Основні науково-теоретичні положення  

Основні науково-теоретичні положення

12

Практична робота №1

Тема: Моделювання процесу концентрації домішок в атмосфері у зоні викидів стаціонарного джерела

Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок розрахунку концентрації домішок в атмосфері у зоні викидів стаціонарного джерела.

Об’єкт дослідження – приземний шар атмосферного повітря у зоні викидів локального одиночного точкового стаціонарного джерела.

Предмет дослідження – процес концентрації домішок у повітрі.

Завдання – розрахувати показники концентрації забруднюючих речовин у приземному шарі атмосферного повітря в зоні викидів техногенного стаціонарного джерела.

Основні науково-теоретичні положення

Рівень забруднення, тобто концентрація забруднюючих речовин у зоні викидів в атмосферне повітря, формується під впливом багатьох факторів. Результати наукових досліджень дозволяють стверджувати, що формування величини рівня забруднення повітря даною речовиною у конкретній точці залежить перш за все від таких факторів: географічного місця розміщення джерела викидів; рельєфу місцевості, де розташоване джерело; кліматичних умов; параметрів джерела викидів; параметрів пилогазоповітряної суміші факела викидів; технологічних умов виходу цієї суміші із гирла джерела (отвору труби); координат пункту відбору проби повітря по відношенню до джерела викидів (розрахункової точки, в якій досліджується забруднення повітря).

Названі фактори впливу на формування рівня забруднення атмосфери не вичерпують їх переліку. Зазначимо ще один – фактор часу, оскільки відомо, що всі без винятку явища в природі плинні у просторі і часі. Не виняток і досліджуваний процес. Поле концентрації домішок в атмосфері у зоні їх викиду зазнає безперервних змін під дією факторів впливу як у горизонтальному, так і вертикальному напрямках.

Горизонтальна складова швидкості переміщення домішок обумовлюється головним чином швидкістю вітру.

Вертикальна швидкість переміщення в кожен момент часу визначається різницею між швидкістю вертикального потоку повітря і швидкістю осідання частинок домішок.

Вектор цих швидкостей зумовлює траєкторію переміщення і форму поля забруднення та його рівень у кожній окремій точці простору.

Розглянемо вплив географічного місця розташування джерела викиду на формування рівня забруднення атмосфери.

Місцевість залежно від її географічних координат завжди має свої регіональні (зональні) особливості. Такі, наприклад, як кліматичні, геологічні, грунтово-рослинні та інші. Особливо важливо те, що залежно від цих специфічних особливостей вона може по-різному впливати на здатність самоочищення повітря від забруднюючих речовин. Тому відповідно до цього вся територія земної кулі зонована залежно від величини метеокліматичного потенціалу самоочищення атмосфери на п'ять типів. Перший тип має найбільш низьку здатність до самоочищення. На нашій території це найбільш північна маленька частина території країни (північніше 52о п.ш.). Другий тип має більш помірну здатність до самоочищення. Практично це вся територія України за винятком І зони і південно-східної та південно-західної її частини. Третій тип має підвищений потенціал самоочищення. Це крайня південно-східна і крайня південно-західна територія України.



Крім потенціалу самоочищення, місцевість обумовлює специфічні фізичні процеси в атмосфері (такі, як турбулентність, стратифікація, конвекція і т.п.).

Інверсійна стратифікація спостерігається у випадку, коли температура повітря в шарах на різній висоті сильно послаблює турбулентний обмін та переміщення забруднюючих речовин від земної поверхні із низького приземного шару в більш високі шари атмосфери. З цієї причини при утворенні інверсій домішки, які викидає наземне джерело, залишаються поблизу земної поверхні і тим самим створюють підвищений рівень їх концентрації в зоні їх викиду. Зазначимо, що в міських населених пунктах більш частіші припідняті інверсії (близько 46% загальної кількості, тобто коли їх нижня межа не збігається із земною поверхнею, а знаходиться на деякій висоті). Менш частіші приземлені (до 13%, у яких нижня межа збігається із земною поверхнею). Для сільської місцевості, навпаки, припідняті становлять менше 15%, а приземні - 38%. Це викликано, в першу чергу, великим об'ємом антропогенних викидів у містах. До того ж антропогенний потік у містах досягає 10% сумарного припливу сонячної радіації, теплоти в грунт та теплоти, яка витрачається на випаровування.

