion models volume II description of model algorithms. Dallas, Trinity Consaltants Inc., 1992. 25 p.

103. Plaisance H., Galloo J.C., Guillermo R. Source identification and variation in the chemical composition of precipitation at two rural sites in France. Sci Total Environ. 206; 1997; pp. 79-93. 152

104. Draxler. R.R., The calculation of low-level winds from the archived data of a regional primitive equation model. J. Appl. Meteorol., 29,1990. p. 240-248. 146. The description of the ECMWF/WCRP level III-A global atmospheric data archive. European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Reading, Berkshire, England. ECMWF, 1995.-125 p.

105. Draxler,R.R.,Hess G.D. Descriptio of the HYSPLIT-4 modeling system.US Environmental Protection Agency Technical Memorandum ERL АБ?1.-224, National Oceanic and Atmospheric Administration, Silver Springs, MD., December 1997 (Revised: August 1998, September 2002) .27 p.

106. Kreyszig, E. Advanced Engineering Mathematics. 2 nd Ed., J. Wiley and Sons, New York, 1968,898 pp.

107. Draxler R.R. Trajectory optimization for balloon flight planning. Weather and Forecasting, 11, 1996, p. 111-114.

108. Petterssen S. Weather Analysis and Forecasting. McGraw-Hill Company, New York, 1940, p. 221-223.

109. Изменение химического состава проб осадков в зависимости от условий и времени хранения Минекайтите Э.Ю., Тураускайте В.В., Шалаускене Д.А. /Содержание

110. Методические указания по определению химического состава осадков Тр. главной геофиз. обе. Л.: 1980. с. 15-17.

111. Acid Deposision Monitoring Network in East Asia.The Third Meeting of the Working Group. Yokohama, Japan. 1998.- 240 p.

112. Стратегия экологически чистого энергоснабжения региона озера Байкал/ Заключительный отчет проекта ТАСИС ESIB 9304., Иркутск, СЭИ СО РАН, 1997. 198 с.

113. Реструктуризация угледобывающей компании «Востсибуголь»/ Отчет проекта ТАСИС ESIB 9301., Иркутск, СЭИ СО РАН, 1997. 198 с. 153 Book

114. Павлов П.П., Филиппов СП. Оценка технических и экологических характеристик котельных города Иркутска; Отчет: Проект ТАСИС Мо. Е81В 9304, Иркутск, СЭИ СО РАН, 1996. 32 с.

115. Сравнительное сжигание углей Восточной Сибири в отопительных котельных малой мощности и домовых печах Филиппов СП., Наумов Ю.В., Павлов П.П. и др.//Научный отчет СЭИ СО РАН. Иркутск: СЭИ, 1998. 39 с.

116. Кейко А.В. Разработка и применение физико-химических моделей для исследования влияния энергетики на качество воздуха. Дисс.на соискание ученой степени канд. техн. наук. Иркутск. 1997. 125 с.

117. Идентификация выбросов серосодержащих соединений от объектов стационарной энергетики по данным сульфатных выпадений. Отчет ИСЭМ. Иркутск, 2001.-55 с.

118. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопенцев Б. А. Руководство по химическому анализу вод суши.- Д.: Гидрометеоиздат. 1973. 270 с.

119. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.- 1970 317 с.

120. Моложникова Е.В,. Кучменко Е.В,. Нецветаева О.Г,. Кобелева Н.А, Голобокова Л.П., Ходжер Т.В. Сравнение экспериментальных и расчетных данных ионного состава атмосферных осадков юга Восточной Сибири Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. 5-6. с. 446-449. 164 Ходжер Т.В., Потемкин В.Л., Голобокова Л.П., Оболкин В.А,, Нецветаева О.Г.Станция загрязняющих Монды веществ как фоновая станция атмосфере для изучения переноса Оптика в нижней Прибайкалья. атмосферы и океана; 1998. 11(6) с. 636-639.

121. Зуев В.Е., Ивлев Л С Кондратьев К.Я. Новые результаты исследований атмосферного аэрозоля/ТИзвестия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973.Т. 9 4 С371-385. 154

122. Кучменко Е.В., Кейко А.В., Зароднюк М.С. Термодинамическое моделирование обводнения аэрозолей в атмосфере/ТХимия в интересах устойчивого развития, 2002. т. 10, №5. с. 637.

123. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа. 1988. 325 с. 155