Структура мониторинга окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Севморзавод - Севастопольский морской завод

ГМС - гидрометеостанция

SCOPE - Scientific Committee on Problems of the Environment

UNESСO - United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization

ООН - Организация объединенных наций

УПК - Универсальный перегрузочный комплекс

СЗЗ - Санитарно-защитная зона

ЗВ - загрязняющее вещество

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Угольная промышленность Украины является одной из базовых отраслей экономики. Однако в последние годы сложилось большое противоречие между чрезвычайно важным значением угольной отрасли и экологическим состоянием окружающей среды. По влиянию на природную среду и население страны наиболее масштабным и опасным следует полагать загрязнение атмосферы газопылевыми выбросами предприятий угольной промышленности. Кроме атмосферы, выбросы таких предприятий негативно влияют на атмосферные осадки в результате растворения в них оксидов серы и азота, а также земную поверхность, грунт и растительность вследствие оседания на них пыли и выпадения «химического» дождя или снега, поверхностные воды (оседание на водные поверхности выброшенных в воздух вредных веществ и смыв их в реки и водоемы дождевыми и талыми снеговыми потоками). Результатами такого загрязнения земной поверхности являются окисление снежного покрова и сельскохозяйственных угодий, накопление в почве тяжелых металлов из угольной золы, что угнетает лесные биоценозы, снижает урожайность агрокультур и насыщает пищевые продукты вредными для здоровья человека соединениями.

В настоящее время проходят митинги и дискуссии по поводу строительства угольного терминала в Доковой бухте Северной стороны города Севастополя. При транспортировке, погрузке и разгрузке угля образуется огромное количество угольной пыли, которое имеет негативные последствия. Такие как, загрязнения воздуха и вод от пребывания на рейде, перемещения по бухте, разгрузки-погрузки; снижение возможности использования бухты для рекреации, любительского рыболовства, марикультуры и морского фермерства; близлежащие земли лесного фонда, сельскохозяйственного и рекреационного назначения Севастополя могут стать фактически не пригодными к использованию по назначению из-за сопутствующего загрязнения воздуха, почв, а также акустического и вибрационного воздействия ЖД и автотранспорта, обслуживающего УПК; и другие.

Цель и задачи квалификационной работы. Целью данной работы является разработка программного модуля для системы мониторинга, позволяющего оценить масштабы и характер распространения угольной пыли от предприятия, планирующегося к постройке в бухте Доковая города Севастополя.

В связи с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

? проанализировать собранную информацию о загрязнении атмосферного воздуха терминалами по перевалке/перегрузке угля и месте моделирования;

? охарактеризовать структуру системы мониторинга воздушной среды в районе промышленных предприятий;

? описать математическую модель изучаемого процесса;

? создать алгоритм программной реализации выбранной модели.

Практическое значение полученных результатов. Результаты работы могут быть применены для прогнозирования и оценки ситуаций, вызванных распространением угольной пыли с промышленных терминалов.

Структура работы. Данная работа состоит из введения, четырех основных разделов, выводов, списка использованных источников и приложений.

В первом разделе дана характеристика места и объекта исследования.

Во втором разделе дано понятие мониторинга, изучены нормативная база, структура, функции и классификация мониторинга воздушной среды.

В третьем разделе рассмотрены вопросы математического моделирования распространения загрязнений от промышленных источников.

В четвертом разделе описан принцип работы программного модуля, реализующего рассмотренную модель.

РАЗДЕЛ 1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И МЕСТА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Характеристика места исследования

1.1.1 Физико-географическая характеристика места строительства угольного терминала

В соответствии с проектом детальной планировки Северной стороны универсальный перегрузочный комплекс угля размещается на северной стороне г. Севастополя в районе Северного дока и причала N 20 Севморзавода, на свободной от застройки территории. С севера участок граничит с территорией кислородного цеха, с запада - с причалом, с востока и юга - с территорией воинской части.

По физико-географическому районированию Крыма район согласно схеме внутриландшафтного районирования выделен в западную Крымскую степную подпровинцию, характеризуется наибольшими высотами куэстовых гряд, более четкой их орографической выраженностью и сильно расчлененным рельефом.

Исследуемый район в геоморфологическом отношении располагается на юго-западной оконечности Крымского полуострова и относится к южной части Северной зоны г. Севастополя, имеющей в плане вид равнобедренного треугольника с острой его вершиной у мыса Херсонесского. Его естественной границей с севера, запада и юга служит береговая линия моря, а с востока его условной границей может служить железная дорога Инкерман - Балаклава.

Рельеф полуострова, представляющего собой слабоволнистое плато, наклоненное в северо-западном направлении, характеризуется наличием на общем его равнинном фоне холмисто-грядовых элементов, а также многочисленных четко выраженных в рельефе балок эрозионного происхождения. Долины большинства этих балок имеют вид глубоких врезов, принимающих иногда каньонообразные формы, а борта их несколько выполаживаются.

Балки, устья которых смыкаются с береговой линией моря, сменяются бухтами, являющимися их естественным продолжением и образовавшимися в период ингрессии моря за счет плавного опускания материка.

Все балки в пределах Гераклейского полуострова имеют северное, северо-западное простирание, следуя, в основном, в направлении падения дневной поверхности плато.

В северной части Гераклейского полуострова при впадении балок в море они сменяются бухтами. Все бухты вливаются в огромную Севастопольскую бухту широтного простирания, южная береговая линия которой является северной границей Гераклейского полуострова, где в северо-восточной части полуострова в Севастопольскую бухту впадает река Черная. Долина этой реки простирается в субмеридиональном направлении, располагаясь несколько восточнее условной границы Гераклейского полуострова.

