Распределение загрязнения (ч.1)

Распределение загрязнения на локальной территории

Загрязняющий воздух промышленный выброс воздушными потоками выносится из района расположения источника на значительное расстояние. Скорость и дальность переноса загрязнения зависит от турбулентности воздуха и существующего во время эмиссии загрязнения ветрового поля.

Рис. 1. Идеализированный выброс гауссового типа. Ф - сечение выброса перпендикулярно направлению движения; h - высота трубы; H - общая высота выброса, которая является суммой высоты трубы и добавочной высоты, на которую поднимается выброс.

Рис. 1. Идеализированный выброс гауссового типа.
Ф — сечение выброса перпендикулярно направлению движения; h — высота трубы; H — общая высота выброса, которая является суммой высоты трубы и добавочной высоты, на которую поднимается выброс.

Перенос выброса в атмосферном воздухе, как правило, относится к гауссову типу переноса, поскольку среднее сечение выброса (факела) очень сходно с видом распределения Гаусса, имеющего форму колокола. На рис.1. приведен идеализированный вид факела гауссова типа. Следует отметить, что поперечное сечение факела как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении также сходно с видом распределения Гаусса. При выполнении расчетов, как правило, предполагается, что ось y перпендикулярна направлению вектора скорости ветра, ось z является вертикальной осью. Расположение координатной системы приведено на рис.1. Процесс турбулентного рассеивания загрязняющих веществ, распространяющихся от точечного источника непрерывного действия, может моделироваться уравнением Гаусса:

(пояснения используемых символов приводятся ниже)

(пояснения используемых символов приводятся ниже)

На рис.2. показана модель распределения концентрации загрязняющих веществ вдоль оси факела. Близи трубы их концентрации близки к нулю, так как в этой части пространства загрязняющие вещества еще не достигли поверхности почвы, в то время как с увеличением расстояния от источника уровень загрязнения достигает максимального значения, а затем постепенно уменьшается при дальнейшем увеличении расстояния. Максимальная концентрация загрязнения достигается на расстоянии от источника, которое в 5-20 раз превышает высоту трубы.

Рис.2. Распределение концентрации С загрязняющих веществ в приземном слое при перемещении выброса от источника в условиях нейтрального (1) и устойчивого (2) состояния атмосферы при Н=100 м.

Рис.2. Распределение концентрации С загрязняющих веществ в приземном слое при перемещении выброса от источника в условиях нейтрального (1) и устойчивого (2) состояния атмосферы при Н=100 м.

Расстояние на котором регистрируется максимальная концентрация загрязнения в приземном воздухе, зависит и от условий турбулентного обмена в атмосфере. Анализируя отдельные выражения, входящие в уравнение (1) символ C обозначает концентрацию загрязнения, имеет размерность единицы массы, деленной на единицу объема и часто выражается в частях на миллиард (т.е. 10-9 или млрд-1).

В правой части уравнения символ Q обозначает фактор эмиссии источника. Фактор эмиссии выражается в единицах массы, отнесенной к единице времени, т.е. мощность источника (общая эмиттируемая масса загрязнения за единицу времени). Символ π, находящийся в знаменателе дроби, является известной математической постоянной.

Для сомножителя, обозначенные как  σy и σz, являются боковым и вертикальным стандартными отклонениями при диффузии выброса в атмосферном воздухе. Их значение определяется при анализе соответствующего статистического распределения по сечению выброса (как, например, на рис. 1). В условиях атмосферы σy и σz зависят от турбулентности, состояния атмосферы, поля ветра. В условиях значительного  турбулентного обмена воздушных масс, выброс распространяется (расплывается) быстро и σy и σz имеют относительно высокие значения. Как можно увидеть на рис. 1, σy и σz увеличиваются при увеличении расстояния от источника выброса.

