Коломна-2008: Влияние факторов, связанных с методикой расчета

Оглавление

В данном документе рассмотрены различные факторы, влияющие на расчетные концентрации. Эти факторы можно учитывать, а можно и не учитывать (последнее мы называем «наивным» расчетом). Их учет позволяет приблизить расчетные концентрации к физически реалистичной ситуации – это обычно ведет к снижению расчетных значений. Поэтому, хотя эти факторы вносят дополнительные сложности в расчет, мы проводим тест на величину их воздействия на окончательный результат, и если она достаточно существенна (ориентировочно – изменяет концентрации в 2 раза), мы включаем соответствующий фактор в основной вариант расчета (см. основной документ).

1. Эффект перехода от шлейфа к клубу.

Большая часть источников, даже залповых, действует достаточно долго, чтобы образовался устойчивый шлейф на интересующих нас расстояниях – до 3-5 км. Исключение – взрывработы на известняковых карьерах. Продолжительность их выброса (по данным Песковского карьера) – 500 с. В результате начавший формироваться шлейф отрывается от источника и превращается в «клуб», который рассеивается и вдоль направления ветра, а не только поперек, как шлейф.

Таблица 1 Коэффициент уменьшения концентрации пыли от взрывных работ на Приокском карьере (источник 6019_1) при учете перехода от шлейфа к клубу длительностью 500 с. Цветокод: красный цвет = 1 (нет уменьшения).

	Устойчивость = 1	Устойчивость = 6
V=1
V=2

Таблица 1 показывает коэффициент уменьшения концентрации в клубе по сравнению с аналогичным шлейфом при 4 комбинациях метеоусловий для одного источника, взятого в качестве примера. Взяты малые скорости ветра, так как именно с ними связана наибольшая опасность от приземных источников, какими являются взрывработы. Как раз при них эффект перехода от шлейфа к клубу наиболее выражен. Цветокод отображает отношение концентрации в клубе к аналогичной концентрации в шлейфе. Таким образом, красный цвет – отсутствие ослабления в клубе сравнительно со шлейфом, а сине-фиолетовые тона – большое ослабление. Видно, что при высоких категориях устойчивости эффект ослабления концентрации в клубе уменьшается. Это неудачно, так как именно с этими категориями устойчивости связана наибольшая опасность от приземных источников. Однако при них клуб рассеивается слабо и создает по пути своего прохождения пиковые концентрации, сравнимые с шлейфом. Тем не менее, косвенно эффект клуба проявляется и в этом случае: хотя концентрации почти те же, что в шлейфе, но время их воздействия значительно меньше. Оно оценено ниже и составляет обычно минуты – десятки минут. Поэтому эффект клуба должен быть учтен также и путем принятия для оценки риска более высоких референтных концентраций, чем RFCостр, соответствующих меньшему времени воздействия. К сожалению, как отмечено в документе с обзором исходных данных, такие референтные концентрации нам удалось получить только для диоксида азота, да и то для времени воздействия 1 час. Поэтому воздействием оксида азота и пыли пришлось пренебречь, хотя это не менее важные загрязнители, чем диоксид азота. Правда, эффект такого отбрасывания меньше, чем может показаться на первый взгляд, поскольку, как представляется, референтная концентрация для времени воздействия в минуты – первые десятки минут должна быть значительно больше, чем обычная RFCостр, особенно для пыли. Кроме того, это отбрасывание в какой-то мере компенсируется преувеличением токсичности диоксида азота на этих временах воздействия.

Для расчета концентраций в клубе мы использовали идеологию известной модели рассеяния клуба CALPUFF. Для того, чтобы состыковать ее с лежащей в основе наших расчетов моделью ISC3ST, мы представили эффект клуба как коэффициент ослабления концентраций в нем сравнительно с гауссовым шлейфом. Пока клуб не оторвался от источника, этот коэффициент равен единице. После отрыва он равен

,

где T – продолжительность выброса, u – скорость ветра, x – расстояние до источника, - горизонтальная дисперсия по Паскиллу-Гиффорду, используемая и в ISC3ST и зависящая от x. Эта формула, в сущности, линейное приближение, показывающее, что объем клуба растет после отрыва от источника от начального значения, пропорционального Tu, с темпом на единицу пройденного клубом расстояния. Например, для Tu = 1 (скажем, продолжительность выброса 500 с и скорость ветра 2 м/с) получаем следующий ход с расстоянием для ослабления клуба сравнительно со шлейфом (взяты два предельных случая для устойчивости).

Таблица 2 Коэффициент снижения концентраций в клубе сравнительно с гауссовым шлейфом в зависимости от расстояния до источника и категории устойчивости.

Расстояние, км	1	3	5	10
Устойчивость 1	1	2	3	5.5
Устойчивость 6	1	1.2	1.4	1.7

Этот подход позволяет оценить размер клуба и время его воздействия. Условно возьмем начальный размер облака частиц пыли, поднятого взрывом, равным 40х40х40 м. Это более или менее соответствует как отечественным, так и зарубежным данным по взрывработам на карьерах (см. источники в документе об исходных данных). Тогда для наиболее проблемной ситуации - 6 категории устойчивости и скорости ветра 1 м/с – размер облака будет расти по мере его переноса ветром с расстоянием от источника следующим образом. (Для упрощения предполагаем мгновенный отрыв облака от источника, т.е. T=0).

Таблица 3 Размеры клуба, м: вдоль направления ветра, поперек по горизонтали и по вертикали в зависимости от расстояния, пройденного клубом от источника.

Расстояние, км	1	3	5	10
Δ x	70	130	190	350
Δ y	70	130	190	350
Δ z	45	65	75	90

Отсюда в порядке огрубленной оценки получаем следующее. Примем массу выброшенных взрывом оксидов азота равной 20 кг (это примерно соответствует данным для Песковского карьера). В начальный момент концентрация в облаке, если считать ее равномерно распределенной по всему объему,– около 300 мг/м³. На расстоянии 1 км она уменьшится до 100 мг/м³, на расстоянии 3 км – до 20 мг/м³, на расстоянии 5 км – до 7 мг/м³, на расстоянии 10 км – до 2 мг/м³. Как видим, даже на таких значительных расстояниях концентрации намного превосходят RFCостр как для оксида, так и для диоксида азота. Однако время воздействия составляет всего 2-3 мин на наиболее типичных расстояниях (3-5 км) даже в наихудшем случае - при скорости ветра 1 м/с.