Участок размещения комплекса приурочен к плато водораздела между восточным бортом Северной балки (Северный док) и западным склоном балки «Голландия».

Водораздельное плато резко ограничивается обрывами и крутым склоном, вследствие этого оно имеет вид изолированного, высокого (до 36,0м) массива.

Западный, южный и восточный склоны - крутопадающие в сторону Южной бухты, уклон на отдельных участках составляет 40-60°.

Северная сторона примыкает к территории ведомственного завода, где прилегающая площадка в основном террасирована и поделена на строительные участки подпорными стенами высотой от 2.0 до 5.0 метров. Абсолютные отметки на участке строительства колеблются от 32.0 до 42.0 метров и имеют уклон на юг, юго-запад в сторону моря [3].

1.1.2 Краткая климатическая характеристика района

Климат района умеренно-теплый, морской, с чертами континентального. Снежный покров держится менее месяца, а в некоторых случаях не образуется совсем. Календарный зимний период мягкий, с повышенной ветровой деятельностью. Весна довольно сухая, а осень относительно теплая, влажная, с повышенным количеством дождей. Лето жаркое, тихое.

По данным опорной ГМС г. Севастополя многолетняя среднегодовая температура воздуха составляет +14.6°С. Самый холодный месяц - январь имеет среднемесячную температуру -2°С, Абсолютный минимум температуры -22°С. Самый теплый месяц : июль, август со средней температурой воздуха +22.4°С, максимум составляет +38°С.

Среднемесячная годовая сумма осадков составляет 350 мм, максимум не превышает -584 мм, а минимум - 108 мм. Из общего количества осадков около 80% приходится на жидкие осадки, 15% на смешанные и 5% - на твердые. В течение года около 100 дней с осадками, дающие не менее 0.1 мм воды.

Ветровой режим района обуславливается, как положением границы суши и моря. В течение года преобладают ветры северо-восточного направления, много случаев ветра южного и восточного направления. По скоростям преобладающими являются слабые ветры диапазона 2-5м/сек. В течение года 68% всех случаев приходится на штили и ветры со скоростью до 5м/сек. Вероятность сильных ветров в 14м/сек и более составляет 3.5%.

Средняя годовая скорость за многолетний период равна 4,6 м/сек. Наибольшие средние скорости наблюдаются при ветрах юго-западного, а также северного и северо-западного направления. Штормовые ветры в районе имеют значительную повторяемость. Среднее число дней в году со штормовыми ветрами 15м/сек составляет 45, а наибольшее - 80 дней [3].

Таким образом, Севастополь имеет выгодное географическое положение, благоприятные природно-климатические условия, наличие достаточно высокого ресурсного потенциала, это город с высоким историческим наследием и рекреационной зоной.

1.2 Характеристика объекта исследования

1.2.1 Назначение и состав проектируемого комплекса

Универсальный перегрузочный комплекс (УПК) предназначен для приема и кратковременного хранения импортных грузов - угля в объеме 4000 тыс. т в год, инертных грузов (песок, щебень) - 4500 тыс. т. , в т. ч. импорт - 2250 тыс. тонн в год, транзит - 2250 тыс. тонн в год.

Поступление импортного угля предусматривается морским транспортом, отгрузка - железнодорожным транспортом. Поступление и отгрузка инертных грузов предусматривается морским транспортом.

В технико-экономическом обосновании строительства универсального перегрузочного комплекса предусматривается два варианта установки на существующем причале №20 перегрузочного оборудования. Рассмотрим один их них. Существующий реконструированный причал №20 длиной 330 м, глубиной 17,0 м, обеспечивающий прием судов дедвейтом до 140 тыс. тонн, оборудованный инженерными сетями электроснабжения, водоснабжения и связи. Для приема импортных углей на причале используются три вновь приобретаемых грейферных перегружателя грузоподъемностью 60 т каждый.

Выгрузка груза из трюмов судна производится тремя грейферными перегружателями г/п 60 тонн каждый, которые подают уголь непосредственно на причальный ленточный конвейер. Для кратковременного хранения угля предусматривается строительство крытого склада хребтового типа. Размеры склада в плане 80х400м. Вместимость склада составляет 360 тыс. тонн. Склад поделен стационарной продольной перегородкой на два равных отсека, что позволяет хранить уголь от разных грузоотправителей. Загрузка склада производится ленточным конвейером технической производительностью 3000 тонн/час, оснащенным сбрасывающей тележкой. Сбрасывающая тележка оборудована телескопическими погрузочными рукавами, исключающими интенсивное пылеобразование. Разборка штабеля при этом складе производится двумя кратцер-кранами, технической производительностью 3000 т/час каждый, которые подают груз на ленточные конвейера, расположенные вдоль каждой из сторон отсека склада.

Со склада уголь через систему ленточных конвейеров подается на станцию погрузки вагонов. Станция погрузки вагонов оснащена приемными накопительными бункерами, под которыми установлены весовые дозаторы, загружающие равномерно два полувагона до нужной грузоподъемности [4].

1.2.2 Характеристика угля

Уголь представляет собой черную и серую твердую блестящую породу сложное вещество. Содержащий, в основном, органические соединения растительного происхождения (углерод, водород, кислород, азот, серу) он включает также значительное количество минералов и неорганических элементов. Относительное содержание органических и неорганических составляющих существенно изменяется в зависимости от типа углей и расположения их в пласте. Типы углей в соответствии с классификацией Американского общества испытания материалов включают четыре группы: антрацит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь и лингит. По этой классификации, например, одно из составляющих органического происхождения - сера, присутствует в углях в форме различных функциональных групп, которых насчитывается семь. Азот же связан в структурах ароматических колец. В органических соединениях угля имеются следы элементов, к которым относятся германий, бериллий, бор, сурьма, кобальт, никель, медь, хром, селен.

