Методика расчёта рассеивания выбросов¶

Методика расчёта рассеивания выбросов — это совокупность математических моделей, алгоритмов и нормативных документов, используемых для оценки концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе после их поступления от стационарных и передвижных источников. Данная методика применяется в природоохранной деятельности, при проектировании промышленных объектов, проведении экологической экспертизы и нормировании выбросов. Основная цель — определить, не превышает ли расчётная приземная концентрация вредных веществ установленных гигиенических нормативов (предельно допустимых концентраций — ПДК) на границе санитарно-защитной зоны и в жилой застройке.

¶История развития

Первые методики расчёта рассеивания выбросов появились в середине XX века, когда началось массовое промышленное загрязнение воздуха. В СССР в 1960-х годах была разработана «Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86), которая стала основой для нормирования. В 2017 году в России вступил в силу Приказ Минприроды России от 06.06.2017 № 273, утвердивший «Методы расчётов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе» (далее — Методика-2017). Этот документ заменил устаревшую ОНД-86 и учитывает современные требования к точности, а также положения Европейской экономической комиссии ООН. В 2021 году были внесены изменения, касающиеся учёта фонового загрязнения и особенностей расчёта для городов с плотной застройкой.

¶Основные принципы и модели

Методика расчёта рассеивания выбросов основана на гауссовой модели распространения примесей в атмосфере. Согласно этой модели, концентрация загрязняющего вещества в точке с координатами (x, y, z) описывается функцией, зависящей от мощности выброса, скорости и направления ветра, температуры воздуха, а также параметров источника (высоты трубы, диаметра устья, скорости выхода газов). Ключевые допущения:

турбулентная диффузия в атмосфере описывается нормальным законом распределения;
выброс распространяется в виде факела, форма которого зависит от метеоусловий;
взаимодействие между различными загрязнителями не учитывается (аддитивность).

¶Гауссова модель

Для точечного источника с непрерывным выбросом концентрация C (мг/м³) рассчитывается по формуле:

C = (M / (2π·u·σy·σz)) · exp(-y² / (2σy²)) · [exp(-(z-H)² / (2σz²)) + exp(-(z+H)² / (2σz²))]

где:

M — мощность выброса (г/с);
u — скорость ветра (м/с);
σy, σz — коэффициенты турбулентной диффузии (зависят от расстояния и класса устойчивости атмосферы);
H — эффективная высота источника (с учётом подъёма факела);
y — поперечная координата;
z — вертикальная координата.

¶Классы устойчивости атмосферы

В методике выделяют шесть классов устойчивости атмосферы по Паскуиллу — Гиффорду (A — сильная неустойчивость, F — сильная устойчивость). Для каждого класса определены эмпирические зависимости σy и σz от расстояния. В России дополнительно учитываются категории по шкале Тернера, адаптированные к климатическим условиям.

¶Нормативная база в России

В России расчёт рассеивания выбросов регламентируется следующими документами:

Приказ Минприроды России от 06.06.2017 № 273 (с изменениями) — основной методический документ.
СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» — устанавливает ПДК загрязняющих веществ.
ГОСТ Р 58577-2019 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы расчёта рассеивания выбросов вредных веществ» — содержит дополнительные рекомендации.
РД 52.04.52-2019 — руководящий документ Росгидромета по расчёту фонового загрязнения.

¶Порядок расчёта

Сбор исходных данных: характеристика источника (высота, диаметр устья, температура и скорость выхода газов, состав выбросов), метеорологические параметры (средняя скорость ветра, повторяемость направлений, температурные градиенты), фоновые концентрации.
Выбор расчётной площадки: определяется зона влияния выбросов (обычно радиусом до 10–20 км от источника).
Расчёт максимальных приземных концентраций: для каждого загрязняющего вещества и для каждого направления ветра вычисляется максимальная концентрация (Cм) и расстояние, на котором она достигается (Xм).
Учёт фона: к расчётной концентрации прибавляется фоновая, полученная по данным мониторинга.
Сравнение с нормативами: если Cм + Cфон > ПДК, то выбросы считаются превышающими допустимые, и требуется разработка мероприятий по снижению.

¶Программное обеспечение

Для автоматизации расчётов используются специализированные программы:

«Эколог-Норм» (разработчик — НПП «Экоцентр», Россия) — сертифицированная программа, реализующая Методику-2017.
«УПРЗА «Эколог» — универсальная программа расчёта загрязнения атмосферы.
AERMOD (США) — модель, рекомендованная Агентством по охране окружающей среды США, иногда применяется в России для сложных рельефов.
CALPUFF — лагранжева модель для расчёта на больших расстояниях.

¶Применение

Методика расчёта рассеивания выбросов используется в следующих сферах:

Экологическое проектирование: при разработке проектов нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) для предприятий.
Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС): для обоснования размещения новых объектов.
Государственная экологическая экспертиза: проверка соответствия проектных решений нормативам.
Мониторинг загрязнения: интерпретация данных наблюдений и прогнозирование неблагоприятных метеоусловий (НМУ).
Судебная практика: при разрешении споров о превышении выбросов и нанесении вреда здоровью.

¶Ограничения и критика

Методика имеет ряд недостатков:

Гауссова модель плохо описывает распространение в условиях сложного рельефа (горы, ущелья) и в городской застройке с плотной высотной застройкой.
Не учитываются химические трансформации загрязнителей (например, образование вторичных аэрозолей).
Предположение о стационарности метеоусловий в течение часа может приводить к погрешностям при штилях или резких сменах ветра.
В России критикуется недостаточный учёт фонового загрязнения от автотранспорта, особенно в крупных городах.

В 2020-х годах ведётся работа по адаптации методики к условиям цифрового моделирования (CFD-модели) и внедрению вероятностных подходов, учитывающих неопределённость исходных данных.

¶Интересные факты

В СССР в 1970-х годах для расчётов использовались логарифмические линейки и таблицы, а первые программы на ЭВМ занимали несколько часов счёта.
В Методике-2017 впервые введён учёт «застройки» — влияния зданий на аэродинамику факела.
Для особо опасных веществ (например, бенз(а)пирена) расчёт ведётся по отдельным, более строгим формулам.

¶Источники

Приказ Минприроды России от 06.06.2017 № 273 «Об утверждении методов расчётов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе».
СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».
ГОСТ Р 58577-2019 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы расчёта рассеивания выбросов вредных веществ».
РД 52.04.52-2019 «Методические указания по определению фонового загрязнения атмосферного воздуха».
Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. — М.: Госкомгидромет, 1989.