Атмосфера должна быть чистой. Применение статистических методов при аттестации источников эмиссии и оценке качества атмосферного воздуха

– время одного цикла измерения;

– время осреднения, (время отбора пробы);

– нормированная корреляционная функция;

– параметр «ХИ – квадрат», к = n – 3.\

ВВЕДЕНИЕ

Получение объективной информации о качестве окружающей природной среды, а также степени антропогенного влияния является одной из важнейших задач науки и техники в области охраны природы и рационального использования природных ресурсов.

Достаточно планомерное изучение воздействия промышленных предприятий на окружающую среду и методов ее комплексной оценки началось сравнительно недавно. Во многом это объясняется сложностью и многообразием процессов формирования полей концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) в объектах окружающей среды и разной степенью изученности этих процессов, кроме того, эти процессы происходят в различных временных и пространственных масштабах, а также многообразием параметров источников загрязнения. Поэтому достоверная оценка антропогенного влияния может быть выполнена на основе комплексного анализа процессов загрязнения, которые, таким образом, характеризуются очень большим числом переменных.

Тем не менее, информация об антропогенном влиянии уже сейчас имеет большое значение для поисков путей оптимизации взаимодействия хозяйственной деятельности и окружающей природной среды. С развитием производства продуктов нефтехимии, цветных и драгоценных металлов, минеральных удобрений, редких и рассеянных элементов, машиностроения, а также предприятий ТЭК, ядерной энергетики и ОПК появляется все больше научно-исследовательских центров и промышленных предприятий, которые могут быть потенциальными источниками загрязнения природной среды.

К основным источникам загрязнения относятся производственные предприятия, добывающие и перерабатывающие сырье и продукты с применением высокотоксичных химических веществ.

При эксплуатации предприятий ядерно-топливного цикла может происходить загрязнение окружающей среды радиоактивными и нерадиоактивными веществами, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. Источники выбросов и сбросов могут быть как организованные, например, дымовые трубы так и неорганизованные: хвостохранилища, загрязненные участки территории промышленных площадок, элементы оборудования, транспортные магистрали, отвалы. Перечисленные объекты могут являться источниками загрязнения воды и воздуха, вследствие ветровой и водной эрозии.

Очевидно, что кардинальным решением задачи снижения интенсивности выбросов и сбросов ЗВ является разработка и внедрение безотходных технологических процессов с полной утилизацией отходов [1, 4]. Учитывая, что современный уровень технологии, в том числе и на предприятиях ЯТЦ не позволяет ввести замкнутые циклы для воды и воздуха, может быть разрешен ограниченный, строго контролируемый выброс ЗВ в окружающую среду. Таким образом, оптимальным путем ограничения загрязнения окружающей среды является строгое нормирование количества выбросов и сбросов ЗВ [2, 3]. Такое ограничение должно обеспечить соблюдение нормативов высокого качества окружающей среды для здоровья людей и нормального функционирования экосистем.

Строгое нормирование подразумевает организацию системы контроля, призванную обеспечить объективную информацию о не превышении соответствующих границ допуска.

Результаты контроля загрязнения объектов окружающей среды (воздуха, воды) позволяют оценить состояние санитарно – гигиенической обстановки. Результаты контроля технологических источников выбросов и сбросов позволяют получить данные об их интенсивности, что является исходной информацией для управления качеством окружающей среды. Так как качество воды и воздуха определяется содержанием в них загрязняющих веществ, то генеральной целью системы контроля является получение данных о концентрациях ЗВ.

Система контроля выбросов и сбросов ЗВ, а также качества окружающей среды является сложной системой, что вытекает из многообразия анализируемых веществ, многообразия интервалов их содержания и условий определения. Однако, при организации системы контроля ЗВ возникают принципиальные трудности, выходящие далеко за рамки чисто аналитических проблем. Прежде всего, это связано со сложной статистической (пространственно-временной) структурой самих объектов исследования. Процессы распространения примесей в атмосфере и водных объектах регулируются сложным комплексом гидрометеорологических и геофизических факторов, поэтому их характеристики не являются строго детерминированными. Наличие существенной стохастической составляющей в пространственной и временной структуре поля концентрации ЗВ требует привлечения специальных методов обработки и интерпретации экспериментальных данных, которые позволили бы получить характеристики, наиболее полно и объективно представляющие степень и интенсивность загрязнения промышленными выбросами и которые можно было бы сопоставить с границами допуска ПДВ (ПДС) или ПДК.

Если при интерпретации данных контроля не использовать информацию о статистической структуре концентрации ЗВ, то это может привести к грубым ошибкам в оценке санитарно – гигиенической обстановки и, как следствие, принятие ошибочных решений как в планировании природоохранной деятельности, так и в оценке эффективности проводимых мероприятий.

Система контроля ЗВ, как информационно-измерительная система подразделяется на две основные подсистемы. Первая призвана обеспечить информацию о мощности источников ЗВ (контроль эмиссий), вторая – для оценки качества окружающей среды (контроль иммиссий).