К минеральным примесям, сопутствующим углю относятся глины, дисульфиды железа, карбонаты, оксиды, гидроксиды, сульфиды, фосфаты, сульфаты, силикаты и соли. Из них наиболее важными минералами являются глины. Они составляют 60-80%. С неорганической структурой угля связаны обычно цинк, кадмий, марганец, мышьяк, молибден и железо.

Ископаемые угли широко используются в народном хозяйстве в качестве топлива, а также для получения кокса, бензола, горючего газа и синтетического сырья. Качественная оценка углей как топлива устанавливается на основе элементарного технического анализа.

Ценность угля, его теплотворная способность определяются содержанием углерода и водорода. По данному признаку наибольшей теплотворностью обладают антрациты, средней - каменные угли, наименьшей - бурые угли. Содержание углерода в антраците может составить более 95 %, а его теплотворная способность - более 8000 ккал. Каменные угли классифицируются по маркам и классам. По маркам они делятся на: длиннопламенный (Д), газовый (Г), жирный (Ж), коксовый (К), обогащенный спекающийся (ОС), тощий (Т), полуантрацит (ПА), антрацит (А), газовый жирный (ГЖ), коксовый жирный (КЖ), коксовый второй (К2), слабоспекающийся (СС) [3].

1.2.3 Процесс пылеобразования

Анализ данных о выбросах в процессе производственной деятельности портов, выполненный различными организациями показывает, что основное вредное воздействие на окружающую среду при перегрузке навалочных и насыпных грузов, таких как уголь, как правило, оказывает сам перегружаемый груз.

Это объясняется тем, что уголь подвергается воздействию воздушных потоков, вызывающих интенсивный выброс твердых частичек груза - пыли (фракция от 0 до 10 мкм), которые распространяются далеко за пределы района работ, а часто и за пределы территории порта, при этом загрязняя атмосферный воздух, а оседая - и акваторию прилегающего района моря. Основной объем пыли поступает в атмосферу от неорганизованных источников выбросов. Эти источники можно условно разделить по процессу пылеобразования на три вида:

1) источники пыления, возникающие при падении свободной струи в процессе его перегрузки;

2) источники пыления, возникающие от сдувания (воздействия ветрового потока) пылевой фракции со свободной поверхности груза;

3) источники пыления, возникающие в результате механического воздействия на груз.

К первому виду источников пыления относятся трюма морских и речных судов, загружаемые спускной трубой судопогрузочной машины или грейфером, полувагоны, загружаемые углем, места падения угля на склад.

Ко второму виду источников относятся открытые штабеля хранения угля, а также просыпи и россыпи груза по территории порта. Хотя эти источники относятся к так называемым «источникам вторичного пылеобразования», механизм образования которых представляет собой сдувание пылевой фракции ветровым потоком с поверхности груза, вклад их в общий объем выбросов пыли в отдельных портах достигает значительных величин.

Третью группу неорганизованных источников пылевых выбросов составили источники, возникающие в процессе механического воздействия на груз: при выгрузке груза из трюма специальными судоразгрузочными машинами, а также при заборе груза со штабеля складскими машинами, пыль выделяется в месте забора груза специальным органом (шнеком, роторным колесом, ковшовым или скребковым конвейером и т.п.); при работе зачистных и уборочных машин интенсивное пыление происходит в месте контакта рабочего органа (например, щетки) и груза.

Важнейшими дисперсионными и гигиеническими показателями являются зона распространения пыли и её устойчивость.

Из анализа результатов измерений весовой и счетной концентраций пыли при перегрузке угля можно сделать ряд выводов. Весовая концентрация пыли угля равна 400 мг/м3, при величине предельно-допустимой концентрации воздуха рабочей зоны (4…6) мг/м3 [3,6] .

Весьма интересным и важным при исследовании пыления грузов, и, в частности, углей является вопрос: какого рода и размера частицы различных грузов обладают максимальной зоной распространения.

При перегрузке угля на удалении от зоны пылевыделения доля частиц с диаметром от 5 мкм возрастает вдвое и достигает 60 %, а частицы с диаметром более 100 мкм практически отсутствуют.

Таким образом, планируемое строительство УПК напротив исторического центра на берегу Северной бухты города Севастополя вызывает большие дискуссии и требует прогнозирования и оценки возможных экологических последствий в результате хранения, погрузки/перегрузки угля, как для состояния исторического центра, так и для рекреационной зоны.

Выводы раздела 1

1) Севастополь имеет выгодное географическое положение, благоприятные природно-климатические условия, наличие достаточно высокого ресурсного потенциала, это город с высоким историческим наследием и рекреационной зоной;

2) Планируемое строительство УПК напротив исторического центра на берегу Северной бухты города Севастополя вызывает большие дискуссии и требует прогнозирования и оценки возможных экологических последствий в результате хранения, погрузки/перегрузки угля, как для состояния исторического центра, так и для рекреационной зоны

угольный пыль атмосфера загрязнение

РАЗДЕЛ 2. МОНИТОРИНГ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

2.1 Нормативные документы охраны окружающей среды

Правовое обеспечение охраны окружающей среды и здоровья человека от воздействия загрязняющих веществ реализуется различными отраслями законодательства: конституционного, гражданского, уголовного, административного, здравоохранительного, природоохранительного, природоресурсного, а также нормативно - правовыми актами, международными конвенциями и соглашениями, ратифицированными Украиной.