Звичайно в природних умовах вночі складаються більш сприятливі умови для формування приземної інверсії радіаційного проходження (вертикальний градієнт температури повітря γ < 0). У цей час відбувається особливо інтенсивна втрата теплоти земною поверхнею.

Проте в цей самий час під впливом збільшеного зустрічного випромінювання атмосфери за рахунок наявності в ній високих концентрацій домішок та водяної пари в населених пунктах (великих містах) ефективне випромінювання поверхні землі значно нижче, ніж на околицях. Оскільки вночі в містах тепловий потік із землі за своєю абсолютною величиною значно більший, ніж на околицях, то вночі в містах поблизу поверхні більш позитивне значення вертикального градієнта температури (γ > 0).

Температура в приземному шарі не підвищується, як це має місце на околицях, а навпаки, знижується з висотою. Відповідно інверсія при цьому піднімається на деяку висоту (Z) над поверхнею землі.

При розгляданні процесів стратифікації звичайно вважають, що приземний шар атмосфери обмежується висотою Z=50-100 м, а прикордонний досягає висоти 1000 м.

Концентрація забруднюючої речовини в приземному шарі атмосфери над сушею визначається швидкістю вітру і турбулентним обміном (для стаціонарних джерел і для речовини, яка зберігається тривалий час у повітрі). Однією з головних характеристик приземного шару є збереження в ньому по висоті вертикальних потоків тепла і кількості руху. Для нього зі збільшенням висоти властива значна зміна швидкості вітру, температури, турбулентності, а також виявлення впливу сталості і тривкості атмосфери, який пов'язаний із температурною стратифікацією.

Вирізняють такі умови стратифікації:

- байдужа (вертикальний потік тепла близький до нуля, а зміни температури повітря з висотою відбуваються за адіабатичним законом, тобто мало змінюються);

- небайдужа (температурний градієнт істотно відрізняється від нуля);

- нестійкий стан (із зверхньо адіабатичним градієнтом температури, коли стратифікація сприяє розвитку випадкових збурень у повітряному потоці і посиленню турбулентного обміну);

- сталий стан (власне стратифікація, коли температура збільшується із висотою).

Якщо в атмосфері є інверсія температури, то збурення в потоці згасають, і інтенсивність турбулентного обміну слабшає.

Дослідимо вплив ефекту температурної стратифікації атмосфери. Наявність тих чи інших умов стратифікації атмосфери по-різному впливає на формування поля забруднення. Порівняно з характером забруднення даним джерелом викиду за відсутності стратифікації повітря стійка стратифікація віддаляє зону максимального забруднення (х2) і в цілому зменшує абсолютний його рівень. Навпаки, нестійка стратифікація наближає цю зону (х3) до джерела та збільшує в ній рівень концентрації забруднюючих речовин.

Ефект впливу температурної стратифікації атмосфери за несприятливих метеоумов (за яких концентрація речовин має максимальний рівень) обчислюється спеціальним коефіцієнтом (А) при розрахунках рівня забруднення.

На території України цей показник має такі значення: А=160 для території північніше 52о п.ш., А=180 для території від 52о до 50о п.ш. та А=200 південніше 50о п.ш.

Розглянемо вплив метеокліматичних умов на процес формування рівня забруднення атмосфери. Перш за все необхідно зазначити, що на рівень забруднення в будь-якій точці простору в зоні джерела викидів забруднюючих речовин безпосередньо впливають такі метеофактори, як швидкість і напрям вітру та температура повітря.

Температура атмосферного повітря (Та) в розрахунках концентрації домішок у заданій точці, яка дорівнює максимальній для найбільш жаркого місяця року (липень) за даними СН і ПУ або за даними гідрометеослужби для даної місцевості. Вона може визначатися окремо для холодної і теплої пори року (середньодобова температура відповідно Тх<0оС або Тт>0оС).

Різниця між температурою суміші (Тс) на виході з гирла джерела і температурою (Та) атмосферного повітря (перегрів факела) викликає деякий початковий підйом осі факела на висоту (ΔZ). Цей підйом спостерігається іноді на відстані в кілька кілометрів і досягає сотень метрів. Цей фактор має значний вплив на точку дотику факелом поверхні землі та відповідно відстані, на якій формується найбільший рівень забруднення.

