Численное моделирование локального и мезомасштабного распространения загрязняющих веществ в облачной атмосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат физико-математических наук Пискунова, Елена Геннадьевна

• Пискунова, Елена Геннадьевна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пискунова, Елена Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Анализ существующих методов расчета загрязнения атмосферы различными источниками.

1.1. Существующие подходы в проблеме исследования загрязнения атмосферы.

1.2. Численные методы прогноза загрязнения воздуха.

1.3. Анализ решения уравнения атмосферной диффузии.

1.4. Аппроксимационные формулы расчета концентрации примесей от различных источников.

1.5. Методы расчета количества выбросов в результате промышленной деятельности.

1.6. Прогнозы с применением статистических закономерностей.

1.7. Влияние метеорологических факторов на распространение загрязняющих веществ в атмосфере.

ГЛАВА 2 Анализ распространения загрязняющих веществ в районе аэропорта.

2.1 Методика расчета концентрации загрязняющих веществ от движущегося источника.

2.2. Некоторые результаты расчетов с применением методики.

2.3 Методика расчета валовых выбросов в атмосферу двигателями воздушных судов.

2.4 Результаты расчетов валовых выбросов загрязняющих веществ в районе аэропорта.

2.5. Влияние выбросов воздушных судов на природную среду.

ГЛАВА 3 Расчеты загрязнения окружающей среды при мезомасштабном переносе примесей.

3.1. Модель и методика расчетов.

3.2. Параметры, характеризующие перенос загрязнений на подстилающую поверхность.

3.3. Некоторые результаты расчетов распространения и вымывания продуктов горения нефти.

3.4 Загрязнение окружающей среды холодными выбросами хлора и аммиака в результате аварий.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование локального и мезомасштабного распространения загрязняющих веществ в облачной атмосфере»

Антропогенное воздействие на окружающую среду продолжает возрастать. В районах с высокой степенью урбанизации и численностью населения зачастую наносится непоправимый ущерб природе. Существует угроза локального и мезомасштабного загрязнения воздуха, воды, почвы выше предельного уровня вследствие работы промышленности, транспортных средств, объектов тепло- и энергообеспечения, а также по причине пожаров и аварий на производстве, на транспорте, в быту.

В связи с этим имеет большое значение совершенствование методов оценки загрязнения воздуха от различных источников, проведение расчетов с различными исходными данными и метеорологическими условиями для анализа возможных ситуаций и своевременного выполнения предупредительных действий по недопущению опасного загрязнения окружающей среды [8-10,32,33,49,63,85,87,92,105].

В настоящее время в области физики распространения атмосферных примесей работы ведутся по следующим основным направлениям: исследование распространения примесей при различных метеорологических условиях;

- усовершенствование методов расчета мезомасштабного и дальнего распространения примесей;

- исследования пребывания примесей в атмосфере, вымывания и осаждения;

- разработка научно-обоснованного прогноза по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы.

По этим вопросам уже достигнуты существенные результаты [1-3,712,16-18,26,29,34,35,40,53,57,58,61,66,71,83,84,94,96]. В первую очередь это относится к теоретическим исследованиям распространения примесей в атмосфере и расчетам загрязнения воздуха, внедрению научных разработок в практику государственного контроля за чистотой атмосферы, экспериментальным наблюдениям загрязнения воздушного бассейна в городах и районах расположения крупных промышленных объектов, разработке методов краткосрочного прогноза опасных с точки зрения загрязнения атмосферы метеорологических условий.

К настоящему времени получен ряд результатов в области применения методов расчета загрязнения воздуха в ближней зоне (до 50 км), разработаны методики расчета [12-16,43,50,58,62,63]. Выполнены обширные исследования по климатологии диффузионных параметров, изучена повторяемость различных метеоусловий, определяющих рассеивание примесей. Разработаны и используются при экспертизе промышленных проектов и расчетах загрязнения воздуха программы для ЭВМ, позволяющие определять суммарное поле максимальных и среднегодовых концентраций, а также повторяемости превышения различных уровней загрязнения воздуха для большого числа рассредоточенных источников [12,14,31,46].

Вместе с тем, используемые методы не всегда базируются на достаточно обоснованных физических предпосылках. Имеются и различные подходы к их практической реализации. Недостаточно исследовано мезомасштабное распространение примесей. Поэтому остаются актуальными многие вопросы диффузии атмосферных примесей, в частности:

- моделирование, анализ и прогнозирование загрязнения атмосферы с учетом локальных условий распространения;

- изучение распространения примесей в сложных природных условиях, переноса примесей на дальние расстояния;

- исследование трансформации примесей, самоочищения атмосферы, взаимосвязи загрязнения воздуха и других объектов окружающей среды.

Возможности использования численного моделирования как эффективного инструмента исследования распространения примесей расширяются. Это связано как с развитием физики атмосферы, так и с развитием вычислительной математики и вычислительной техники. В связи с этим растет интерес к разработке моделей атмосферной диффузии примесей для исследования малоизученных проблем их распространения и вымывания.