Разумеется, все эти расчеты – для одних, конкретных метеоусловий. Таблица 4 представляет эффект перехода от шлейфа к клубу применительно к максимальной разовой концентрации пыли по совокупности годовых метеоусловий. Видно, что эффект достаточно значительный: 1.5 – 2 раза, а для многих территорий – и выше. Поэтому мы считали необходимым учесть эффект клуба в основном расчете для взрывов.

Таблица 4 Максимальные разовые концентрации пыли от взрывных работ на Приокском карьере (источник 6019_1) при учете перехода от шлейфа к клубу и без учета. Без учета оседания частиц. Цветокод: максимум (красный цвет) = 1 мг/м3 = 3.3 RFCостр.

Без учета перехода от шлейфа к клубу.

С учетом перехода от шлейфа к клубу.

2. Эффект оседания частиц.

Как изложено в документе «Обзор исходных данных», в разделе об учете спектра размеров частиц пыли, мы учитываем оседание частиц пыли только для двух источников с залповым характером действия: печей обжига цемента в режиме розжига и взрывработ на карьерах. Важные постоянные источники – открытые склады и отвалы пылящих материалов – рассчитаны без учета оседания из-за отсутствия исходных данных о спектре размеров частиц, от которого чрезвычайно существенно зависит характер оседания. В результате, вероятно, концентрации пыли преувеличены для характерных расстояний от источника до жилого района в диапазоне 1-3 км.

Таблица 5 позволяет оценить этот эффект в зависимости от предполагаемого размера частиц (он принят одинаковым для всех частиц). Эта форма представления данных используется и далее. По абсциссе каждого рисунка – расстояние вдоль оси факела от источника в диапазоне 0-10000 м. Строки по ординате соответствуют разным метеоусловиям. В подписях справа от рисунка идут скорость ветра, м/с, высота инверсии, категория устойчивости (1-6). Нереализуемые физически комбинации метеоусловий не показаны (на других подобных диаграммах им соответствуют пустые строки). 6 выделяющихся групп строк сверху вниз соответствуют категориям устойчивости от 1 до 6, а строки внутри каждой группы – росту скорости ветра (сверху вниз). Концентрация показана цветокодом.

Таблица 5 Влияние размера частиц пыли (он предполагается одинаковым) на концентрации для склада пылящих материалов 6008 (Щуровский цемзавод). Неровность поверхности 0.2 м. Максимум цветокода (красный цвет) 3 мг/м3.

Без осаждения	Частицы размером 10 мкм
Частицы размером 20 мкм	Частицы размером 50 мкм

Видно, что даже для самых мелких из рассмотренных частиц эффект осаждения не приводит к росту концентрации на расстояниях свыше 1 км. Это наглядно показывает Рисунок 1. Видно, что на интересующих нас расстояниях неучет осаждения приводит к завышению концентрации, грубо говоря, вдвое. Для более крупных частиц этот эффект еще больше, так как они выпадают на землю еще ближе к источнику. Напомним, что истинного размера частиц для этих источников мы не знаем, точнее, не знаем, к какому предельному размеру относятся цифры выбросов, приведенные в ПДВ.

Рисунок 1 Отношение концентрации пыли с учетом осаждения к концентрации без учета осаждения для склада пылящих материалов 6008 (Щуровский цемзавод). Размер частиц пыли 10 мкм. Неровность поверхности 0.2 м. Показаны удаления от источника до 2000 м. Максимум цветокода (красный цвет) 1.

Примерно таково же влияние осаждения на частицы пыли от взрывработ на карьерах. Это тоже холодные приземные источники. О размерах частиц пыли для этих источников см. обзор исходных данных.

К другой категории источников, для которой мы рассматриваем осаждение частиц, - розжигов цементных печей – эти результаты неприменимы: это высокие трубы с горячим выбросом. Мы повторили для них оценки влияния размеров частиц (Таблица 6). Видно, что поведение шлейфа при размере частиц 50 мкм и более принципиально другое, чем для холодных приземных источников. Как раз в интересующем нас диапазоне расстояний от источника возникает зона значительно повышенных концентраций по сравнению со случаем более мелких частиц или вообще отсутствием осаждения. Этот эффект связан с тем, что именно в этом диапазоне расстояний оседание частиц «смещает» вниз шлейф, так что он касается земли, а выпадение частиц на землю еще не успевает обеднить шлейф и снизить приземные концентрации. Особенно сильно выражен этот эффект для высоких категорий устойчивости.

Таблица 6 Влияние размера частиц пыли (он предполагается одинаковым) на концентрации для случая розжигов. Неровность поверхности 0.2 м. Максимум цветокода (красный цвет) 1 мг/м3.

Частицы размером 10 мкм	Частицы размером 20 мкм
Частицы размером 50 мкм	Частицы размером 100 мкм

Следует заметить, что все указанные результаты опираются на расчет дополнительных метеопараметров по сравнению со стандартным подходом, не учитывающим осаждения частиц. См. об этом подробнее в обзоре исходных метеорологических данных. В способе расчета этих дополнительных параметров есть определенная степень свободы выбора модели. Чтобы оценить, как она влияет на результирующие концентрации, мы выполнили расчет для двух значений наиболее объективно оцениваемого из указанных параметров – величины средней неровности поверхности (Таблица 7). Видно, что в рассматриваемом диапазоне неровности 0.1 – 0.2 м влияние этого параметра незначительно. Отметим, что такими низкими значениями неровности мы пользуемся именно для рассматриваемых в данном разделе источников, расположенных вдали от городской застройки. Для основного корпуса расчетов (см. основной документ) мы пользуемся величиной неровности 1 м, рекомендованной EPA для применения к городским территориям.