Швидкість вітру, а відтак його напрямок також безпосередньо впливають на формування рівня забруднення в досліджуваній точці. Очевидно, що чим сильніший вітер, тим далі від джерела він переносить домішки в тому напрямку, куди він дме. Оскільки напрямок вітру постійно змінюється, то цей фактор необхідно обов'язково враховувати при розробленні моделі формування рівня забруднення в заданій точці простору. Відтак координати цієї точки також відіграють першосуттєве значення для розрахунку концентрації домішок в атмосфері.

Швидкість вітру U класифікують так (на висоті 10 м над рівнем землі): штиль (0-0,5 м/с); слабкий (0,5-2 м/с); помірний (2-5 м/с); сильний (5-10 м/с); дуже сильний (понад 10 м/с).

При розрахунках забруднення повітря виділяють значення небезпечної швидкості (Um) вітру, при якій рівень приземної концентрації домішки досягає максимальної величини (Сm).

Напрямок дії вітру враховується шляхом використання рози вітрів. У розрахунках забруднення атмосфери використовують різні її види: середньорічну розу вітрів, для холодного або теплого сезону, для необхідного розрахункового періоду і т.п.

Важливим моментом у процесі формування рівня забруднення атмосфери є вплив параметрів джерела викидів на забруднення атмосфери. Само собою зрозуміло, що параметри джерела викидів домішок в атмосферу безпосередньо впливають на формування рівня і характеру забруднення. Перш за все це такі: висота джерела над поверхнею землі (Н); діаметр отвору труби в гирлі (Д), тобто в місці виходу факела в атмосферу; маса викиду кожної окремої забруднюючої речовини (М); кількість домішок, які викидає це джерело в повітря (К). Усі ці дані для окремої труби звичайно відомі за технологічними нормативами.

Не забудемо також координати джерела (географічні, на карті місцевості, на плані промислового майданчика).

Цікаві результати дослідження впливу параметрів пилогазоповітряної суміші викиду на формування рівня забруднення атмосфери. Доведено, що на рівень концентрації речовини в досліджуваній (розрахунковій точці) простору перш за все впливають швидкість виходу суміші викиду з гирла труби (W, м3/с) та його температура (ТфоС).

Швидкість виходу викиду задається технологічними показниками виробничого процесу.

Витрати суміші Vс [куб.м/с] (об'єм викиду за одиницю часу) розраховуються за формулою

Vс = 0,25 π W Д 2, (3.1)

де Д – діаметр отвору труби;

W – швидкість виходу факела;

π = 3,14.

Звідси швидкість виходу факела дорівнює

. (3.2)

Крім цих фізичних характеристик, для суміші викиду вводиться штучний розрахунковий показник

. (3.3)

Усі викиди за своїми температурними показниками (Тф) стосовно зовнішнього атмосферного повітря (Та) розподіляються на холодні (ΔТ=0; f≥100) та гарячі (ΔТ>0; f<100). Подальші параметри викиду розглядаються окремо для холодних і окремо для гарячих викидів.

Наступний розрахунковий параметр суміші має значення:

- для гарячого викиду

; (3.4-а)

- для холодного викиду

. (3.4-б)

На його основі обчислюють загальний параметр викиду

. (3.5)

Розрахунковий параметр факела:

- для гарячих викидів

для Рг ≤ 0,5,

для 0,5<Рг≤2 , (3.6-а)

для Рг > 2;

- для холодного викиду

dx=5,7 для Р ≤ 0,5,

dх=11,4·Рх для 0,5 < Р ≤ 2, (3.6-б)

для Р > 2 .

На формування рівня забруднення суттєво впливають умови виходу факела пилогазоповітряної суміші із отвору труби. Вплив параметрів виходу факела з отвору труби на рівень забруднення атмосфери досить різний для холодного і відповідно гарячого викидів.

Коефіцієнт урахування виходу :

- для гарячого викиду (ΔТ > 0; f < 100)

; (3.7-а)

- для холодного викиду (ΔТ ≈ 0; f ≥ 100)

. (3.7-б)

Параметр умов виходу

- для гарячого викиду

nг=1 для Рг ≥ 2,

nг=4,4·Рг для Рг < 0,5, (3.8-а)

nг=0,532·Р2г – 2,13·Рг + 3,13 для 0,5 ≤ Рг < 2;

- для холодного викиду

nх=1 для Рх ≥ 2,

nх=4,4·Рх для Рх < 0,5, (3.8-б)

nх=0,532·Р2х – 2,13·Рх + 3,13 для 0,5 ≤ Рх < 2.

