Особенности вертикального распределения аэрозолей и газовых примесей в регионе оз. Байкал
сера азот байкал загрязнение
В.Л. Потемкин
Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск
И.В. Латышева
Иркутский государственный университет, г. Иркутск
В.Л. Макухин
Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск Иркутский государственный университет, г. Иркутск
Т. Г. Потемкина
Лимнологический институт СО РАН, г. Иркутск
Аннотация
С помощью нелинейной нестационарной пространственной эйлеровой модели исследовались процессы распространения и трансформации твердых взвесей, соединений серы и азота в долине р. Ангары и над Байкалом. Учитывались выбросы предприятий Иркутско-Черемховского, Нижнеселенгинского, Улан-Удэнского, Южно- и Северобайкальского промышленных узлов. Построены карты-схемы распределения загрязняющих веществ у поверхности земли и на других уровнях. Выполнены оценки осаждения твердых взвесей на подстилающую поверхность рассматриваемого региона. Установлено, что на площадь 200x200 км2 осаждается 95 % от выбросов частиц радиусом до 20 мкм. Оценен вклад предприятий Приангарья, Прибайкалья и Забайкалья в загрязнение оз. Байкал сульфатами и нитратами при атмосферных выбросах. Определено, что наибольшее влияние на озеро оказывают выбросы предприятий Слюдянки и Байкальска, их вклад составляет 53 % сульфатов и 64 % нитратов. Значительно меньше оценивается влияние Иркутско-Черемховского промышленного комплекса - 18 и 25 % соответственно. Менее значимый вклад этого комплекса объясняется удаленностью источников выбросов от озера и наличием орографических неоднородностей, препятствующих переносу примесей. Вклад источников выбросов предприятий Забайкалья составляет 29 % по сульфатам и 21 % по нитратам. Вклад предприятий Северобайкальска незначителен.
Ключевые слова: озеро Байкал, Ангара, твердые взвеси, сульфаты, нитраты, численная модель.
Peculiarities of Vertical Distribution of Aerosols and Gas Impurities in the Lake Baikal Region
V. L. Potemkin
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk
I. V. Latysheva
Irkutsk State University, Irkutsk
V. L. Makukhin
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk Irkutsk State University, Irkutsk
T. G. Potemkina
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk
Abstract. With the help of a nonlinear nonstationary spatial Euler model, the processes of propagation and transformation of solid suspensions, sulfur compounds and nitrogen compounds in the Angara valley and above Baikal were investigated. Calculations were made to assess the impact of meteorological conditions on the dynamics of smoke plumes from anthropogenic sources. Strong convection of heated gases during ejection creates a large variety of aerosol cloud forms, which, when lifted, stratify, are drawn into the general wind flow and can be transported over long distances, covering the basin of Lake Baikal. Constructed maps of the distribution of pollutants near the surface of the earth and at altitude levels. Estimates of sedimentation of suspended solids on the underlying surface were made. It was found that 95 % of the coarse fraction particles (1-20 pm) are deposited on an area of 200x200 km2. The contributions of the enterprises of the Priangarie, the Baikal and Transbaikalia to the pollution of Lake Baikal by sulphates and nitrates through the atmospheric channel are calculated. The cities of
Slyudyanka and Baikalsk have the greatest influence (53 and 64 %, respectively). Less impact from Irkutsk and Cheremkhovo (18 and 25 %). Transbaikalia enterprises make 29 and 21 % of the contribution. The obtained data can be used when conducting monitoring observations and making forecasts for the development of territories, taking into account local topography and climatic factors. The use of mathematical models of varying degrees of detail is promising and can simplify the preparation and conduct of fairly expensive and complex sampling of air, soil or snow when studying the effect of atmospheric emissions on the environment.
Keywords: Lake Baikal, the River Angara, solid suspensions, sulfate, nitrate, numerical model.
Введение
О негативном влиянии на окружающую среду выбросов промышленными предприятиями загрязняющих веществ опубликовано много работ [например, Акулов, 2014; Аргучинцев, Аргучинцева, 2007; Голицын, 2010; Дегодя, Мальцева, 2016; Федяева, 2007; Strizhenok, Ivanov, 2016; Environmental regulation and ..., 2014]. Исследования в этом направлении ведутся как путем тщательных измерений с помощью современного оборудования, так и на основе пространственных численных моделей. В работе [Li, Britter, Norford, 2016] с помощью метода моделирования крупных вихрей (модель LES) исследуются процессы переноса над уличным каньоном при устойчивой стратификации. Модель LES использовалась для изучения влияния термической стратификации на процессы рассеивания в городских условиях центра Лондона [Xie, Hayden, Wood, 2013]. В [Liang, Fu, Wang, 2016] исследовались процессы переноса сульфатов, нитратов, аммония над районом Северо- Востока США с помощью модели на базе разработанного в статье метода расщепления. С использованием нелинейной нестационарной эйлеровой модели, основанной на численном решении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примеси [Аргучинцев, Аргучинцева, 2007], исследовалось влияние метеорологических условий на распространение и трансформацию диоксида серы в районе пос. Листвянка на Байкале [Особенности пространственного распределения ... , 2014; Low-level atmospheric jets ... , 2014; Оценки пространственного распределения ..., 2016], оценивался вклад местных и удаленных источников выбросов в формирование газовых примесей в районе Южного Байкала [Макухин, Оболкин, Потемкин, 2014].