Целью работы является моделирование локального и мезомасштабного распространения атмосферных примесей от движущихся, кратковременных и длительно действующих источников с учетом процессов осаждения и вымывания в облачной атмосфере при различных метеоусловиях, включая совершенствование методов расчета, анализ условий формирования предельно допустимых уровней загрязнения окружающей среды от техногенных источников (пожары, аварии и др.), исследование накопления вредных веществ на подстилающей поверхности.

Комплекс решаемых в работе задач включает в себя:

- усовершенствование алгоритмов расчета и изучение диффузии легких атмосферных примесей от движущихся источников;

- моделирование мезомасштабного распространения вредных веществ при различных метеорологических условиях;

- исследование влияния метеорологических факторов на перенос и вымывание примесей;

- численное моделирование распространения облака ядовитого газа при разрушении хранилища;

- исследование концентраций загрязняющих веществ на различных расстояниях от холодных источников и оценка опасности при аварийных ситуациях.

Научная новизна:

1. Разработана мезомасштабная модель распространения примесей в атмосфере с учетом их вымывания и осаждения. С помощью модели получены расчетные оценки загрязнения окружающей среды от различных источников в теплый и холодный периоды года и при метеоусловиях не характерных для исследуемого региона. Проведенные исследования позволяют оценить поступление загрязняющих веществ в исследуемый регион в результате мезомасштабного переноса.

2. Разработаны алгоритмы расчета и проведен количественный анализ распространения примесей в районе аэропорта от движущихся источников. Впервые проведен сравнительный анализ объемов выбросов загрязняющих веществ в результате работы авиационных двигателей при сезонном изменении термодинамических характеристик атмосферы.

3. Впервые проанализированы условия формирования предельно допустимых уровней загрязнения окружающей среды от дальних (до 300км) техногенных источников (пожары, аварии и др.). Выполнены расчеты концентраций вредных веществ в приземном слое воздуха и их потоки на подстилающую поверхность, обусловленные вымыванием атмосферными осадками и сухим осаждением.

4. Впервые реализована модель, позволяющая рассчитывать распространение облака ядовитых газов в результате разрушения хранилища. С помощью модели проведена количественная оценка загрязнения окружающей среды на расстояниях до 300 км с учетом поглощения газов подстилающей поверхностью и вымывания туманами и осадками. Анализ выполнен при метеоусловиях, полученных на АМСГ Нальчик и МС Прохладная.

Таким образом, в диссертационной работе на основе численного моделирования решена актуальная задача по исследованию мезомасштабного распространения примесей в атмосфере, имеющая важное прикладное значение для прогноза опасных экологических ситуаций.

Практическая ценность.

1.Развиты методические вопросы моделирования мезомасштабного распространения легких атмосферных примесей. В частности, разработан алгоритм расчета процесса вымывания аэрозолей туманами и осадками, построена модель расчета концентрации ядовитых газов в случае разрушения хранилища, которая включает описание начальной стадии выброса и последующего его распространения.

2. Реализована численная модель мезомасштабного распространения атмосферных примесей с учетом сухого осаждения и вымывания атмосферными осадками при различных метеорологических условиях. Численные эксперименты на её основе позволили глубже изучить закономерности распространения примесей в различные сезоны года.

3. Количественно оценены концентрации загрязняющих веществ в воздухе и почве при аварийных ситуациях - пожаре нефтехранилища, разрушении хранилища ядовитых газов при различных метеорологических ситуациях. Расчеты важны для оценки опасности случайных источников выбросов.

4. Предложенные в работе модели и алгоритмы рекомендуются для использования: в дальнейших прикладных исследованиях по изучению метеорологических аспектов распространения загрязняющих веществ в нижней атмосфере; в физике облаков для исследования распространения и вымывания аэрозолей; в гляциологии для анализа накопления микропримесей в снежном покрове и ледниках и др.

На защиту выносятся:

1. Модель и результаты расчетов распространения загрязняющих веществ от движущегося источника.

2. Модель и результаты моделирования мезомасштабного распространения загрязняющих веществ от горячих и холодных источников с учетом их осаждения и вымывания осадками.

3. Расчетные оценки влияния метеорологических факторов на процессы переноса и накопления загрязняющих веществ.

Обоснованность и достоверность результатов.

Достоверность результатов работы обеспечена корректностью постановки рассматриваемых задач, подбором оптимальных методов их решения, проведением тестовых расчетов с контролем результатов.

Подтверждается соответствием полученных результатов известным теоретическим и экспериментальным данным по распространению атмосферных примесей, представленных в научной литературе.

Количественные оценки по прогнозу уровня загрязнения при различных метеорологических условиях обеспечены большой выборкой численных экспериментов, применением численных методов решения с высокой точностью, сопоставлением результатов, полученных на основе разных моделей.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции молодых ученых ВГИ, посвященной 90-летию профессора Сулаквелидзе Г.К. (г. Нальчик, ВГИ, 2003 г.); V и VI Всероссийских симпозиумах по прикладной и промышленной математике (г. Кисловодск, 2004г. и г.Санкт-Петербург, 2005г. ); 50-й юбилейной научно-методической конференции СГУ "Университетская наука - региону" (г.Ставрополь, 2005г.), на итоговых сессиях ученого Совета и Общегеофизических семинарах Высокогорного геофизического института.