Конституцией Украины закреплено право каждого человека на безопасную для жизни и здоровья окружающую среду и на возмещение причиненного нарушением этого права ущерба. Каждому гарантируется право свободного доступа к информации о состоянии окружающей среды, а также право на ее распространение. Такая информация никем не может быть засекречена (Статья 50) [10].

Законом Украины «Об охране окружающей природной среды» от 26.06.1991 г. установлено регулирование отношений в сфере охраны, использования и восстановления природных ресурсов, обеспечение экологической безопасности, избежание и ликвидация негативного влияния хозяйственной деятельности на окружающую природную среду, сохранение природных ресурсов, генетического фонда живой природы, ландшафтов и других природных комплексов, уникальных территорий и природных объектов, связанных с историко-культурным наследием [9].

«Закон Украины об охране атмосферы», принятый 16 октября 1991 года, направлен на сохранение атмосферы и её обновление, и улучшение для обеспечения экологической безопасности жизни людей, а также ликвидации вредного влияния на окружающую среду [8].

Таким образом, основными нормативными документами, регламентирующими защиту окружающей среды и здоровье человека, являются Конституция Украины, законы Украины «Об охране окружающей природной среды» и «Об охране атмосферы».

2.2 Понятия мониторинг, оперативный мониторинг

Сам термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии SCOPE (научный комитет по проблемам окружающей среды) при UNESСO (Организация Объединенных Наций по вопросам образования - науки и культуры) в 1971 году, а в 1972 году уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде) для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за элементами окружающей природной среды в пространстве и времени. Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга [7].

Мониторинг от английского «monitoring» - контроль, смысл - от латинского «monitor» - тот кто напоминает, предостерегает, надзиратель.

Современный термин «мониторинг» обозначает наблюдение, анализ и оценку состояния окружающей среды, её изменений под влиянием хозяйственной деятельности человека, а также прогнозирование этих изменений. Испытывая на себе результаты разрушающего действия воды, ветра, землетрясений, снежных лавин и т. п., человек издавна реализовал элементы мониторинга, накапливая опыт предсказания погоды и стихийных бедствий. Такого рода знания всегда были и сейчас остаются необходимыми для того, чтобы по возможности снизить ущерб, причиняемый человеческому обществу неблагоприятными природными явлениями и, что особенно важно, уменьшить риск человеческих потерь. Последствия большинства стихийных бедствий необходимо оценивать со всех сторон. Так, ураганы, разрушающие постройки и приводящие к человеческим жертвам, как, правило, приносят обильные осадки, которые в засушливых районах дают значительный прирост урожаев. Поэтому организация мониторинга требует углублённого анализа с учётом не только экономической стороны вопроса, но и особенностей исторических традиций, уровня культуры каждого конкретного региона.

Под экологическим мониторингом следует понимать организованный мониторинг окружающей природной среды, при котором, во-первых, обеспечивается постоянная оценка экологических условий среды обитания человека и биологических объектов (растений, животных, микроорганизмов и т. д.), а также оценка состояния и функциональной ценности экосистем, во-вторых, создаются условия для определения корректирующих воздействий в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются.

Основная цель экологического мониторинга состоит в обеспечении системы управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью своевременной и достоверной информацией, позволяющей: оценить показатели состояния функциональной целостности экосистем и среды обитания человека; выявить причины изменения этих показателей и оценить последствия таких изменений, а также определить корректирующие меры в тех случаях, когда целевые показатели экологических условий не достигаются; создать предпосылки для определения мер по исправлению создающихся негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб.

Основные задачи экологического мониторинга, рисунок 2.1:

- наблюдение за источниками антропогенного воздействия;

- наблюдение за факторами антропогенного воздействия;

- наблюдение за состоянием природной седы и происходящими в ней процессами под влиянием факторов антропогенного воздействия;

- оценка фактического состояния природной среды;

- прогноз изменения состояния природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

Рис.2.1 Блок-схема системы мониторинга

Оперативный мониторинг предназначен для отслеживания информации в режиме реального времени, например, в течение дня.

Преимущество оперативного мониторинга заключается в том, что мы всегда в курсе всех интересующих нас событий и можем получать возможность не только наблюдать за их развитием, но и активно влиять на их ход. Оперативный мониторинг также очень важен для аналитиков, которые занимаются краткосрочным прогнозированием.

Таким образом, мониторинг - это наблюдение, анализ и оценка состояния окружающей среды, её изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека, а также прогнозирование этих изменений.

2.3 Структура мониторинга окружающей среды

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями, мониторинг включает несколько основных процедур:

- выделение (определение) объекта наблюдения;

- обследование выделенного объекта наблюдения;

- составление информационной модели для объекта наблюдения;

- планирование измерений;

- оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели;

- прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения;

- представление информации в удобной для пользователя форме и доведение ее до потребителя.

Следует принять во внимание, что сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации.

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию:

- о состоянии окружающей среды;

- о причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т.e. об источниках и факторах воздействия);

- о допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

- о существующих резервах биосферы.

Соответственно, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

Экологические мониторинги окружающей среды могут разрабатываться на уровне промышленного объекта, города, района, области, края, республики в составе федерации.