Таблица 7 Влияние средней неровности поверхности на оседание пыли. Для случая выбросов при розжиге. Абсцисса: расстояние от источника, м, ордината: метеоусловия.

Средняя неровность 0.2 м

Средняя неровность 0.1 м

Все вышеуказанные результаты получены для модельной ситуации «1 источник – концентрации на оси факела». Чтобы оценить влияние учета осаждения для реальной совокупности метеоусловий и взаимного расположения источников и рецепторов мы выполнили расчет максимальных разовых концентраций для взрывработ на Приокском карьере (Таблица 8). Оценивается разница между концентрациями, полученными с учетом осаждения частиц известковой пыли и без. О предполагаемом спектре частиц этой пыли см. обзор исходных данных.

Таблица 8 Максимальные разовые концентрации пыли от взрывных работ на Приокском карьере (источник 6019_1) при учете оседания частиц и без учета. Цветокод: максимум (красный цвет) = 1 мг/м3 = 3.3 RFCостр.

Без оседания

С оседанием

Как видно, в результате учета оседания частиц концентрации в наиболее близких к источнику районах (Колычево, Поляны и др.) падают в 2-3 раза. Это подтверждает необходимость учета рассматриваемого эффекта в основном расчете.

3. Эффект учета залпового характера выброса

Нами было проведено исследование вкладов отдельных источников в максимальные разовые концентрации и установлено, что две группы существенных источников имеют выраженный залповый характер (см. основной документ, раздел «Скрининг»). Это взрывработы на карьерах и розжиги цементных печей. В методическом разделе основного документа изложены подходы к расчету концентраций от таких источников. В данном разделе на примере взрывработ на Приокском карьере мы сравниваем два основных подхода – метод Монте-Карло и метод урезания гистограмм – и оцениваем эффект, который имеет применение этих методов по отношению к итоговой величине максимальных разовых концентраций.

Цель всех методов коррекции залпового характера выброса – избежать преувеличения концентраций, возникающего за счет маловероятного совпадения момента пикового выброса с моментом наиболее неблагоприятных метеоусловий. При этом необходимо сохранить и для залповых источников более или менее симметричный (с учетом неравномерности розы ветров) характер создаваемого ими поля концентраций.

Наиболее прямолинейный со статистической точки зрения метод Монте-Карло выбирает момент выброса случайным образом соответственно вычисляемому по данным ПДВ числу «включений» в год залпового источника. При большом числе включений симметричное поле концентраций получается само собой. При малом числе включений, характерном, например, для розжигов, однократное применение метода Монте-Карло дает деформированное поле концентраций, соответствующее тому направлению ветра, на которое попал случайно выбранный момент (или моменты) выброса. Для работ, ориентированных на влияние источников на здоровье населения, такой результат неприемлем. Чтобы получить более или менее симметричное поле концентраций, приходится повторять эксперимент по методу Монте-Карло много раз (по нашему опыту – около 100 раз) и усреднять результирующие поля концентраций. Поэтому, будучи методологически корректным, этот подход чрезвычайно требователен к вычислительным ресурсам. Мы применяем его только в этом разделе, как некий ориентир, но не в основном варианте расчета.

Основным методом, применяемым в данной работе, является метод урезания гистограмм разовых концентраций. Сначала расчет проводится так, как будто залповый источник был постоянно включен, и в каждой расчетной клетке строится гистограмма разовых концентраций в этой клетке за год. Работа источника в залповом режиме представляется как случайная выборка из этой гистограммы N раз в год. Наша цель – найти математическое ожидание максимальной разовой концентрации, получаемой при такой выборке. Как известно, если функцию вероятности, соответствующую указанной гистограмме, обозначить f(x), где x – значение разовой концентрации, то функция вероятности максимума X_N из N – кратной выборки будет F(X_N)= f^N(X_N). Исходя из этой вероятностной функции, по гистограмме f(x) рассчитывается математическое ожидание <X_N>. Оно и присваивается данной клетке. Технически это делается так: гистограмма x в этой клетке «урезается» до <X_N>, т.е. все значения x, большие, чем эта величина, убираются, и далее берется максимум из оставшихся x. Этот подход обеспечивает единую схему с урезанием гистограммы до 95% или 98% квантиля, которое широко применяется в задачах «среда-здоровье населения».

Таблица 9 показывает, как применяется этот подход к взрывработам на Приокском карьере. Видно, что сокращение пиковых концентраций (см., например, белые стрелки) составляет несколько раз для большинства клеток.

Таблица 9 Эффект урезания гистограммы разовых концентраций до мат. ожидания максимума. Для выброса пыли взрывработами 6019_1 (Приокский карьер). С учетом оседания. Максимум концентрации (абсцисса) – 0.7 мг/м³. Каждая строка – гистограмма 1 клетки расчетной сетки. Число наблюдений в ячейке гистограммы изображается цветокодом.

Исходная гистограмма

Гистограмма с урезанием до мат. ожидания максимума выборки с N =40

Таблица 10 приводит результаты применения этого метода в более реалистичной ситуации: когда подвергаемые урезанию данные уже прошли через учет эффектов «клуба» и оседания частиц (см. разделы 1 и 2). Хорошо видно, что эффект учета залпового характера источника очень разный для разных районов – ср., например, Колычево и Старую Коломну.

Таблица 10 Эффект учета залпового характера взрывработ. Максимальные разовые концентрации, создаваемые источников 6019_1 (Приокский карьер). Вариант А – с учетом перехода «шлейф-клуб» и оседания. Вариант Б – то же с дополнительным учетом залпового характера источника путем урезания гистограммы. Цветокод: голубой > 0.3 мг/м³ = RFCостр., зеленый> 0.6 мг/м³ = 2*RFCостр. Средние по районам.