По теме диссертации опубликовано 8 работ в научных журналах и сборниках общим объемом 6,5 печатных листов.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 143 страницы машинописного текста, включая 54 таблицы, 3 рисунка, список используемой литературы из 115 наименований работ, из них 32 на иностранных языках, и приложение на 3 страницах.

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формулируются цели и задачи диссертационной работы, характеризуются теоретические и методологические основы, объект и предмет исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также апробация работы.

В первой главе представлены результаты анализа современного состояния исследований по метеорологическим аспектам распространения примесей в атмосфере.

Проведен аналитический обзор наиболее распространенных методов моделирования и прогноза загрязнения воздушной среды различными источниками выбросов вредных веществ. Рассмотрены существующие алгоритмы и численные схемы расчета, условия их применимости.

Проанализированы основные источники загрязнения воздушной среды в результате промышленной деятельности.

Затронуты вопросы связи между концентрацией загрязняющих веществ и метеорологическими условиями.

В итоге изучения состояния вопроса определены цель и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена исследованию процессов распространения микропримесей от движущихся источников, на примере летательного средства. На режиме разгона произведен расчет концентраций вредных веществ, учитываются метеоусловия: температура, давление, направление и скорость ветра, коэффициенты турбулентной диффузии при различных состояниях атмосферы.

В главе также рассмотрена методика оценки валовых выбросов в атмосферу двигателями воздушных судов при их эксплуатации в приземных слоях и полете при любых атмосферных условиях, скоростях и высотах полета. Представленный подход применим при оценке воздействия воздушных судов на окружающую природную среду.

В результате проведенных расчетов получена количественная оценка влияния атмосферных параметров на массу выбросов загрязняющих веществ при сгорании авиационного топлива.

В последнем разделе главы проанализировано влияние выбросов двигателей воздушных судов на природную среду.

В третьей главе представлены модель и некоторые результаты расчетов загрязнения воздуха и подстилающей поверхности на расстояниях свыше 50 км от горячих и холодных источников с различными параметрами. Результаты получены на основе моделирования с использованием гауссовой модели диффузии легких и газообразных примесей. При расчетах использовались метеорологические параметры, характерные для основных сезонов года исследуемой территории и аномальные метеоусловия.

Изучены концентрации основных загрязнителей в воздухе и почве при пожаре нефтехранилища. При расчетах учитывались процессы сухого осаждения и вымывания микропримесей при их распространении в облачной атмосфере.

В главе с помощью численного моделирования проанализирован также длительно действующий холодный источник. Разрушенное хранилище газа хлора рассматривалось в качестве непрерывно действующего (в течение нескольких суток) источника с температурой выделяющегося газа, близкой к температуре воздуха. Для различных диаметров пробоин и разных скоростей ветра рассчитан массовый расход газов. Исследованы потоки хлора и аммиака на поверхность на больших расстояниях для зимы и лета и при аномальных атмосферных условиях.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационного исследования.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Пискунова, Елена Геннадьевна

Выводы к главе 3

Разработаны алгоритмы расчетов и программное обеспечение гауссовой модели мезомасштабного распространения легких атмосферных примесей с учетом сухого осаждения и вымывания осадками. Модель применима для оценки загрязнения окружающей среды от дальних источников.

Проведены расчеты распространения вредных веществ, при аварийных ситуациях - пожаре нефтехранилища, разрушении хранилища ядовитых газов.

На основе результатов моделирования загрязнения воздуха и подстилающей поверхности на расстояниях свыше 50 км с учетом процессов сухого осаждения примесей и вымывания осадками можно сказать следующее:

Потоки примесей на поверхность за счет сухого осаждения и вымывания осадками при пожарах нефтехранилищ на расстояниях более 50 км зависят от физико-химических свойств примесей, от условий их переноса и в целом невелики за времена в несколько часов.

Распределения выпадающих на почву загрязнений на расстояниях свыше 50 км имеют направленный характер - направлены в стороны главных ветровых потоков в рассматриваемом регионе. Накопление окислов за трехдневный период пожаров нефтехранилищ существенно, и может составлять 0,2 мг/м на расстояниях 50-100 км при рассмотренных метеорологических параметрах.

Величина потоков хлора и аммиака при рассмотренных массовых расходах на расстояниях свыше 50 км незначительна за интервалы времени в 2-3 суток.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработаны алгоритмы расчета и проведен численный анализ распространения вредных примесей в районе аэропорта от движущихся источников. Впервые исследовано загрязнение воздуха в результате работы авиационных двигателей при среднесезонных метеоусловиях региона. По данным расчетов выбросы вредных веществ в а/п Нальчик не превышают безопасных норм.