Характер и механизм обобщения информации об экологической обстановке при ее движении по иерархическим уровням системы экологического мониторинга определяются с помощью понятия информационного портрета экологической обстановки. Последний представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределенных данных, характеризующих экологическую обстановку на определенной территории.

Таким образом, структура экологического мониторинга включает в себя несколько основных процедур: выделение (определение) объекта наблюдения, обследование выделенного объекта наблюдения, составление информационной модели для объекта наблюдения, представление информации в удобной для пользователя форме и доведение ее до потребителя, оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели, прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения и планирование измерений.

2.4 Классификация мониторинга

Мониторинг принято делить на: базовый (или фоновый), глобальный, региональный, локальный, импактный.

Базовый мониторинг (синоним - фоновый) - слежение за общими, в основном природными, явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний. Биосферный мониторинг - наблюдения за глобально-фоновыми изменениями в природе: степенью радиации; наличием в атмосфере СО2, О3; ее запыленностью; циркуляцией тепла; газовым обменом между океаном и воздушной оболочкой земли; мировой миграцией птиц, животных, растений и насекомых; погодно-климатическими изменениями на планете.

Фоновое глобальное состояние биосферы изучают на так называемых фоновых станциях, которые организованны в ряде стран на базе биосферных заповедников. Фоновое состояние среды в прошлом можно реконструировать с помощью анализа колец деревьев, газовых слоев ледников и донных отложений.

Глобальный мониторинг - слежение за общемировыми процессами и явлениями в атмосфере Земли, включая все ее экологические компоненты и предупреждение о возникающих экстремальных ситуациях.

Региональный мониторинг - слежение за процессами и явлениями в пределах какого-то региона, где эти процессы и явления могут отличаться и по природному характеру, и по антропогенным воздействиям от базового фона, характерного для всей атмосферы. Региональный мониторинг дает оценку антропогенного влияния на природную среду в ходе обычной хозяйственной деятельности человека, которая обязательно предполагает тот или иной вид взаимодействия с природой, (градостроительство, сельское хозяйство, энергетика, и т.д.)

При региональном мониторинге оценивают взаимодействие человека и природы в различных отраслях народного хозяйства, дают характеристику общего нарушения природной среды, приноса и выноса из природных систем веществ и энергии. Региональный мониторинг проводят агрослужба, гидроклиматическая, лесоустроительная, сейсмологическая и другие службы.

Локальный мониторинг осуществляет контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ и других загрязнителей в атмосфере, природных водах, растительности, почве, подверженных воздействию конкретных источников загрязнения. При локальном мониторинге состояние окружающей среды оценивается с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, емким и комплексным показателем состояния окружающей среды. Проводят локальный мониторинг природоохранные службы предприятий.

Импактный мониторинг (мониторинг источников антропогенного воздействия) - мониторинг региональных и локальных антропогенных воздействий в особо опасных зонах и местах. Под источником антропогенного воздействия следует понимать источники эмиссии (выделения) веществ, энергии и излучений в природные среды, а также изъятие природных ресурсов, нарушение естественной структуры и их составляющих

По методам ведения и объектам наблюдения выделяются, например: авиационный, космический, окружающей человека среды, агроценозов, леса.

Авиационный мониторинг - мониторинг, осуществляемый с самолетов, вертолетов и др. летательных аппаратов (воздушные шары, дирижабли и т.п.), не поднимающихся на космические высоты (в основном в пределах тропосферы).

Космический мониторинг - мониторинг с помощью космических средств наблюдения (часто авиационный и космический мониторинги объе-\диняют в дистанционный, добавляя получение данных от приборов расположенных в труднодоступных местах без постоянного присутствия человека).

Мониторинг окружающей (человека) среды - слежение за состоянием окружающей человека природной среды и предупреждение о создающихся критических ситуациях вредных или опасных для здоровья людей и других живых организмов.

Автоматизированная система экологического мониторинга - комплекс технических средств, программно-методического обеспечения и персонала, осуществляющая сбор, анализ, обработку, прогноз и отображение экологической обстановки.

Таким образом, мониторинг принято делить на базовый (или фоновый), глобальный, региональный, локальный и импактный.

2.5 Проектирование систем мониторинга как основа их эффективного функционирования

В публикациях последних лет отмечается большое значение стадии проектирования (или планирования) для эффективной работы системы мониторинга. Подчеркивается, что предложенные в них схемы или структуры проектирования сравнительно легко применимы для простых, локальных систем мониторинга, вместе с тем проектирование национальных систем мониторинга сталкивается с большими трудностями, связанными с их сложностью и противоречивостью. Суть проектирования системы мониторинга должна заключаться в создании функциональной модели их работы или в планировании всей технологической цепочки получения информации, где о качестве воздуха от постановки задач до выдачи информации потребителю для принятия решений. Поскольку все этапы получения информации тесно связаны между собой, недостаточное внимание к разработке какого-либо этапа неизбежно приведет к резкому снижению ценности всей получаемой информации. На основании анализа построения национальных систем сформулированы основные требования к проектированию таких систем. Эти требования должны предусматривать следующие пять основных этапов:

1) определение задач систем мониторинга качества воздуха и требований к информации, необходимой для их выполнения;

2) создание организационной структуры сети наблюдений и разработка принципов их проведения;

3) построение сети мониторинга;

4) разработка системы получения данных/информации и представления информации потребителям;

5) создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы мониторинга.