Таблица 11 показывает место учета залпового выброса в последовательности учета различных рассмотренных в данном документе эффектов. Варианты 3 и 4 – это альтернатива: метод Монте-Карло или метод урезания гистограмм. Видно, что они дают вполне сопоставимые результаты. Какой бы из этих методов не использовался, они создают артефакт «размазывания», скажем, однократного выброса по всем временным интервалам за год. Это плата за стремление получить симметричные поля концентраций. Как видно, оба метода более или менее сохраняют симметрию исходного поля концентраций (варианты 1 и 2); асимметричная полоса «север-юг» - это артефакт, связанный с субъективностью определения направления ветра (см. документ об исходных данных).

Таблица 11 Последовательность учета различных эффектов для взрывработ. Максимальные разовые концентрации пыли, создаваемые источником 6019_1 (Приокский карьер). Цветокод: красный = 0.3 мг/м³ = RFCостр.

1. Только оседание	2. Оседание с учетом перехода шлейф-клуб
3. Оседание+шлейф-клуб+Монте-Карло, N=100	4. Оседание+шлейф-клуб+урезание гистограммы

Таблица 11, на наш взгляд, достаточно убедительно аргументирует необходимость учета залпового характера выбросов для взрывработ на карьерах. Аналогична ситуация и для розжигов (см. раздел 6). Разумеется, ввиду трудоемкости раздельного расчета групп источников, имеет смысл выделять для такого учета только те залповые источники, которые вносят существенный вклад в максимальные разовые концентрации в жилых районах.

4. Эффект озон-лимитирующего преобразования.

В данной работе было два типа источников, для которых существенно лимитированное озоном ограничение на эффективность преобразования оксидов азота в диоксид азота (OLM). Это транспорт и взрывработы на карьерах. Эффект OLM для взрывработ рассмотрен в разделе 7; здесь мы в качестве материала для исследования эффекта OLM рассматриваем только транспорт.

1. Упрощенная модель отрезка трассы

Для изучения зависимости концентрации от факторов модели применяется стилизованный аналог дороги: прямолинейный отрезок длиной 1 км, причем исследуется только случай ветра, перпендикулярного дороге. Расчет проводился для «условного шоссе» длиной 1 км, разбитого на 50 источников с выбросом 0.01 г/с каждый, отстоящих друг от друга на 20 м. Отметим, что эта величина выброса на 1 км шоссе примерно такая же, как самый большой выброс в наших данных по Коломне. Такая большая величина выброса призвана рельефнее проиллюстрировать зависимость эффекта OLM от расстояния до шоссе и от метеоусловий. Источники могли моделироваться как площадные или объемные. 50 датчиков располагались по прямой перпендикулярно шоссе с интервалом 20 м. Высота датчиков по умолчанию 0 м.

Таблица 12 Зависимость концентрации от дальности (0-1 км) для различных метеоусловий: скорости ветра (столбцы) и устойчивости (строки). Концентрация с учетом OLM – синим цветом, без учета (с полным преобразованием NO в NO2) – красным цветом.

	1 м/с	3 м/с
1
4
5
6

Видно, что эффект OLM наиболее существенен как раз для наиболее важных для нас метеоусловий: высокой категории устойчивости и низкой скорости ветра. При этом вблизи шоссе он снижает концентрации примерно в 3 раза; далее, чем 500 м от шоссе эффект не распространяется ни при каких метеоусловиях.

2. Реалистичный расчет транспорта Коломны

Здесь мы приводим результаты только для 1 варианта транспорта (см. основной документ). Для других вариантов выбросы оксидов азота значительно ниже, поэтому вопрос об OLM-ограничении становится неактуален. Таблица 14 иллюстрирует эту ситуацию.

Таблица 13 Эффект OLM для транспорта: левая колонка – до OLM, правая – после OLM. Варианты 1 и 2 транспорта. Цветокод: максимум (красный цвет) = 0.2 мг/м3 (1 вариант), 0.1 мг/м3 (2 вариант).

	Оксиды азота	Диоксид азота
1
2

Видно, что в транспортном варианте 1 эффект OLM приводит в полосе шириной 1-2 клетки вокруг главных трасс к существенному (2 раза и более) сокращению концентрации диоксида азота по сравнению с исходной концентрацией оксидов азота. Этот результат согласуется с полученным выше для упрощенной модели отрезка трассы (1). В транспортном варианте 2 эффекта OLM практически не наблюдается.

Эффект OLM сказывается, хотя и слабее, также на среднегодовой концентрации диоксида и оксида азота от транспорта. При этом переход от пиковых к средним значениям выброса (деление на коэффициент 1.6 – см. обзор исходных данных) должен совершаться до применения OLM. Обратный порядок приводит к занижению среднегодовых концентраций диоксида азота на 10-15% (Таблица 14).

Таблица 14 Расчет среднегодовой концентрации соединений азота для выбросов от транспорта (вариант 1) с учетом OLM. Зависимость от порядка операции перехода от пиковых к средним значениям и применения OLM. Цветокод: голубой > 0.004 мг/м3 = 0.1 RFC NO2, зеленый > 0.008 мг/м3 = 0.2 RFC NO2.

5. Эффект учета зданий.

Цель данного раздела – охарактеризовать влияние застройки на концентрации загрязнителей от проходящих рядом автомобильных трасс. Все расчеты проведены с помощью модели ISC-PRIME, которая учитывает обтекание шлейфом загрязнения зданий, находящихся вблизи источника.

Раздел 1 рассматривает этот вопрос с помощью стилизованной модели одного источника (отрезка автомобильной трассы) и одного здания, находящегося вблизи трассы. Раздел 2 рассматривает этот вопрос применительно к реальной геометрии трасс и зданий на наиболее застроенном фрагменте территории Коломны.

1. Одно здание – один отрезок трассы

В этом приближении рассматривается холодный приземный источник, имитирующий фрагмент дороги. Он находится в 40 м слева от здания, имитирующего 16-этажный дом (высота, длина и ширина по 50 м), изображенный черным прямоугольником. Ветер дует от источника в сторону здания перпендикулярно его стене, проходящей на рисунке сверху вниз. Выброс источника условно принят равным 1 г/с. Этот параметр не играет роли, т.к. интерес представляет только относительная величина концентраций. Клетки на схеме имеют размер 20 м.