2. На основе мезомасштабной модели впервые исследовано распространение загрязняющих веществ в атмосфере с учетом их вымывания осадками и поглощения подстилающей поверхностью. С помощью модели получены расчетные оценки загрязнения окружающей среды от различных источников в теплый и холодный периоды года. Результаты исследований позволяют оценить поступление загрязняющих веществ в предгорную зону от дальних источников ( мезомаштабный перенос).

3. С применением метеорологических данных по АМСГ Нальчик впервые проанализированы условия формирования предельно допустимых уровней загрязнения окружающей среды от техногенных источников (пожары, аварии и др.). Потоки примесей на поверхность за счет сухого осаждения и вымывания осадками при пожарах нефтехранилищ на расстояниях более 50 км в целом невелики за времена в несколько часов. Распределения выпадающих на почву загрязнений на расстояниях свыше 50 км имеют направленный характер - вытянуты в стороны главных ветровых потоков в рассматриваемом регионе. Накопление окислов за трехдневный период пожаров нефтехранилищ более существенно, и может составлять 0,2 мг/м на расстояниях 50-100 км при рассмотренных метеорологических параметрах.

4. Впервые реализована модель, позволяющая рассчитывать распространение облака ядовитых газов в результате разрушения хранилища.

С помощью модели проведена количественная оценка загрязнения окружающей среды на расстояниях до 300 км с учетом поглощения газов и вымывания туманами и осадками. Анализ выполнен при метеоусловиях полученных на АМСГ Нальчик и МС Прохладная. Величина потоков хлора и аммиака на подстилающую поверхность при рассмотренных объемах выбросов на расстояниях свыше 50 км незначительна за интервалы времени в 2-3 суток.

5. Реализована численная модель мезомасштабного распространения атмосферных примесей с учетом осаждения и вымывания осадками, которая позволяет рассчитывать концентрации загрязняющих веществ на расстояниях свыше 50 км от источников и, таким образом, исследовать особенности переноса при различных атмосферных условиях. Численные эксперименты на её основе позволили глубже изучить закономерности распространения примесей в различные сезоны года и при аномальных метеорологических условиях.

6. На основе обобщения результатов моделирования разработаны рекомендации по ограничению выбросов для поддержания экологически безопасного состояния окружающей среды.

7. Предложенные в работе модели и алгоритмы могут быть использованы: в дальнейших прикладных исследованиях по изучению метеорологических аспектов распространения загрязняющих веществ в нижней атмосфере; в физике облаков для исследования распространения и вымывания аэрозолей; в гляциологии для анализа накопления микропримесей в снежном покрове и ледниках и др.

Дальнейшие исследования будут направлены на изучение распространения загрязняющих веществ в условиях горно-пересеченной местности.

131

Принимая во внимание выводы, изложенные в работе [12] можно сделать заключение о противоположном характере зависимости концентрации примеси q от скорости w на различных расстояниях от источника. При малых х с увеличением w концентрация q растет, при больших - убывает пропорционально увеличению х. С увеличением высоты Н эти особенности в изменении q сохраняются, причем расстояние, на котором достигается максимум q в зависимости от w, увеличивается, а соответствующее значение wm возрастает. Таким образом, при условии наличия характеристик ожидаемых метеоусловий и режима выбросов от источника можно спрогнозировать уровень концентраций примесей в атмосфере.

1.4. Аппроксимационные формулы расчета концентрации примесей от различных источников

На практике, чаще всего сталкиваются с необходимостью прогноза максимальных концентраций от некоторого источника на некотором расстоянии и определенных метеорологических условиях. Для разработки метода такого прогноза следует разделить неблагоприятные метеорологические условия на нормальные (относительно часто встречающиеся) и аномальные.

В работе [14] для расчета максимальных концентраций предложено использовать формулу:

МК рз qm = сз—нгл, (1.23)

U1 где K=ki/ui9, p3=Pi+0,5, С; и Pi ( i=3,4) постоянные устанавливаемые при аппроксимации результатов численного решения с учетом эффекта осреднения. Значения Сз=0,3, (З3=2,3+2,5, <ро -колебания направления ветра.

В формуле (1.23) за высоту источника должна приниматься его эффективная высота

Не=Н+ДН, (1.24) где Н - высота трубы, а АН- определяется по формуле :

3,75wnRn 1,6 V. AT АН = —-2-1+ --L, (1.25)

U • Tau в которой Vi=7uRoW0- объем уходящих газов в единицу времени, и- скорость ветра на высоте флюгера, Ro- радиус трубы, AT- перегрев примеси, Та-температура атмосферного воздуха. Присутствие в формуле (1.23) параметров ui, kj, <ро указывает на существенную зависимость qmOT метеорологических условий. Устанавливая зависимость между qm и скоростью ветра и, пришли к выводу, что существует некоторая «опасная» скорость ветра um при которой достигается максимальное значение концентрации.