В первом случае измерения проводятся непосредственно в источниках эмиссий, которыми в большинстве случаев являются организованные источники выбросов и сбросов. Таким образом, под эмиссионными измерениями понимают анализ отходящих газов предприятий или сбросных вод и изучается вопрос о не превышении границ допуска интенсивности ПДВ (ПДС) за контрольный период времени. Значительным антропогенным фактором и источником эмиссий являются автодороги, которые рассматриваются как линейные источники, также имеют место неорганизованные источники эмиссий, карьеры, хвостохранилища горно-обогатительных и химических предприятий, терриконы, отвалы.

В ряде случаев отдают предпочтение организации контроля иммиссий. Под измерениями иммиссий понимают определение концентрации ЗВ в атмосферном воздухе и воде водных объектов, при этом изучается вопрос о не превышении границ допуска – ПДК. Если при контроле иммиссий результаты получают только проведением прямых измерений при помощи аналитической техники, то при контроле интенсивности выбросов, нередко пользуются расчетными и балансовыми методами. Это связано, прежде всего, с трудностями проведения прямых измерений из-за влияния сложного комплекса технологических, физико-химических и метеорологических факторов и условий в точках контроля анализируемых сред.

Ограниченность подхода ведет к потере информации и, как следствие, к потере объективности оценки санитарно-гигиенической обстановки и не возможности управления качеством окружающей среды.

Оценки интенсивности источников выбросов из балансовых расчетов не могут быть приняты в целом ряде случаев, особенно с выбросами и сбросами высокотоксичных ЗВ I, II классов опасности, допустимые и фактические концентрации которых, как правило, весьма малы, а также в случае генерации выбросов аэродисперсных систем ЗВ, например в тепло – и массообменной аппаратуре.

Таким образом, в большинстве случаев для оценки обстановки и управления качеством окружающей среды нет разумной альтернативы организации системы контроля, основанной на технике прямых дискретных измерений. Очевидная сложность и дороговизна таких систем требует тщательного поиска путей оптимизации их деятельности. Точность и объективность информации является единственным критерием оценки измерительно-информационных систем, в том числе и систем контроля ЗВ. Как правило, этот критерий находится в противоречии с соображениями экономии материальных затрат. Очевидно, что предпочтительней такой метод, который обеспечивает ту же точность при меньшей экспериментальной работе или меньшем объеме исходных данных. Следовательно, развитие методов интерпретации данных прямых измерений, определение контрольных параметров, оптимального объема и оптимальной дискретности для достижения заданной точности, представляет собой наиболее общую проблему, решение которой позволяет существенно повысить и унифицировать качество информации о состоянии окружающей среды и антропогенном влиянии промышленных предприятий.

С формальной точки зрения задача относится к рассмотрению проблем, связанных с пересечением случайным процессом некоторых фиксированных уровней.

2.1. 

Проблема оценки антропогенного влияния.

В большинстве случаев существующие системы контроля ЗВ основаны на получении и анализе данных прямых дискретных измерений, выполненных в течение некоторого отчетного периода (20-30 минут, час, сутки, месяц, квартал, год). На основе обработки и интерпретации дискретных данных определяется общая масса выброса за период, делается оценка мощности источников, а также их аттестация с точки зрения превышения установленных уровней ПДВ (ПДС) или ПДК. Аналогично решаются задачи оценки качества атмосферного воздуха и технологического микроклимата. Такой контроль называется выборочным статистическим. При этом по данным некоторой выборки, ограниченного объема должна быть сделана объективная оценка уровней концентрации ЗВ. Периодичность контроля ЗВ в сбросах и выбросах предприятий, а также технологического микроклимата составляет от 1 измерения в смену до одного измерения в год. Наиболее распространенной частотой проведения измерений является 1 измерение в сутки. Некоторые ингредиенты, относящиеся к первому и второму классам опасности [3], такие как гексахлор-1,3-бутадиен, ртуть, ? и ? – активные аэрозоли, бериллий и некоторые другие контролируются с наименьшей дискретностью – от одного измерения в час до одного в смену.

Соответствующие данные о параметрах источников выбросов и сбросов, а также о санитарно-гигиенической обстановке используются для разработки планов природоохранных мероприятий. При этом результаты обследования обладают рядом существенных недостатков:

Во всех без исключения случаях используются точечные оценки контролируемых параметров, которые получают по дискретным выборкам ограниченного объема. При этом не делается никаких оценок точности и достоверности полученных результатов. Тем не менее, известно, что выборочные средние обладают выборочной неустойчивостью и точечные оценки могут весьма существенно отличаться от оцениваемых параметров [5, 6, 7].

В оценке санитарно-гигиенической обстановки или при аттестации источников выбросов ЗВ практически не используются представления о спектрах частот появления различных значений концентрации ЗВ в точках наблюдений. Отсутствие данных о распределении частот ведет к значительному произволу в оценках обстановки. Например, если распределение частот есть распределение Гаусса, а общее количество проб за контрольный период времени (Т) есть n, то частота появления значения концентрации Х определяется формулой:

, (2.1)

где m, s – параметры распределения.