Цель и методы исследования
Целью данной работы являлось исследование экологического состояния атмосферы в регионе оз. Байкал в зависимости от метеорологических условий и выбросов различных источников загрязнения. Для решения поставленной проблемы использовалась математическая модель распространения и трансформации примесей [Аргучинцев, Аргучинцева, 2007]. Кроме процессов адвективного и конвективного переноса и турбулентной диффузии, модель учитывает трансформацию малых газовых составляющих атмосферы.
Уравнения турбулентной диффузии примесей вместе с начальными и граничными условиями численно интегрировались в декартовой системе координат с применением метода фиктивных областей. При решении задачи использовался метод расщепления по физическим процессам. На каждом малом интервале времени рассматривается схема, состоящая из двух этапов. На первом этапе учитываются процессы переноса примесей по траекториям и турбулентной диффузии, а на втором - локальные преобразования и влияние источников. Аппроксимация задачи по времени на первом этапе построена с помощью двуциклического полного расщепления. На втором этапе при решении системы уравнений химической кинетики применена монотонная неявная схема первого порядка аппроксимации.
Проведена верификация модели, и получено удовлетворительное соответствие результатов численных расчетов и данных полевых измерений [Исследование распределения соединений ... , 1996].
Модель успешно применялась ранее при изучении процессов распространения и трансформации аэрозолей и газовых примесей в регионе Южного Байкала. Проводилось сравнение результатов численных расчетов концентраций диоксида серы, оксидов азота, сульфатов, нитратов, других газовых компонент и данных измерений в регионе оз. Байкал, получено их удовлетворительное соответствие [Макухин, Оболкин, Потемкин, 2014; Оценки пространственного распределения ... , 2016; Особенности пространственного распределения ... , 2014; Low-level atmospheric jets ... , 2014].
Численные эксперименты
Первая серия численных расчетов проводилась с целью исследования влияния метеорологических условий на распространение твердых взвесей и, как следствие, на форму дымовых факелов от источников. Моделирование процессов распространения примесей проводилось в области площадью 14^10 км2 и высотой 4 км над подстилающей поверхностью. Шаги по времени и пространству составляли соответственно 30 с и 100 м. Коэффициенты турбулентной диффузии рассчитывались с использованием соотношений полуэмпирической теории турбулентности. Информация об интенсивности источников выбросов была взята из работы [Государственный доклад, 2013]. Источник выбросов твердых взвесей находился на высоте 180 м, его мощность составила 147 г/с.
На рисунке 1 приведен результат расчета распространения твердых взвесей в районе г. Усолья-Сибирского при сильной конвекции, когда из-за значительных скоростей подъема воздуха в термиках (струях и пузырях теплого воздуха) создаются условия для проникновения частиц примеси до нижней кромки облаков. Наблюдается волнообразная форма факела. Полученная карта-схема распределения загрязняющих веществ качественно и количественно согласуется с данными измерений [Берлянд, 1985]. Следует указать, что по данным 80 метеорологических станций Иркутской области в период 1951-2017 гг. в июне в среднем отмечалось 6 дней с развитием сильной конвекции и образованием гроз, в июле их число максимальное (8), в августе среднее число дней составляет 3.
Рис. 1. Изолинии рассчитанных значений концентраций твердых взвесей (в мкг/м3) при сильной конвекции. Масштаб по вертикали и горизонтали одинаков
Вторая серия численных экспериментов проводилась в области площадью 200x200 км2 и высотой 4 км над поверхностью оз. Байкал. Рассматривались выбросы предприятий Усолья-Сибирского, Ангарска, Шелехова и Иркутска. Информация об интенсивности источников выбросов была взята из работы [Государственный доклад, 2013]. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 1000 м, шаг по вертикали равнялся 100 м.