Концентрация qm может быть найдена по формуле: аят 0. (1.26) да

Для определения максимального значения qm следует принять и максимальные значения К, учитывая зависимости kj/uj и ф0 от скорости ветра и температурной стратификации. В результате оценки возможных зависимостей qm от метеоусловий, пришли к выводу, что значение опасной скорости ветра определяется соотношением: um=vm при vm< 2 м/с, um=vm( 1 +0,12 Vf )при vm>2 м/с, (1.27) где

IV, AT vm = °>65?l H f = 2.103^-. (1.28) h2at

Наибольшая концентрация cm для группы N близко расположенных источников с одинаковыми параметрами выброса в случае неблагоприятных метеоусловий, характеризующихся интенсивным турбулентным обменом и значением опасной скорости um может быть определена из работы [12]: н2 V V AT v у где V=NVi- суммарный объем газов, а А = а--— lu, = 2 мм /с . и х<р

Параметр а зависит от шероховатости подстилающей поверхности Zo и высоты приземного слоя h. Коэффициент А определяется климатическими зонами и зависит от температурной стратификации. Коэффициент F различен для газов, аэрозолей, пыли и зависит от дисперсности частиц примеси. Коэффициенты тип определяются в зависимости от параметров vm и f. Для определения перечисленных коэффициентов достаточно воспользоваться источником [12], в котором указана методика определения этих параметров.

Расстояние хт от источника, на котором достигается максимальная концентрация ст определяется по формуле: xm=d0H, (1.30) где d0=l/4(5-F).

В случае, когда скорость ветра отлична от опасной и Ф им, максимальная концентрация сми, и соответствующее ей расстояние хми могут быть определены из соотношений:

Сми~~Г'См И Хми-р "Хм .

Для определения коэффициентов г и р достаточно воспользоваться работой [12].

Зависимость концентрации на оси факела с от расстояния х при и = и выражается формулой: ш к, c=cMS,(x/xM), (1.31) при u^uM- c=cmuSi(х/ xmu). (1.32)

Концентрация на расстоянии у от оси факела определяется с помощью выражения: cy=c-S2[u(y/x)2]. (1.33)

Графики для определения функций sj и можно найти в работе [12].

В случае холодных выбросов или при f > 100 м/(с -°С) максимальная концентрация примеси рассчитывается по формуле:

34)

4VH в предположении, что коэффициент п находится для vM=2,6(w0Ro/H). Приближенно можно считать: uM ~ vM при vM < 2м/с uM=2,2vM при vM >2м/с. (1.35)

Обычно для мощных нагретых выбросов им принимается равной 3,5м/с, для холодных выбросов uM = 1-К2 м/с.

Рассмотрим случай выбросов примеси в атмосферу от линейных источников [12]. Пусть линейный источник имеет конечную длину и расположен по оси у в интервале (L1}L2)» направление ветра составляет угол р

С ОСЬЮ X.

Тогда для источника длиной 1 с координатами границ Lj и L2 по оси у расчетная формула имеет вид: Lс J-C' Iм г Га' -TjSinP^ fs,

J1 u. b'-nCosp a' -TjSinP; dr),

1.36) где c'M, u'm, x'm -величины cM, uM, хм для точечного источника, рассчитанные при Ro=Re , Vi=Vie и значении М равном общему выбросу примеси из всегоисточника, ri-отрезок переменной длины в интервале (L1JL2), a'=xCosp + ySinj3 ,b'=yCos|3 +xSinp ,Re =ld/(l+d), / x d размерность и Vle=rcR2eWo.

В случае, когда линейный источник представлен достаточно протяженным потоком автомашин, двигающихся вдоль улицы, тогда его можно рассматривать, как бесконечно длинный источник, расчет концентрации примеси может быть проведен по формуле: ulZ1+n а,М (l+n)2k х

Чл=—е > (1-37) kjX где а!=1/(п+1).

При расчетах концентрации примеси необходимо рассмотреть случай выбросов от источников примерно одного типа, и расположенных на некоторой площади (площадных источников). Сложность этих расчетов заключается в отсутствии точных данных о выбросах каждого из них. При расчете концентрации примеси от площадного источника используются известные данные по суммарным выбросам и некий ориентировочный начальный подъем. Допустим, что площадной источник находится на территории города, имеющего форму прямоугольника со сторонами Lj и L2, соответственно вдоль и поперек направления ветра с началом координат, совпадающим с серединой наветренной границы города. Тогда для расчета концентрации примеси можно воспользоваться формулой, предложенной в работе [16]: М

Яп(х> У) = 2y + L,

2 (x-Lj)@(X-Lj)

Cerfrj 1

1.38)

Л2 =

2y-L2 где ©(х)-единичная функция, равная 1 и 0 соответственно при положительном и отрицательном аргументе, q'-концентрация от линейного л Н источника, с, = —. h

При прогнозе наибольшей концентрации от рассредоточенных по территории источников авторы работы [15] предложили следующий подход. Для расчета концентрации примеси использовать зависимость концентрации от направления ветра и расстояния от источника выбросов. При увеличении расстояния от источника по направлению ветра концентрация примеси убывает значительно медленнее, чем в других направлениях. Поэтому, в случае группировки источников вблизи одной прямой, наибольшая концентрация будет наблюдаться вдоль этой прямой. Следовательно, целесообразно проводить расчеты для направлений ветра вдоль линий, соединяющих основные по мощности и наиболее удаленные по площади источники. При каждом направлении ветра определяются положения точек, соответствующие максимальным концентрациям от каждого отдельного источника. Затем для этих точек производится вычисление суммарной концентрации при средневзвешенной опасной скорости ветра им.с, которую приближенно можно определить по формуле: N

ScMiuMi uM.c=H--(1-39)

ICMi 1=1 где N -общее число источников, см, и uMj — значения максимальной концентрации и опасной скорости ветра для i-ro источника.