Рис. 2.1. Плотность распределения Гаусса с параметрами (а) и (?).

Так как изучаемая величина Х при любом (Т) принимает значения из некоторого интервала Хmin ? X ? Xmax, то имеет принципиальное значение какая из величин сопоставляется с границей допуска – ПДК. Если ? ПДК, то учитывая (2.1) ясно, что, по крайней мере, 50% Х превосходят норматив, если же только Xmax ? ПДК, то вероятность такого события определяется выборкой и может быть сколь угодно малой. Таким образом, только произвол в интерпретации данных может дать различную оценку степени напряженности санитарно-гигиенической (экологической обстановки).

Несмотря на то, что имеется перечень показателей, характеризующих степень воздействия различных источников эмиссии ЗВ и показателей качества воздуха [3], в практике работы аналитических служб отсутствуют методики, которые позволили бы при организации работы системы контроля, получать из любых данных измерений концентрации, именно те характеристики, которые делают оценки степени загрязнения и санитарно-гигиенической обстановки наиболее объективными и однозначными [8, 9].

Для аттестации источников эмиссии и оценки качества воздуха в рабочей зоне предприятий или воздуха населенных мест эти характеристики должны быть различны, что вытекает из различия в «физическом» смысле имеющихся границ допуска ПДВ, (ПДС) или ПДК для радиоактивных и нерадиоактивных ЗВ. Вредное воздействие ЗВ в воздухе непосредственно связано со временем экспозиции. Так для химических загрязняющих веществ (газы, пары, аэрозоли) установлены «мгновенные» значения концентрации со временем осреднения ? ~3 мин., максимально-разовое нормируемое значение со временем осреднения ?~ 20 – 30 мин., среднесуточное значение со временем осреднения ? ~ 24 часа. Соответственно введены нормативы ПДК макс.раз. и ПДК ср. сут. При контроле содержания радиоактивных веществ используется оценка величин, осредненных по всему отчетному периоду (Т) [17].

Измерения концентрации ЗВ в источниках выбросов и атмосферном воздухе показали, что результаты могут существенно зависеть от времени осреднения (времени отбора проб) [8 ]. Эта проблема имеет наибольшее значение для интерпретации данных измерений концентрации ЗВ в атмосферном воздухе и пылегазовых выбросах предприятий и не связана непосредственно с качеством использованной измерительной аппаратуры. Проблема связана непосредственно со случайным характером изменения во времени и пространстве гидрометеорологических параметров в точках наблюдения, а также комплекса технологических факторов. Однако проблема осреднения имеет место вообще при измерении и анализе любых, зависящих от времени случайных процессов [11]. Данные, полученные к настоящему времени показывают, что учет времени осреднения (времени отбора проб) – это чрезвычайно сложная операция. Например, если источник загрязнения атмосферы высокая труба, а загрязнения воздуха осуществляется под действием волнообразного дымового шлейфа (так называемая перемежающаяся или меандрирующая струя рис. 1.1.), то концентрация ЗВ может отсутствовать в один момент и достигать максимума 30 секунд спустя.

Таким образом, концентрация «мгновенной» струи Х мгн. будет давать больший максимум, чем осредненная за несколько периодов Х ср. На самом деле, в зависимости от метеоусловий и параметров источников может иметь место несколько разных типов дымовых струй [9]. Концентрации в порывах могут в 10 и более раз превышать средние значения, а длительность порывов может зависеть от расстояния до источника.

Средние значения концентрации за сутки, месяц или год легко могут оказаться близкими к 0,2, 0,05 или 0,01 от среднего значения, получаемого за час или три минуты, на которые могут оказать влияние факторы, локальные в пространстве и времени. В многочисленных работах, рассматривающих зависимость концентрации от времени осреднения, в том числе и на предприятиях ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), указывается, что эта зависимость, полученная экспериментально для средних условий устойчивости и периодов осреднения до нескольких часов может быть описана выражением:

(2.2.)

Где q = 0,17 0,24

– исправленное значение (),

– значение, рассчитанное из уравнения рассеяния,

– время осреднения, время отбора проб, мин.

Эта известная формула, полученная из статистической модели дымовой струи Гиффорда Ф.И. [ 18 ] для коррекции данных, полученных за разные периоды времени не может быть исчерпывающим решением проблемы.

Авторы работ, приведенных в [33] показали, что для разных классов устойчивости ветра и для разных расстояний от одиночного источника загрязнения отношение разовой концентрации (?

= 20 мин.) и суточной (?

=24 часа) меняется от 0,17 до 0,58. Таким образом, соотношение (2.2) рекомендуется для прогнозных оценок, если можно экспериментальным, а не из расчета рассеяния, путем оценить и рассчитать концентрацию, осредненную за некоторый период времени. Для больших периодов осреднения вместо (2.2.) рекомендовано соотношение:

(2.3.)

где – параметр вытянутости розы ветров,

Р

=0,125