Таблица 15 Эффект обтекания: отношение концентраций в горизонтальном шлейфе при наличии здания к концентрациям без здания. Столбцы – скорость ветра, строки – категория устойчивости. На высоте 0 м. Максимум цветокода (красный цвет): отношение равно 2. Граница синего и зеленого цвета – значения, равные 1, т.е. точки, где здание не вносит существенных изменений в шлейф. Значения, меньшие 0.2, не показаны.

	2 м/с	7м/с
A
C
E

Таблица 15 показывает, к каким изменениям шлейфа приводит наличие здания (красное – увеличение концентраций, синее – снижение). Специфика модели ISC-PRIME приводит к тому, что здание не считается непроницаемым для шлейфа. Видно, что имеется «ветровая тень» за зданием, причем эффект снижения концентраций из-за экранировки в области «тени» растет с увеличением категории устойчивости. Исключение составляет только категория А, для которой есть небольшая зона за зданием без снижения концентраций. Ее происхождение рассмотрено ниже (см. о вертикальном профиле шлейфа). Однако по периферии зоны «тени» от краев здания расходящимся конусом идут зоны резко повышенных концентраций, причем это увеличение более выражено для высоких категорий устойчивости. От скорости ветра степень влияния здания на шлейф практически не зависит.

Таким образом, эффект здания для приземных концентраций сложен и включает как области повышения, так и области снижения, причем в зависимости от категории устойчивости.

Далее изучается влияние здания в сравнении приземного слоя и высоты, соответствующей застройке средней этажности – примерно 30 м. Целью было установить, насколько сильно различаются действующие концентрации для населения, проживающего в нижних и верхних этажах современных зданий.

Таблица 16 Эффект обтекания в зависимости от высоты: отношение концентраций в горизонтальном шлейфе при наличии здания к концентрациям без здания. Столбцы – высота измерения 0 и 30 м, строки – категория устойчивости. Скорость ветра 2 м/с. Максимум цветокода (красный цвет): отношение равно 2.

	0 м	30 м
A
C
E

Форма шлейфа в горизонтальном сечении мало зависит от высоты. Это упрощает анализ. Таблица 16 показывает, что эффект повышения и понижения концентраций в «тени» здания и по ее краям ослабляется с высотой, но не радикально.

Таблица 17 Влияние метеоусловий на вертикальный профиль шлейфа загрязнения, обтекающего здание. Столбцы – скорость ветра, строки – категория устойчивости. Концентрации вдоль оси шлейфа, перпендикулярной зданию. По ординате – высота от 0 до 90 м.

Таблица 17 непосредственно демонстрирует вертикальный профиль обтекающего здание шлейфа вдоль его оси. Видно, что перед зданием (т.е. ближе к источнику) формируется приземная зона резко повышенных концентраций, а с высотой концентрации здесь быстро убывают. Это зона от трассы до стоящих вдоль нее зданий. За зданием же формируется зона концентраций, почти однородная по вертикали от земли до высоты здания и даже выше. В этой области имеется небольшая дугообразная зона повышенных концентраций, связанная с обтеканием здания сверху. На довольно значительном расстоянии за зданием она спускается к земле, образуя узкую полосу повышенных концентраций. Таким образом, зона «тени» от здания имеет довольно сложное устройство и может включать «пятна» и «полосы» повышенных концентраций. Заметим, что более или менее однородная по вертикали структура сохраняется до удалений 300-400 м от здания, а затем шлейф возвращается к состоянию «ползущему вдоль земли», с заметным уменьшением концентраций с высотой.

Таким образом, наибольшее изменение концентраций с высотой наблюдается на передней стене здания, обращенной к источнику. В зоне «тени» здания изменением концентраций с высотой можно в первом приближении пренебречь.

2. Реальная конфигурация в центре Коломны

Результаты предыдущего параграфа показывают, что даже одно крупное здание может при конкретных метеоусловиях в разы изменить концентрации перед ним (в сторону повышения) и за ним (в основном в сторону снижения). Особенно выражен этот эффект для высоких категорий устойчивости, которые как раз и являются наиболее опасными для таких холодных приземных источников, как транспорт. Однако при оценке риска мы оперируем не конкретными метеоусловиями, а статистикой за год: максимумом разовых концентраций или среднегодовой концентрацией. Поскольку статистика за год включает всевозможные направления ветра и значения устойчивости, эффект здания для среднегодовых концентраций в любой конкретной точке должен резко ослабиться. Что касается максимальных концентраций, то их пики перед зданием должны сохраниться, а вот пониженные значения за зданием будут восстановлены до обычных значений «без здания» за счет других направлений ветра. Кроме того, расчетные клетки основной сетки на порядок больше, чем клетки предыдущего раздела, и это тоже «затирает» эффект.

В данном разделе для эксперимента по оценке влияния зданий был выбран микрорайон вдоль ул. Ленина с наибольшей концентрацией высоких зданий и ближайшие к нему транспортные магистрали (Рисунок 2).

Рисунок 2 Конфигурация эксперимента по исследованию влияния зданий на концентрации загрязнений от транспорта: учитываемые здания и транспортные источники (цвет – интенсивность выброса, усл. ед.

Таблица 18 Отношение концентрации оксидов азота от транспортных потоков, окружающих группу зданий, к той же концентрации без учета зданий. Цветокод: минимум (фиолетовый) = 0.9, максимум (красный) = 1.1. Для максимальной разовой и среднегодовой концентрации.

Отношение максимальных разовых концентраций

Отношение среднегодовых концентраций

Таблица 18 показывает в относительных единицах влияние зданий на концентрации оксидов азота от транспорта. Видно, что оно незначительно (до 10%) и в основном сосредоточено вблизи зданий (хотя есть и длинные шлейфы небольших изменений, которые мы связываем с преобладанием в статистике направлений ветра «округленных» значений). Наиболее проявлен эффект повышения приземных концентраций на «переднем фронте» зданий, обращенном к трассам. Для максимальных разовых значений эффект существующей застройки скорее отрицательный – видимо, за счет вышеуказанных полос от обтекания зданий. При этом нужно помнить, что относительные изменения могут быть большими, а абсолютные – нет. Рисунок 3 иллюстрирует абсолютные изменения среднегодовых концентраций. Видно, что они на порядки менее RFCхр.