Для прогноза загрязнения атмосферного воздуха от группы источников или отдельного источника может быть использован метод численного интегрирования уравнения атмосферной диффузии. Данный подход предполагает решение уравнения турбулентной диффузии примеси с учетом нестационарного члена f + u§4kz^+kxg + kyg + S(x,y,z), (L40) at дх dz dz дх ду для начальных и граничных условий q=0 при t=0, kz — = 0 при z=0 и z = Н. dz

Уравнение решается численно без учета начального подъема примеси. Таким образом, реализация решения заключается в непосредственном интегрировании нестационарного трехмерного уравнения диффузии для определения ожидаемой концентрации примеси в интересующих точках с учетом конкретной площади размещения источников. Данная задача может быть сведена к квазистационарной постановке и уравнению (1.2), методы решения которого были рассмотрены выше.

Представляется также необходимым рассмотреть методику расчета концентрации примеси от точечного источника [80]. Решение используется для расчета распространения примеси от наземного (или приподнятого) источника, работающего достаточно долго, чтобы процесс можно было считать устоявшимся. Если при этом рассматривать условия, когда выбросы увлекаются ветровым потоком со скоростью и, то расчеты для определения концентрации примеси проводятся по формуле [9]: c(x,y,z)

Qu 1

4njkykzx exp

2 с у U

-- ехр

4к у z - h) u

4kzx exp z + h )u

4kzx

1.41) где u-скорость ветра; h-высота расположения источника; <3=Ы(с1т/с1т)-число частиц поступающих от источника в единицу времени; т- время; к-коэффициент турбулентной диффузии; Ox-направление по потоку, Оу-поперек его, Oz-высота.

1.5. Методы расчета количества выбросов в результате промышленной деятельности

В результате промышленной деятельности в атмосферу выбрасывается большое количество загрязняющих веществ. Для определения объемов выбросов необходимо иметь методы, позволяющие провести их оценку. В данном параграфе приводятся формулы и методы расчета количества выбросов от различных видов деятельности.

Расчет выбросов вредных веществ от автотранспорта

В отличие от промышленных источников загрязнений, привязанных к определенным площадкам и отделенных от жилой застройки санитарно-защитными зонами, автомобиль является движущимся (нестационарным) источником загрязнения, широко встречающимся в жилых районах и местах отдыха. Автомобильные газы представляют собой чрезвычайно сложную, недостаточно изученную смесь токсичных компонентов, основными из которых являются азот, кислород, пары воды, диоксиды углерода и азота, углероды, альдегиды и др.

Состав выхлопных газов автомобиля колеблется, в значительной степени зависит от ряда факторов: типа двигателя (карбюраторный, дизельный), режима его работы и нагрузки, технического состояния, качества топлива, квалификации и опытности водителя. В методических указаниях по расчету выброса вредных веществ автомобильным транспортом при его движении основой является средний удельный выброс по автомобилям отдельных групп (грузовые, автобусы, легковые). При этом выброс вредных веществ корректируется в зависимости от технического состояния автомобилей, их среднего возраста, влияния природно-климатических условий на количество выбросов. Коэффициент влияния природно-климатических условий принимается равным 1.

Для автомобилей парка масса выброшенного за расчетный период вредного i-того вещества М при наличии в группе автомобилей с различными типами ДВС (с бензиновыми, дизельными и газовыми и др.) определяется по формуле [14]: где: i-число групп автомобилей, т^- удельный выброс j-того вредного вещества автомобилем i- той группы с двигателем k-того типа на расчетный период г/км; Zik- пробег автомобилей i-той группы с двигателями k-того типа за расчетный период, мил.км.; kik2- произведение коэффициента влияния технического состояния и среднего возраста автомобилей на выброс j-того вредного вещества автомобилями i-той группы с двигателями k-го типа.

Удельные выбросы (г/км) оксида углерода, углеводородов, оксидов азота для всех групп автомобилей в соответствии с [24,64] приняты постоянными.

Определение количества выбросов вредных веществ при сварке и наплавке металлов.

Количество вредных веществ, выделяемых в воздушный бассейн в процессе сварки, наплавки и напыления, можно определить по формуле [69i к

M,T = ZInijikzikkik2 ,

1.53)

М* = 10"3 Кх а, кг/ч

1.54) где: Кх -удельный показатель выделения ингредиента х, г/кг сварочных материалов (в зависимости от способа наплавки и сварки, марок электродов, наплавочного материала, флюса и т.д.); определяется по данным [70], а -масса расходуемых электродов, наплавочного материала или газовой смеси, кг/ч.