При проектировании систем мониторинга необходимо помнить, что его результаты в значительной степени зависят от объема и качества исходной информации. Она должна включать как можно более подробные данные о пространственно-временной изменчивости показателей качества воздуха, биоты, донных отложений, должна содержать подробные сведения о видах и объемах хозяйственной деятельности на водосборах, включая данные об источниках загрязнения. Кроме того, необходимо опираться на все законодательные акты, связанные с контролем и управлением качеством воды, учитывать финансовые возможности, общую физико-географическую обстановку, основные способы управления качеством воды и другие сведения.

1) Определение задач систем мониторинга качества воздуха и требований к информации, необходимой для их выполнения. Роль первого этапа в настоящее время недооценивается, что является причиной многих отмеченных выше недостатков. Для определения требований к информации по качеству воздуха необходима большая детализация и взаимоувязка поставленных задач. Важную роль при этом играет формулирование как можно более четкого представления о качестве воздушной среды и способах его оценки. На основании четко сформулированных задач, а также с учетом ранее накопленных данных о качестве воздуха, должны определяться требования к информации, включая тип, форму и сроки ее представления потребителям. На первом этапе проектирования должны быть выбраны основные статистические методы обработки данных, так как от них в значительной степени зависит частота и сроки наблюдений, а также требования к точности получаемых значений.

2) Создание организационной структуры сети наблюдений и разработки принципов их проведения. Это основной и наиболее сложный этап, на котором с учетом поставленных задач и имеющегося опыта функционирования системы мониторинга определяются структурные основные подразделения сети наблюдений, в том числе центральное и региональные (и/или проблемные), с указанием их основных задач. Предусматриваются меры по соблюдению оптимального соотношения между видами наблюдательных сетей, включая наблюдения на стационарных пунктах, действующих длительное время по относительно неизменной программе, региональные краткосрочные обследования для выявления пространственных аспектов загрязнения, а также интенсивные локальные наблюдения в областях, представляющих наибольший интерес. На этом этапе решается вопрос о целесообразности и масштабах использования автоматизированных, дистанционных и других подсистем мониторинга качества воздуха. На втором этапе разрабатываются также общие принципы, проведения наблюдений. Они могут представляться; в виде методических рекомендации или руководств по проведению ряда мероприятий:

- организации пространственных аспектов наблюдений (выбор мест расположения пунктов контроля, их категория в зависимости от важности объекта и его состояния; определения расположения наблюдательных створов, вертикалей, горизонтов и т. д.);

- составлению программы наблюдений (намечается, какие показатели, в какие сроки и с какой частотой наблюдать, при этом даются рекомендации по соотношению физических, химических и биологических показателей для типичных ситуаций);

- организации системы контроля правильности выполнения работ и точности полученных результатов на всех этапах.

3) Построение сети мониторинга. Данный этап предусматривает реализацию на основе предложенной организационной структуры сети разработанных ранее принципов проведения наблюдений с учетом специфики местных (региональных) условий. Уточняется соотношение видов наблюдательных сетей, устанавливаются места расположения пунктов в стационарной сети, выделяются области интенсивных наблюдений. Составляются конкретные программы для каждого пункта и вида наблюдений, регламентирующие перечень изучаемых показателей, частоту и сроки их наблюдения. При наличии автоматизированных и/или дистанционных наблюдений за качеством воздуха уточняются программы их работ.

4) Разработка системы получения данных информации и представления информации потребителям. На этом этапе определяются особенности иерархической структуры получения и сбора информации: пункты наблюдений - региональные информационные центры - общенациональный информационный центр. Планируется разработка банков данных по качеству воздуха, и определяются виды и условия представления информационных услуг, выполняемых с их помощью. Дается детальная характеристика основных информационных форм, публикуемых в виде докладов, отчетов, обзоров и описывающих состояние качества воздуха на территории страны за определенный период времени. Предусматриваются также процедуры контроля точности и правильности получения данных на всех этапах работ.

5) Создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы мониторинга. После создания системы мониторинга и начала ее функционирования появляется необходимость проверить, отвечает ли полученная информация исходным требованиям к ней. Если получаемая информация соответствует предъявляемым к ней требованиям, систему мониторинга можно оставить без изменений. В случае если эти требования не выполняются, а также при появлении новых задач система мониторинга нуждается в пересмотре.

Таким образом, основные требования, выдвигаемые к проектированию систем мониторинга - это определение задач систем мониторинга качества воздуха и требований к информации, необходимой для их выполнения, создание организационной структуры сети наблюдений и разработка принципов их проведения, построение сети мониторинга, разработка системы получения данных/информации и представления информации потребителям, создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы мониторинга.

Выводы раздела 2

1) Основными нормативными документами, регламентирующими защиту окружающей среды и здоровье человека, являются Конституция Украины, законы Украины «Об охране окружающей природной среды» и «Об охране атмосферы»;

2) Мониторинг - это наблюдение, анализ и оценка состояния окружающей среды, её изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека, а также прогнозирование этих изменений;

3) Структура экологического мониторинга включает в себя несколько основных процедур: выделение (определение) объекта наблюдения, обследование выделенного объекта наблюдения, составление информационной модели для объекта наблюдения, представление информации в удобной для пользователя форме и доведение ее до потребителя, оценка состояния объекта наблюдения и идентификации его информационной модели, прогнозирование изменения состояния объекта наблюдения и планирование измерений;

4) Мониторинг принято делить на базовый (или фоновый), глобальный, региональный, локальный и импактный;

5) Основные требования, выдвигаемые к проектированию систем мониторинга - это определение задач систем мониторинга качества воздуха и требований к информации, необходимой для их выполнения, создание организационной структуры сети наблюдений и разработка принципов их проведения, построение сети мониторинга, разработка системы получения данных/информации и представления информации потребителям, создание системы проверки полученной информации на соответствие исходным требованиям и пересмотра, при необходимости, системы мониторинга.