Рисунок 3 Разность среднегодовой концентрации оксидов азота от транспортных потоков, окружающих группу зданий, и той же концентрации без учета зданий. Цветокод: максимум (красный) = 0.0001 мг/м³. Значения менее 0.00001 мг/м³ не показаны.

В результате мы сочли неоправданным трудоемкий и вычислительно громоздкий учет зданий и отказались от него в основной части работы (см. основной документ).

6. Расчет розжигов с учетом их импульсного характера.

Розжиги печей являются ярко выраженными импульсными источниками: с наиболее мощным выбросом цементной пыли (от сотен до более тысячи г/с), продолжающимся несколько часов 2-3 раза в год. Однако именно ввиду редкости этих выбросов прямое применение к ним метода Монте-Карло приводит к недостаточной статистике и неполному восстановлению ожидаемого поля концентраций. Поэтому выбору адекватного способа учета розжигов было посвящено специальное исследование, проведенное нами в одной из предыдущих работ для предприятия «Воскресенскцемент». Основные результаты следующие.

1. Ввиду того, что спектр размеров частиц, выбрасываемых в режиме розжига, включает крупноразмерные фракции, в отличие от работы в штатном режиме, мы сочли необходимым учесть оседание частиц пыли (см. раздел 2 настоящего документа). Это весьма существенно повлияло на расчетные приземные концентрации – обычно в сторону увеличения в ближней к трубе зоне (до 1-1.5 км) и уменьшения в дальней зоне (2-3 км).

2. Учет вероятности совпадения момента розжига с теми или иными метеоусловиями производится урезанием до некоторого квантиля гистограммы концентраций от розжига в данной клетке в предположении, что розжиги случайным образом распределены в течение года.

3. При розжиге в неблагоприятных метеоусловиях могут создаться значительные превышения RFCостр по пыли на значительном протяжении вдоль оси факела. Поэтому встает вопрос о выборе момента розжига не случайным образом, а оптимизируя его под такие скорость и направление ветра, а также устойчивость атмосферы, чтобы избежать указанных превышений. Материалы для этого приведены в данном разделе.

Раздел делится на две части: в первой рассматривается концентрация пыли в режиме розжига в модельном приближении «1 источник – ось факела», подобно тому, как это делалось в разделе 2. В качестве источника взят наиболее мощный источник выброса цементной пыли – розжиг печи 0001 (режим 3) на Щуровском цемзаводе. Цель – прояснить зависимость приземных концентраций пыли в момент розжига от метеоусловий, расстояния до источника, учета оседания. Во второй части рассмотрены отдельные источники в режиме розжига при реальных метеоусловиях и на основной расчетной сетке, а не по оси факела. Цель – оценить территориальный портрет опасности, создаваемой розжигом, как в наихудшей ситуации, т.е. для каждой клетки сетки – если розжиг произведен в наиболее неблагоприятный для нее момент, так и в реалистичной ситуации, когда момент розжига выбирается случайно. В последнем случае используются приемы учета залпового характера выброса, описанные в разделе 3.

1. Упрощенная модель «один источник – ось факела»

Рисунок 4 и Рисунок 5 показывают, что без учета оседания превышения RFCостр (от зеленого до красного цвета) имеют место при категориях устойчивости 1-3. При категории 1 они ближе к источнику (от 700 м) и больше по величине (3 и более раз), при категории 3 – дальше (от 2000 м, а при слабом ветре – еще дальше) и меньше по величине. При категориях устойчивости 4-6 превышений нет. С учетом оседания картина меняется. Категории устойчивости 1-4 становятся безопасными (видимо, за счет обеднения приземного слоя пылью из-за ее выпадения на поверхность), но при категориях 5-6 появляется зона больших (более 3 раз) превышений RFCостр как раз в наиболее важном диапазоне расстояний от источника (2-7 км), где расположено большинство жилых районов. Этот феномен связан, видимо, с прижатием шлейфа ближе к поверхности за счет оседания частиц. См также влияние спектра размеров частиц (раздел 2, Таблица 6).

Рисунок 4 Концентрации пыли цемента по оси факела во время розжига. С учетом осаждения. Абсцисса: расстояние от источника, м, ордината: метеоусловия. Цветокод: красный = 0.6мг/м3=2*RFCостр.

Рисунок 5 Концентрации пыли цемента по оси факела во время розжига. Без учета осаждения. Абсцисса: расстояние от источника, м, ордината: метеоусловия. Цветокод: красный = 0.6мг/м3=2*RFCостр.

Таким образом, на опасность розжига существенно влияет выбор его момента соответственно метеоусловиям. Таблица 19 дает приведенную выше информацию в форме, удобной для такого выбора. Для конкретного направления ветра определяется, на каких расстояниях расположены жилые районы, выбирается соответствующая диаграмма и по ней определяются безопасные метеоусловия для розжига. Для сравнения, Таблица 20 дает ту же информацию без учета оседания. Видно, что учет оседания делает диапазон безопасных метеоусловий гораздо шире, по крайней мере, на расстояниях до 3 км.

Таблица 19 Концентрации на различных расстояниях от источника вдоль оси факела при различных метеоусловиях (абсцисса диаграммы 6 х 6 – скорость ветра, 1- 9 м/с, ордината – устойчивость, 1-6 сверху вниз). С учетом оседания частиц. Цветокод: красный = 0.3 мг/м3 = RFCостр.

500 м	1000 м
1500 м	2000 м
3000 м	5000 м

Таблица 20 Концентрации на различных расстояниях от источника вдоль оси факела при различных метеоусловиях (абсцисса диаграммы 6 х 6 – скорость ветра, 1- 9 м/с, ордината – устойчивость, 1-6 сверху вниз). Без учета оседания частиц. Цветокод: красный = 0.3 мг/м3 = RFCостр.