Определение количества выбросов вредных веществ при резке металлов.

Количество вредных веществ, выделяемых в воздушный бассейн в процессах резки металлов, можно определить по следующей формуле [70 ]:

Mjx= 10-3KBXL, кг/ч (1.55) где: Кв- удельный показатель выделения ингредиента, г/пог.м реза, при толщине разрезаемого металла равным 8 , L-длина реза, пог.м./ч.

Расчет выделений вредных веществ при механической обработке древесины.

Характерные выделения вредных веществ при производстве деревообделочных работ: опилки, стружка, шлифовальная пыль.

Количество пыли, поступающей в воздушный бассейн при обработке древесины на деревообрабатывающих и шлифовальных станках, можно определить по формуле [70]:

Q=(KoQ,KBKn/100Xl-K3/100), ( 1.56 ) где: Кп - % содержания пыли в отходах (таблица 1.1); Ко - коэффициент эффективности местных отсосов (принимается 0,9); Qr количество древесных отходов, получаемых при обработке древесины на различных станках в кг/ч; Кв - коэффициент использования машинного времени; К, -степень очистки воздуха пылеулавливающим оборудованием % .

Значения коэффициентов Кп, К0, Кв, Кэ определяются по данным [70] Таблица 1.1 -Данные фракционного состава пыли при обработке древесины

Технологический процесс Содержание пыли в отходах, Кп %

Пиление 36.0

Фрезерование 12.5

Сверление 18.0

Строгание 12.5

Шлифование 90.0

Исч. технологической щепы 1.0

Отходы технологической щепы 10.0

Изготовление сухой стружки 20-25

Отходы сухой стружки 25-30

Расчет выделений загрязняющих веществ в атмосферу при зарядке аккумуляторных батарей.

В процессе зарядки в атмосферу выделяются серная кислота при зарядке аккумуляторных батарей и щелочь при зарядке щелочных аккумуляторов. Удельные показатели выделения серной кислоты и щелочи в процессах зарядки аккумуляторных батарей в зависимости от электрической емкости или от расхода электролита приведены в таблице 1.2 [70]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пискунова, Елена Геннадьевна, 2005 год

1. Амвросов А.Ф. Особенности распространения и рассеяния примеси над горным районом. // Труды ИЭМ,- 1990.- вып. 51 (142).- с 45-52.

2. Аршинова В.И. и др. Некоторые данные о загрязнении воздуха в Москве и его связи с метеорологическими условиями. //Труды. ЦВГМО- 1972.- вып. 2, -с. 110-117.

3. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей. Под редакцией Ф. Т. М. Ньюстада и X. Ван Допа.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-351 с.

4. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы.-М.: Наука, 1987.-600 с.

5. Безуглая Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980.-184 с.

6. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-199 с.

7. Безуглая Э.Ю. Чем дышит промышленный город.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-251 с.

8. Беккер А.А., Агаев Т.Б. Охрана и контроль загрязнений природной среды.-Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-432 с.

9. Бекряев В.И. Практикум по физическим основам воздействия на атмосферные процессы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-90с.

10. Берлянд М.Е. К теории турбулентной диффузии. // Тр. ГГО.-1963.- вып. 138.-с. 31- 37.

11. И. Берлянд М.Е. Генихович Е.Л., Оникул Р.И. О расчете загрязнения атмосферы выбросами из дымовых труб электростанций. // Труды ГГО.-вып.- 158.- 1964.-с. 3-21.

12. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-265 с.

13. Берлянд М.Е. и др. Численное исследование атмосферной диффузии при нормальных и аномальных условиях стратификации. //Труды ГГО.-1964.-вып.- 158.- с. 22-32.

14. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-448 с.

15. Берлянд М.Е., Оникул Р.И. Физические основы расчета рассеивания в атмосфере промышленных выбросов. // Труды ГГО.-1968.- вып. 234.- с.3-27.

16. Берлянд М.С., Генихович Е.А., Оникул Р.И., Чичерин С.С. О расчете интегральных характеристик загрязнения воздуха на территории города. // Труды ГТО.-1979.-ВЫП. 436.- с. 17-29.

17. Бобко А.К., Пилипенко А.Т., Пятницкий И.В., Рябушко О.П. Физико-химические методы анализа.-М.:Высшая школа, 1968.-335 с.

18. Бронштейн Д.Л., Александров Н.Н. Современные средства измерения загрязнения атмосферы.- Л.: Гидрометеоиздат, 1989.-327 с.

19. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. -Л.: Гидрометеоиздат, 1980.352 с.

20. Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. -М.: Гидрометеоиздат,1974.-191 с.

21. Бызова Н.Л., Нестеров А.В. Приземная концентрация и поток оседающей примеси. // Метеорология и гидрология.- № 1.- 1983.- с 30-36.