РАЗДЕЛ 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАГРЯЗНЕНИЯ

3.1 Моделирование процесса загрязнения атмосферы промышленными источниками

Рассмотрим биосферные процессы распространения загрязнений от одиночных промышленных источников, особенное внимание, уделяя изучению санитарно - гигиеничных ситуаций из-за особо опасных условий загрязнения [5].

В общем случае смена средних значений концентрации U описывается уравнением

(3.1)

где оси x и y размещены в горизонтальной плоскости; ось z - по вертикали ; t - время; V,P,W - составляющие средней скорости перемещения примесей относительно направления осей x, y, z; - горизонтальные и вертикальные составляющие коэффициента обмена; - коэффициент, который определяет смену концентрации за счет превращения примесей.

Однако, загрязнение атмосферы в городе в случае безинверсийного состояния воздушного бассейна может быть незначительным и не требует особенных способов для защиты населения.

Другая ситуация возникает из-за неприятных метеорологических условий (температурных инверсий при слабом ветре и штилевой погоде). Учет неприятных метеорологических условий принадлежит к числу малоисследованных вопросов.

Во время возникновения инверсий температура воздуха в приземном слое растет, а не падает, как в случае стойкой термической стратификации атмосферы. Перемешивание происходит слабо, а нижняя часть инверсионного слоя играет роль экрана, от которого частично или полностью отражается факел загрязняющих веществ, и в приземном слое растет концентрация вредных примесей к значениям, опасным для здоровья и жизни людей.

Теоретические модели расчета загрязнения атмосферного воздуха не отображают всего множества факторов, которые влияют на загрязнение от промышленного источника в экстремальных ситуациях, а являются только приближенными моделями, которые требуют сложных дополнительных исследований (теоретических и экспериментальных) для определения коэффициентов моделей и параметров процесса в случае их использования на практике. Экстремальные условия вследствие загрязнения, которые возникают при приземных инверсиях в атмосфере и отсутствии турбулентного обмена, описываются частным случаем общего уравнением диффузии. Однако, именно такие условия являются самыми опасными для здоровья человека и должны быть объектом гигиенических прогнозов в случае планирования размещения зон промышленных предприятий.

Для осуществления этой цели возникает необходимость создания уравнений прогноза на принципах самоорганизации, которые имеют следующие преимущества:

- структуру уравнения прогноза и коэффициенты моделей алгоритма находят по данным натурных наблюдений концентрации загрязняющих веществ при соответствующих условиях, что обеспечивает значительное уточнение модели;

- используется теоретическая информация о классе операторов, а конечные формулы расчета в виде конечных операторов являются простыми и дают возможность обозначить санитарно - гигиенические зоны предприятий.

Соответственно данной методике сначала определяют теоретические модели в виде дифференциальных операторов и их полуимперические аналоги с использованием данных наблюдений, а потом проверяют их адекватность при расчете концентраций с данными, которые не принимают участие в идентификации.

Теоретической моделью распространения примесей от одиночного источника является уравнение диффузии в цилиндрических координатах:

(3.2)

В случае одиночного точечного источника с учетом в самом общем виде уравнение (3.2) имеет вид:

(3.3)

где M - масса выброса за единицу времени; r - расстояние от источника; z - расстояние по вертикали; - угол поворота относительно оси; - функции:

(3.4)

Как видно из уравнения (3.3), источник загрязнения расположен в точке r=0 на высоте H. В точке, отличной от r=0, уравнение имеет вид:

(3.5)

Проведем перерез по линии максимального загрязнения вдоль факела на высоте :

 (3.6)

и уравнение диффузии (3.3) превращается в одномерное:

(3.7)

Заметим, что функции , , в общем случае - также функции высоты расположения источника H, т.е.; ; .

Структура уравнения (3.7) является исходной для идентификации разностных аналогов - моделей загрязнения атмосферы от промышленных источников.

Натурные наблюдения за выбросами промышленных предприятий были использованы для построения уравнений распространение отдельных ингредиентов, и они положены в основу практической проверки моделей.

Синтез уравнения для прогнозирования максимального уровня загрязнения пылью:

Для аппроксимации функций , , использовали выражения:

(3.8)

(3.9)

,

где - линейные функции.

Производные запишем в виде соответствующей разницы:

; (3.10)

Тогда структуру разностного оператора необходимо отыскать в классе линейных операторов F:

(3.11)

где - концентрация загрязняющего вещества в i - точке; - расстояние за радиусом от начала координат до i - точки.

По данным исследований в разных городах Украины были аппроксимированы непрерывные кривые наблюдений загрязнений. За комбинаторным алгоритмом добыта модель:

, (3.12)

где ; ; - концентрация пыли (максимальное значение в i точке).

Таким образом, методика определения качества атмосферного воздуха на территории города заключается в расчете концентрации загрязняющего вещества до тех пор, пока концентрация не примет значения предельно - допустимые для данного вещества.

3.2 Определение концентрации угольной пыли

Таким образом, по формуле (3.12) мы можем определить концентрацию угольной пыли в зависимости от расстояния до источника. Для определения процессов пылеобразования при перегрузке и хранении угля, мы используем следующие математические модели, приведенные в таблице 3.1 [6].

Таблица 3.1 Математические модели процесса пылеуноса и запыленности воздуха, полученные для угля

Способ перегрузки и хранения	запыленность воздуха, мг/м3
Грейферные краны
Конвейерные установки
Открытый трюм судна
Полувагон

где - скорость ветрового потока в относительных единицах;

- относительное направление ветрового потока.