Символ u, находящийся в знаменателе дроби уравнения (1), обозначает среднюю скорость ветра в слое атмосферы, в котором распространяется выброс. Значение средней скорости ветра бывает существенным фактором, определяющим значение знаменателя. Это является отражением факта обратной пропорциональной зависимости концентрации и скорости ветра. Так, например, увеличении скорости ветра в 2 раза может привести к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в 2 раза. Скорость ветра в значительной мере влияет на значения стандартных отклонений σy и σz. Этот вывод следует из того факта, что скорость ветра связана со структурой турбулентности в атмосферном воздухе и определяет количество воздуха, которое разбавляет загрязняющие вещества в выбросе при действии процессов турбулентного обмена. В правой части уравнения (1) выражение y2/2σy2 относится к дисперсии концентрации загрязнения по оси, перпендикулярной направлению скорости ветра. Это выражение отражает факт уменьшения концентрации в случае, если рецептор перемещался бы от оси выброса к его периферии. Чем больше дисперсия (размывание загрязнения) по оси y, тем больше будет и значение σy, и, таким образом, этот сомножитель сильнее влияет на уменьшение концентрации загрязнения, поступающего к рецептору.

Второй член в скобках устанавливает соотношение между эффективной высотой выброса и турбулентным переносом загрязнения от этой высоты до земной поверхности. Указанный турбулентный перенос связан с турбулентностью воздуха, которая определяется значениям стандартного отклонения по вертикальной оси выброса или дисперсией σz. Отметим, что значение выражения, стоящего в показателе экспоненты, отрицательное и поэтому величина этого выражения уменьшается при увеличении расстояния от источника.

Эффективная высота выброса (факела) H определяется не только значением физической высоты трубы, но и плавучестью или увеличением момента выброса как такового. Рисунок 1. Иллюстрирует также понятие эффективной высоты выброса.

Высота подъема выброса является важным фактором при определении концентрации загрязнения, рассчитываемой с помощью модели Гаусса по уравнению (1). Представляется полезным провести рассмотрении наиболее важных факторов, влияющих на высоту подъема выброса. Подъем выброса осуществляется в области пространства, непосредственно примыкающего к источнику, где плавучесть выброса еще высока вследствие незначительного разбавления выброса массами окружающего воздуха. Таким образом, направление движения выброса определяется его моментом и тепловыми характеристиками эмиттируемых газов. Подъем выброса на высоту ∆Н зависит по крайней мере от значения шести факторов. Первый из них – общее количество тепла, эмиттируемое источником. Количество тепла в объеме выброса определяет еще одну важную характеристику, влияющую на подъем выброса, —  его плавучесть. Увеличение плавучести ведет к увеличению высоты подъема выброса в уравнении Гаусса.

Подъем выброса также зависит от скорости эмитируемых газов. , скорость которой выше, приводит к подъему выброса на большую высоту. Площадь источника также играет опреде­ленную роль (в сочетании с другими факторами) вследствие того, что больший источник с высокой скоростью эмиттирующий газы в атмосферу, обладающий более высокой температурой газов, обеспечивает и большую плавучесть выброса и более устойчивое состояние атмосферы в течение более длительного времени. Указанные выше факторы обусловливают и большую высоту подъема выброса от источника с большей площадью истечения газов.

Скорость ветра определяет также высоту подъема выброса, так как она влияет на турбулентное перемешивание и разбавление выброса окружающим воздухом. Таким образом, сильные ветры должны уменьшать высоту подъема выброса и его плавучесть. Стабильность атмосферы создает дополнительные ограничения вертикального обмена воздушных масс и, как следствие, может лимитировать высоту подъема выброса. Стабильность атмосферы в значительной степени определяется значением градиента температуры (∆Т/∆z). Подъем выброса является и функцией расстояния от источника х в направлении вектора скорости ветра. Этот факт обусловливается продолжающимся подъемом выброса вне района эмиссии, и в течение этого времени выброс с воздушными массами уже будет перенесен на расстояние х от источника.