На рисунке 2 приведено распределение рассчитанных концентраций твердых взвесей на высотах 500, 1000 и 2000 м над акваторией Байкала при преобладающем в рассматриваемом регионе устойчивом северо-западном ветре. Такая метеорологическая ситуация наблюдается, например, при прохождении северо-западных циклонов. На высоте 500 м заметно влияние рельефа местности. На уровне 1 км влияние подстилающей поверхности значительно меньше, на высоте 2 км проявление рельефа практически незаметно. Выбросы предприятий Приангарья распространяются до предгорий Ха- мар-Дабана.
Выполнены оценки осаждения твердых взвесей на подстилающую поверхность рассматриваемого региона. Получено, что на площадь 200x200 км2 осаждается 95 % от выбросов частиц радиусом до 20 мкм. Таким образом, крупная фракция аэрозольных частиц осаждается в пределах котловины озера и дождевым стоком попадает в воду, пополняя озерную взвесь [Chemical composition of ... , 1998].
Рис. 2. Изолинии рассчитанных значений концентраций твердых взвесей (в мкг/м3) над районом Прибайкалья при северо-западном ветре скоростью 3 м/с на высотах 500, 1000 и 2000 м над поверхностью озера
Следующая серия численных экспериментов использовалась для исследования влияния источников выбросов диоксидов серы и азота Иркут- ско-Черемховского, Нижнеселенгинского, Улан-Удэнского, Южно- и Северобайкальского промышленных узлов на загрязнение подстилающей поверхности Байкальской природной территории (БПТ). Моделирование процессов распространения и трансформации примесей проводилось в области площадью 500^500 км2 и высотой 4 км над поверхностью оз. Байкал. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 1000 м, шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 350 м он равнялся 50 м, далее - 150, 500, 1000 и 2000 м. Начальная концентрация молекулярного азота N2 принималась равной 0,93 кг/м3, молекулярного кислорода О2 - 0,297, водяного пара Н20 - 7-10'4, молекулярного водорода Н2 - 10-7, озона О3 - 6-10"8 и диоксида азота N02 - 8-10"10. Блок химических реакций, учитывавшихся при численных экспериментах, представлен в работе [Аргучин- цев, Аргучинцева, 2007]. В отличие от [Аргучинцев, Аргучинцева, 2007], расчеты проводились со значением константы скорости реакции R27 (фотохимическая диссоциация диоксида азота), равным 7,8-10"4 с-1.
Сравнение рассчитанных по модели значений концентраций основных загрязнителей и других малых газовых составляющих атмосферы с данными измерений в различных регионах [Бримблкумб, 1988; Гершензон, Звенигородский, Розенштейн, 1990; MOAS: An Absorption ... , 1995; Dimitroulopoulos and Marsh, 1997; Imasu, Suda and Matsuno, 1995; Thompson, 1995] показало, что по порядку величины наблюдается их удовлетворительное соответствие.
На рисунках 3 и 4 представлены распределения интенсивностей осаждения сульфатов и нитратов на подстилающую поверхность БПТ в холодный период года. В долине Ангары изолинии имеют характерную вытянутость из-за преобладающих здесь направлений ветрового потока - северозападного и юго-восточного. В долине Селенги в холодный период наиболее часты западные, юго-западные и восточные ветры, изолинии интенсивностей осаждения вытянуты соответствующим образом. Преобладающие ветровые потоки на северной оконечности Байкала - северо-западный и северовосточный, примеси выносятся в основном на акваторию озера.
Заключение
Оценен вклад предприятий Приангарья, Прибайкалья и Забайкалья в загрязнение оз. Байкал сульфатами и нитратами при атмосферных выбросах. Установлено, что наибольшее влияние на озеро оказывают выбросы предприятий Слюдянки и Байкальска, их вклад составляет 53 % сульфатов и 64 % нитратов. Значительно меньше влияние Иркутско-Черемховского промышленного комплекса - 18 и 25 % соответственно. Менее существенный вклад этого комплекса объясняется удаленностью источников выбросов от озера и наличием орографических неоднородностей, препятствующих переносу примесей. Вклад источников выбросов предприятий Забайкалья составляет 29 % по сульфатам и 21 % по нитратам. Вклад предприятий Севе- робайкальска незначителен.
Рис. 3. Изолинии интенсивности осаждения сульфатов на подстилающую поверхность Байкальского региона, в кг/(км2-мес)
Рис. 4. Изолинии интенсивности осаждения нитратов на подстилающую поверхность Байкальского региона, в кг/(км2-мес.)
Список литературы
Акулов А. О. Влияние угольной промышленности на окружающую среду и перспективы развития по модели декаплинга // Регион: экономика и социология. 2014. № 1(81). С. 272-288.
Аргучинцев В. К., Аргучинцева А. В. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере региона оз. Байкал. Иркутск : Изд-во ИГУ, 2007. 255 с.
Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л. : Гидрометео- издат, 1985. 272 с.