Скорость ветрового потока мы определяем относительно среднестатистического значения, полученного для города Севастополя. В данной математической модели мы рассматриваем четыре сезона: зима, лето, осень, весна. Каждый сезон имеет свою среднестатистическую скорость ветрового потока, приведенную в таблице 3.2 [1].

Таблица 3.2 Средняя скорость ветра (м/с)

	Зима	Лето	Весна	Осень
Скорость ветра	5,47	4,6	4,07	4,43

Таким образом, для определения мы используем формулу:

(3.13)

где а - среднестатистическая скорость ветрового потока в данный сезон, м/с;

b - скорость ветрового потока в данный момент времени, м/с.

Так как считается, что при скорости ветра до 3 м/с ветровой поток почти не ощутим, на нашу модель накладываются ограничения, т.е. наша математическая модель может рассчитывать концентрацию угольной пыли, начиная со скорость ветра 3 м/с.

Для определения относительного направления ветрового потока мы используем формулу:

(3.14)

где с - среднестатистическое направление ветрового потока, град. (приведена в таблице 3.3);

d - направление ветрового потока в данный момент времени, град.

Таблица 3.3 Направление ветра

	Зима	Лето	Весна	Осень
Направление, град	45	45	45	45

Следовательно, в течение года в Севастополе преобладает северо-восточный ветер, 45 градусов.

Таким образом, для определения концентрации за один цикл работы необходимо выбрать способ перегрузки и хранения угольной пыли, время года, скорость и направление ветра.

3.3 Пример расчета концентрации угольной пыли

Для расчета рассмотренной нами выше математической модели, мы выберем исходные данные. Предположим, что:

- время года - лето;

- скорость ветра - 4 м/с;

- направление ветрового потока - 45 градусов;

- способ перегрузки и хранения - суммарная составляющая от грейферных кранов, конвейерных установок, открытого трюма судна и полувагон.

Так как время года - лето, найдем по формуле (3.13):

Аналогично найдем , формула (3.14):

Тогда для расчета концентрации мы воспользуемся таблицей 3.1 и получим:

1) Грейферные краны - мг/м3;

2) Конвейерные установки - мг/м3;

3) Открытый трюм судна - мг/м3;

4) Полувагон - мг/м3.

Для нахождения общей концентрации за один цикл работы необходимо концентрации суммировать. В итоге мы получим 88,04 мг/м3 , что явно не соответствует предельно - допустимым нормам. А таких циклов предполагается до 800 в сутки.

Теперь необходимо рассмотреть, как же далеко будет распространяться угольная пыль. Для расчета воспользуемся формулой (3.12):

,

где =68,04; =88,04 ; ; .

Таким образом, рассчитывая концентрацию ЗВ даже при небольшой скорости ветрового потока, мы получим, что пыльное угольное облако распространится на 3 км, что негативно скажется и на здоровье севастопольцев, и изменит микроклимат города.

3.4 Последствия работы строительства предлагаемого угольного терминала

Последствия работы строительства угольного терминала имеет ряд последствий [2]:

Экологические:

1) Около 15-20 квадратных километров земель лесного фонда, сельскохозяйственного и рекреационного назначения Севастополя могут стать фактически не пригодными к использованию по назначению из-за сопутствующего загрязнения воздуха, почв, а также акустического и вибрационного воздействия ЖД и автотранспорта, обслуживающего УПК;

2) Дноуглубительные работы по линии проводного канала до причала УПК и последующие ежегодные ремонтные черпания из-за перераспределения взвеси и растворенных в донных отложениях загрязнителей ухудшают экологическое состояние Севастопольской бухты. Снижаются возможности использования бухты для рекреации, любительского рыболовства, марикультуры и морского фермерства;

3) Не учтены последствия загрязнения воздуха и вод от пребывания на рейде, перемещения по бухте, разгрузки-погрузки, стоянок около 500 крупнотоннажных судов, слива льяльных вод, пополнения запасов топлива, продовольствия, воды;

4) Санитарно-защитная зона (СЗЗ) величиной 300 метров определена разработчиком без учета работы транспорта всех видов и полной номенклатуры и объемов существующего и предполагаемого грузооборота, а также без учета фоновых показателей загрязнения промышленной и санитарно-защитной зон предприятия и, в том числе УПК. С учетом всех факторов и показателей СЗЗ нормативно должна составлять для такого портового предприятия не менее 1000 метров;

5) Для туристов и жителей города снизится ландшафтная привлекательность центральной части Севастополя и Северной стороны, купание в местах отдыха на побережье Севастопольской бухты и использование в пищу объектов любительского рыболовства в бухте могут стать еще более опасными для здоровья;

Социальные:

1) В районах, прилегающих к рабочим и транспортным зонам рассмотренного комплекса, санитарно-гигиенические показатели даже при уже действующих мощностях нарушаются, что делает условия обитания населения хуже допустимых по законодательству норм, и делает проект не возможным к реализации, поскольку для обустройства такой СЗЗ необходимо отселить два микрорайона Северной стороны Севастополя;

2) Предлагаемая деятельность может существенно ограничить в Севастополе все виды деятельности, связанные с использованием морского и ЖД транспорта, рекреацией и туризмом;

3) Абсолютное большинство населения Севастополя - около 99% (результаты индикативного опроса Общественного мнения по проблеме строительства УПК прилагаются), выступает против строительства УПК, и, прежде всего, против угольного терминала в его составе.