В уравнении Гаусса наиболее важными факторами, возможно, являются σy и σz, представляющие влияние поля турбулентности. Атмосферная турбулентность — очень сложное явление, которое детально исследовано, однако мы его рассматривать не будем, а используем лишь те немногие сведения, которые являются ключевыми для понимания процесса распространения загрязнения.

Существует два вида турбулентности: механическая и конвек­тивная. Механическая турбулентность является процессом переме­шивания масс воздуха в атмосфере, обусловленным взаимодействием ветра с шероховатой поверхностью Земли. Элементы шероховатости, такие, как деревья, кустарник, холмы, долины и городские постройки, способствуют образованию вихревых потоков. Этот вид турбулентности зависит от скорости и направления ветра и шероховатости поверхности — при большей шероховатости поверх­ности наблюдается более высокая турбулентность воздуха. Источником конвективной турбулентности является нагревание земной поверхности Солнцем и последующее развитие восходящих потоков воздуха. Поскольку различные районы поверхности Земли нагреваются по-разному, этот факт сказывается и на интенсивности восходящих потоков воздуха. Их взаимодействие с полем горизон­тальной составляющей ветра приводит к образованию замкнутых вихревых потоков. Эти «конвективные ячейки», или «конвективные турбулентные вихри», способствуют рассеиванию загрязняющих веществ. Конвективная турбулентность зависит от степени нагревания земной поверхности Солнцем, которая в свою очередь зави­сит не только от интенсивности солнечной радиации и природы подстилающей поверхности, но и от количества облаков и высоты Солнца над горизонтом.

Интенсивность развития конвективной и механической турбу­лентности в атмосфере зависит еще и от свойства атмосферы, называемого стабильностью. Стабильность является термодинами­ческой характеристикой атмосферы, которая может или ингибировать, или усиливать вертикальные движения воздуха, порождаемые турбулентностью. Очень стабильная атмосфера, состояние которой характеризуется повышением температуры с высотой (называемые инверсией температуры), эффективно препятствует развитию вертикальных движений воздуха. Поэтому любая инверсия препятствует быстрому вертикальному распространению (или разбавлению) потока загрязнения. Так как скорость изменения температуры с высотой (∆Т/∆z) уменьшается и становится отрица­тельной, что свидетельствует о понижении температуры с высотой, вертикальные движения становятся более вероятными и по мере уменьшения скорости падения температуры начинает проявляться турбулентность воздуха, приводящая к увеличению скорости разбавления загрязнения.

Когда условия в атмосфере таковы, что понижение температуры воздуха составляет примерно 1° С на каждые 100 м подъема (такие условия называются адиабатическими), развитие тур­булентности уже не ингибируется и процессы разбавления в таком слое атмосферы протекают с относительно высокой скоростью. При условиях, способствующих сильному нагреванию земной поверхности, изменения температуры с высотой превышают 1° С на 100 м (адиабатическая скорость убывания). В таком сверхадиабатической и очень нестабильной ситуации интенсивно разбавляется турбулентность. Таким образом, при очень нестабильных условиях происходит чрезвычайно сильное разбавление загрязнение и уменьшение его средней концентрации, причем при устойчивом состоянии скорость уменьшения концентрации значительно выше, чем при любом другом термодинамическом состоянии.

Продолжение статьи о распространении загрязнения от источника эмиссии читайте здесь.

Понравился пост? Оценить легко!
1 оценка, среднее: 5,00 из 51 оценка, среднее: 5,00 из 51 оценка, среднее: 5,00 из 51 оценка, среднее: 5,00 из 51 оценка, среднее: 5,00 из 5 (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Оставлять голоса могут только зарегистрированные пользователи.
Загрузка...
Вы можете следить за комментариями с помощью RSS 2.0-ленты. Вы можете оставить комментарий или трекбэк с вашего сайта.

Оставить комментарий

XHTML: Вы можете использовать следующие теги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

?