500 м	1000 м
1500 м	2000 м
3000 м	5000 м

2. Расчет совокупности розжигов: в наихудшем и в реалистичном приближении

Таблица 21 приводит максимальную разовую концентрацию цементной пыли от розжигов в двух вариантах: без учета залпового характера выброса, т.е. без урезания гистограммы концентраций, и с учетом путем урезания гистограммы до математического ожидания максимума концентрации при выборке с N=2, т.е. розжиге дважды в год. Первый вариант соответствует наихудшей ситуации, т.е. для каждой клетки сетки – если розжиг произведен в наиболее неблагоприятный для нее момент, второй - реалистичной ситуации, когда момент розжига выбирается случайно. Разумеется, возможен и еще более благоприятный вариант, когда момент розжига специально выбирается так, чтобы минимизировать концентрации, но это требует разработки системы управления розжигами, и этот вариант мы здесь не рассматриваем.

Таблица 21 Максимальная разовая концентрация цементной пыли от розжигов: для наихудших условий (без урезания гистограммы концентраций) и для случайно выбранных условий (с урезанием гистограммы). С учетом оседания частиц. Цветокод: голубой > 0.3 мг/м3 = RFCостр, зеленый > 0.6 мг/м3 = 2 RFCостр. Среднее по районам.

	Без учета залпового характера				С учетом залпового характера
	Все розжиги	0001_3	0002_2	0017_2	Все розжиги	0001_3	0002_2	0017_2
Сандыри	1	0.78	0.13	0.13	0.024	0.018	0.0094	0.0096
Запруды	0.84	0.6	0.13	0.15	0.021	0.013	0.0095	0.0095
Подлипки Север	0.61	0.43	0.13	0.098	0.018	0.0098	0.01	0.0097
Подлипки	0.45	0.27	0.11	0.12	0.017	0.0087	0.01	0.0096
Промзона ЖБИ	0.55	0.25	0.18	0.2	0.019	0.0096	0.011	0.011
Колычево	0.53	0.18	0.19	0.24	0.019	0.0096	0.012	0.011
Парк	0.69	0.1	0.24	0.51	0.02	0.008	0.012	0.012
Бобренево	0.076	0.063	0.029	0.057	0.016	0.0046	0.01	0.0097
Старая Коломна	0.52	0.27	0.15	0.16	0.02	0.0096	0.011	0.01
Центр	0.5	0.084	0.29	0.31	0.02	0.0077	0.013	0.012
КЗТС	0.78	0.068	0.47	0.55	0.021	0.0091	0.011	0.013
Заречье	1.3	0.18	0.65	0.63	0.017	0.011	0.0095	0.0091
Промзона ст. Коломна	0.32	0.12	0.14	0.21	0.017	0.0077	0.01	0.01
Коломзавод	0.7	0.073	0.57	0.42	0.026	0.0078	0.018	0.014
Цемзавод	0.18	0.0053	0.095	0.11	0.012	0.0019	0.0087	0.0086
Поляны	0.44	0.057	0.34	0.23	0.02	0.0094	0.014	0.011
Поляны - Юг	0.74	0.1	0.64	0.32	0.027	0.011	0.017	0.015
Щурово-2	0.31	0.019	0.21	0.2	0.017	0.005	0.014	0.011
Щуровский комбинат	0.48	0.0075	0.44	0.22	0.036	0.0075	0.027	0.015
Пос. Сергиевское	0.78	0.075	0.45	0.66	0.034	0.0089	0.018	0.024
Совхоз Сергиевский	0.63	0.087	0.19	0.49	0.024	0.011	0.011	0.017
Парфентьево	0.46	0.12	0.18	0.34	0.02	0.0095	0.011	0.013
Амерево	0.6	0.31	0.16	0.2	0.017	0.01	0.011	0.0093
13км	0.64	0.36	0.17	0.14	0.015	0.01	0.011	0.0093
Красноармейская	0.81	0.045	0.8	0.17	0.051	0.01	0.041	0.019
Щурово-1	0.47	0.015	0.32	0.2	0.019	0.0052	0.013	0.01

Очевидно, что при попадании на неблагоприятную метеорологическую ситуацию розжиги создают превышения RFCостр для пыли практически по всему городу, доходящие до 2-3 раз. При этом основным источником опасности является не источник с наибольшим выбросом 0001, а источники с меньшим выбросом 0002 и 0017. Это связано в первую очередь с их меньшей высотой (45 и 60 м против 120 м у источника 0001). Мы привели также концентрации при совместном действии всех розжигов, оставляя в стороне вопрос о том, насколько их одномоментное воздействие технологически реально. Естественно, при совместном воздействии концентрации больше, но, даже действуя отдельно, розжиги создают существенную опасность, если попадают на неблагоприятный момент.

Наоборот, при более реалистичной ситуации розжига в произвольно выбранный момент источники не создают сколько-нибудь существенной концентрации ни по отдельности, ни все вместе. Таблица 22 демонстрирует контраст между наихудшей и реалистичной ситуацией.

Таблица 22 Максимальная разовая концентрация цементной пыли при розжигах от отдельных источников и от их совокупности, действующей одновременно. При наиболее неблагоприятных метеоусловиях для каждой клетки и при случайном выборе момента розжига («реалистичная ситуация»). Цветокод: красный цвет = 0.3 мг/м³ = RFCостр.

Наихудшая ситуация	Реалистичная ситуация
Все источники	Все источники
Источник 0001	Данные для источника 0001 в реалистичной ситуации не приведены, так как он ни в одной клетке не создает концентраций пыли более 0.1 RFCостр.
Источник 0002	Источник 0002
Источник 0017	Источник 0017

По результатам данного раздела можно сделать следующий вывод. Несмотря на большую величину залпового выброса, критичным фактором для величины опасности, создаваемой розжигами, является не сам выброс, а метеоусловия, определяющие его распространение. Если предположить хотя бы что розжиг производится в случайно выбранный момент времени (не говоря уже о целенаправленном управлении моментом розжига), в среднем по совокупности розжигов концентрации будут настолько малы, что их вкладом в суммарную опасность по городу можно будет практически пренебречь. Однако это не снимает вопроса о том, что будет, если розжиг попадет на неблагоприятные метеоусловия (а поскольку вероятность этого ненулевая, а розжиги повторяются каждый год, такое может случиться). Поэтому вопрос об управлении временем розжига имеет право на существование.