22. Владимиров A.M., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Т. Охрана окружающей среды.-Л.: Гидрометеоиздат, 1981.-480 с.

23. ВнуковА.К.Защита атмосферы от выбросов энергообъектов. Справочник. М.: Энергоатомиздат.1992.- 175 с.

24. Воздействие выбросов автотранспорта на природную среду. Рига: Винатне, 1989.-140 с.

25. Волков Е.А. Численные методы. М.:Наука,1982.-248 с.

26. Гаргер Е.К. К оценке скорости и направления переноса примеси в пограничном слое атмосферы. // Труды ИЭМ.- 1984.- вып. 37 (120.- с 55-65.

27. Гильберт К.А., Бигдергауз М.С. Курс газовой хроматографии,- М.: Химия, 1974.-375 с.

28. ГОСТ 17.2.2.04-86.Двигатели газотурбинных самолетов гражданской авиации. Нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ.

29. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1997 году. Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. -М.: Государственный центр экономических программ, 1998.-608 с.

30. Залиханов М.Ч., Тлисов М.И. Оценка влияний военных действий на окружающую природную среду Чеченской республики. -М.:2000.-208 с.

31. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник. Под редакцией С.Калверта и Г.Инглунда. М.: Металлургия, 1988.-Т.2. 712 с.

32. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.- М.: Гидрометеоиздат, 1984.-560 с.

33. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере.- JL: Гидрометеоиздат, 1983.- 192 с.

34. Кизильштейн Л.Я. Оценка загрязнения атмосферного воздуха. Ростов на Дону : 1994.- 44 с.

35. Киселев В.Б., Ивлева Т.П., Сонькин Л.Р. Выделение наиболее информативных комплексов, предикторов для прогноза загрязнения воздуха. // Труды ГГО.- 1979.- вып. 436.- с. 60-67.

36. Кротова И.А., Натанзон Г.А. Влияние подстилающей поверхности на распространение невесомой примеси в приземном слое атмосферы. //Труды ИЭМ.- 1978,.- вып. 21 (80).- с. 45-52.

37. Лоренц Э.Н. Природа и теория общей циркуляции атмосферы .-Л.: Гидрометеоиздат, 1970.-256 с.

38. Мак-Ивен М., Филлипс Л. Химия атмосферы. -М.: Мир, 1978.-375 с.

39. Манита М.Д., Салихджанова Р.М.Ф., Яворовская С.Ф. Современные методы определения атмосферных загрязнений исследованных мест. М.: Медицина, 1980.-254 с.

40. Матвеев Л.Т. Основы общей метеорологии. Физика атмосферы. -Л., Гидрометеоиздат, 1984.-636 с.

41. Метеорологический ежемесячник. Северокавказское территориальное управление по гидрометеорологии. Обнинск, вып. 5-13.

42. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу двигателями основных типов воздушных судов. М: Министерство гражданской авиации, 1991.-18с.

43. Меры по уменьшению выбросов органических соединений из стационарных источников. М.: Госкомприрода РСФСР, 1990.

44. Методика контроля загрязнения атмосферного воздуха в окрестности аэропорта. М: Министерство гражданской авиации, 1992.-57с.

45. Методические указания. Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях. РД 52.04.52-85. Госкомгидромет СССР, 1985.

46. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.1. М.: Наука, 1965.-410 с.

47. Обухов A.M. Турбулентность и динамика атмосферы.-Л.:Гидрометеоиздат, 1988.-413 с.

48. ОНД-86.Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредныхвеществ,содержащихся в выбросах предприятий.-JI.: Гидрометеоиздат,1987.

49. Перегуд Е.А., Быховская М.С., Чернет Е.В. Быстрые методы определениявредных веществ в водухе.- М.: Химия, 1970.- 358с.

50. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контролязагрязнения атмосферы.-JT.: Химия, 1981.-384 с.

51. Пискунова Е.Г. Анализ распространения загрязняющих веществ от " движущегося источника// V Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике, Кисловодск.-ОППМ.-2004.-№2.- Т5.- с. 45-46.

52. Пискунова Е.Г., Керимов A.M., Корчагина Е.А., Шаповалов А.В. Расчеты загрязнения окружающей среды при мезомасштабном переносе примесей для предгорной зоны КБР// Известия КБНЦ РАН.- Вып. 2(12), 2004.-е. 5964.

53. Пискунова Е.Г., Шаповалов А.В. Численное моделирование распространения и вымывания легких примесей в облачной атмосфере// VI Всероссийский симпозиум по прикладной и промышленной математике.- Санкт-Петербург. ОППМ, 2005.- Т12, №2.- с. 475-476

54. Пискунова Е.Г., Тлисов М.И., Шаповалов А.В. Численное моделирование локального и мезомасштабного распространения загрязняющих веществ в атмосфере.-Нальчик, 2005г.-75 с.

55. Пономаренко И.М. Краткосрочный прогноз высокой общей загрязненности воздуха на примере Киева.// Метеорология и гидрология.-1975.-№10.- с. 43-50.