7. Расчет взрывов с учетом их импульсного характера.

Описание процесса распространения загрязнений, происходящего при взрывработах, дано в разделе 1. Логика расчета концентраций, создаваемых взрывработами на карьерах, изложена в разделе 3 (например, Таблица 11). В данном разделе приводится детализация расчетов по взрывработам, позволяющая оценить влияние каждого учитываемого эффекта на сокращение расчетных максимальных разовых концентраций. Таблица 23 дает эту информацию, беря максимальную концентрацию по времени, и среднее по клеткам каждого района.

Таблица 23 Максимальные разовые концентрации, создаваемые совокупностью взрывработ на всех карьерах. Вариант А – с учетом перехода «шлейф-клуб», а для пыли – и с учетом оседания. Вариант Б – то же с дополнительным учетом залпового характера источника путем урезания гистограммы. Вариант В – то же, что Б, с дополнительным учетом OLM – эффекта. Средние по районам.

Здесь учтены 4 эффекта: оседание частиц, переход «шлейф-клуб», залповый характер выброса и OLM-преобразование оксидов азота. Видно, что влияние учитываемых эффектов значительно различается в разных районах (ср., например, Старую Коломну и Колычево по пыли и диоксиду азота). Поскольку это влияние складывается из воздействия на разные источники, мы сочли целесообразным дать его также в разбивке по источникам для двух районов, находящихся на противоположных концах города: Сандырей и Колычева (Таблица 24, Таблица 25).

Таблица 24 То же в разбивке по источникам для района Колычево. Среднее по району.

Таблица 25 То же в разбивке по источникам для района Сандыри. Среднее по району.

Видно, что применение указанных эффектов приводит к тому, что резко сокращается вклад источников, удаленных от района, а вклад близких источников сокращается меньше (ср., например, Приокский карьер и Песковский карьер – эффект перехода от пыли в варианте А к пыли в варианте Б). Также и эффект OLM существенен только для источников, создающих значительную концентрацию оксидов азота. Отметим, что мы применяли OLM к каждому источнику по отдельности, а уже потом объединяли их концентрации и вычисляли максимальную разовую. Это соответствует предположению, что взрывы происходят неодновременно. С другой стороны, принятый нами для сокращения вычислительных затрат подход к учету залпового характера взрывработ через урезание гистограммы (см. раздел 3) приводит к «размазыванию» выбросов по всему году, и в результате с определенной вероятностью возникает, например, совпадение моментов взрывработ на источнике 6018 и 6019 Приокского карьера, которое в реальности, вероятно, исключено технологически. В рамках указанного подхода к учету залпов эта проблема неразрешима.

Далее мы приводим итоговые вклады всех источников в концентрации для каждого района после учета всех вышеуказанных факторов. Таблица 26 - Таблица 28 представляют результаты для трех основных загрязнителей по варианту В (клуб+оседание +урезание гистограммы+OLM).

Отметим, что в этом разделе речь идет только о максимальных разовых концентрациях. Необходимые для оценки риска добавочной полной смертности максимальные среднесуточные концентрации пыли оцениваются по тому же полученному методами данного раздела временному ряду разовых концентраций, что и максимальные разовые. Что касается среднегодовых концентраций от взрывов, они оцениваются по выбросам в т/г с учетом только оседания и OLM.

Таблица 26 Вклады отдельных взрывработ в максимальные разовые концентрации пыли, мг/м³. Цветокод: голубой > 0.3 мг/м³ = RFCостр. Средние по районам.

Таблица 27 Вклады отдельных взрывработ в максимальные разовые концентрации СО, мг/м³. Цветокод: голубой > 2.3 мг/м³ = 0.1*RFCостр. Средние по районам.

Таблица 28 Вклады отдельных взрывработ в максимальные разовые концентрации оксидов азота, мг/м³. Цветокод: голубой > 0.3 мг/м³ = RFCостр. Средние по районам.

Итоговую информацию по максимальным разовым концентрациям от взрывов в картографической форме дают Рисунок 6 - Рисунок 8. Это та информация, которая используется в основном варианте расчета (см. основной документ).

Рисунок 6 Максимальные разовые концентрации диоксида азота от совокупности всех взрывработ. С учетом перехода «шлейф-клуб», залпового эффекта и OLM-преобразования. Цветокод: красный = 0.2 мг/м³ = RFCостр.

Рисунок 7 Максимальные разовые концентрации оксида азота от совокупности всех взрывработ. С учетом перехода «шлейф-клуб», залпового эффекта и OLM-преобразования. Цветокод: красный = 0.72 мг/м³ = RFCостр.

Рисунок 8 Максимальные разовые концентрации пыли от совокупности всех взрывработ. С учетом оседания (спектр размеров частиц – по Jones e.a.), перехода «шлейф-клуб» и залпового эффекта. Цветокод: красный = 0.3 мг/м³ = RFCостр.

Как и для розжигов, приводится информация, позволяющая определить опасность производства взрывработ для источников наиболее опасного Приокского карьера в зависимости от метеоусловий (Таблица 29). Рассматривается только пыль известняка. Для конкретного направления ветра определяется, на каких расстояниях расположены жилые районы, выбирается соответствующая диаграмма и по ней определяются безопасные метеоусловия для розжига. Чтобы учесть кратковременность воздействия клуба, мы выбрали в качестве нормировки цветокода не RFCостр для пыли, а величину 1 мг/м³. Этот выбор, конечно, условен.

Таблица 29 Концентрации на различных расстояниях от источника 6019_1 (Приокский карьер) вдоль оси переноса клуба при различных метеоусловиях (абсцисса диаграммы 6 х 6 – скорость ветра, 1- 9 м/с, ордината – устойчивость, 1-6 сверху вниз). С учетом оседания частиц и перехода шлейф-клуб. Цветокод: красный = 1 мг/м3.

500	1000
1500	2000
3000	5000