Розглянемо, нарешті, вплив рельєфу місцевостіна процес формування рівня забруднення атмосфери.

Рельєф місцевості і тип підстилаючої поверхні суттєво впливають на формування рівня забруднення. Про це свідчить той факт, що теоретичні і фактичні значення концентрації забруднюючої речовини мають меншу розбіжність для рівної плоскої місцевості і відрізняються в умовах складного рельєфу і різнотиповості підстилаючої поверхні.

Розроблена методика лише впливу окремих елементів рельєфу місцевості на рівень приземної концентрації від точкового стаціонарного джерела викидів.

Значення коефіцієнта (h) впливу рельєфу на забруднення атмосфери встановлюється на основі аналізу картографічного матеріалу місцевості в радіусі 50·Н (де Н – висота найбільш високого джерела викидів) або не менше 2 км (додаток В).

Якщо в околицях досліджуваного джерела викидів можна виділити окремо ізольовані перешкоди (гребінь, гряда, пасмо, бугор, уступ, балка, западина, яр), то значення коефіцієнта рельєфу розраховують за формулою

h=1+φ(hт–1), (3.9)

де φ – функція, яка характеризує перешкоду;

hт – таблична величина.

Якщо позначити висоту (глибину) перешкоди (hо) і ширину перешкоди (2ао, де ао – половина ширини), а відстань від джерела до середини перешкоди (Хо), то при відомій висоті (Н) джерела можна розрахувати відношення

n1 = Н / hо і n2 = ао / hо . (3.10)

На основі (n1) і (n2) визначається (hт) за таблицею 3.5.

Значення функції (φ) перешкоди можна визначити за графіком (рисунок 6.5) або розрахувати

φ = |Хо| / ао . (3.11)

Якщо джерело стоїть на уступі, то має значення φ= –Х о/ ао.

У випадку рівної місцевості або слабко пересічного рельєфу з перепадом висот не вище 50 м на 1 км значення h=1.

Для джерела, яке розташоване в зоні впливу декількох ізольованих перешкод, визначають значення (h) для кожного з них і використовують найбільше (hmax).

Отже, беручи до уваги розглянуті фактори впливу, можна подати моделі деяких процесів формування концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі.

Максимальний рівень приземної концентрації (Сгм, мг/м3) забруднюючої речовини при викиді гарячої пилогазоповітряної суміші (ΔТ > 0оС; f < 100) із одиничного джерела з круглим отвором за несприятливих метеоумов на відстані (Хm) від джерела обчислюється за формулою:

, (3.12)

де М – маса речовини, яка викидається в повітря за одиницю часу, г/с, т/рік;

А – коефіцієнт температурної стратифікації атмосфери;

F – коефіцієнт осідання речовини в повітрі;

Н – висота джерела над рівнем землі, м;

V – витрати пилогазоповітряної суміші викиду, м3/с;

ΔТ– перегрів факела, оС;

n – параметр умов виходу гарячого факела;

m – коефіцієнт умов виходу гарячого факела;

h – коефіцієнт рельєфу місцевості.

Максимальний рівень (Схм, мг/м3) приземної концентрації домішок у повітрі при холодному викиді (ΔТ = 0оС; f ≥100) із одиночного джерела з круглим отвором за несприятливих метеоумов на відстані (Хm) від джерела визначається виразом

, (3.13)

де Д – діаметр отвору джерела, м;

W – швидкість виходу викиду з отвору джерела, м/с;

n – параметр умов виходу холодного факела.

У випадку гранично малих небезпечних швидкостей вітру (U) (Р 0оС; f < 100 і Рг < 0,5), так і для холодних (ΔТ = 0оС; f ≥ 100 і Рх < 0,5) викидів на відстані (Хm) оцінюється за формулою:

, (3.14)

де m = 0,9 – для холодних викидів;

m = 2,86 –для гарячих викидів.

Формули для розрахунку Схм і Сuм є лише приватним випадком загальної формули для Сгм. Розрахункові значення максимального рівня концентрації домішок теоретично оцінюють забруднення атмосфери від одного джерела без урахування фону. Проте, крім них, існують методи (моделі) розрахунку забруднення повітря лінійними джерелами, площадними, груповими, з урахуванням сумації дії кількох речовин, з урахуванням фонових концентрацій та розрахунку рівня фонового забруднення, а також забруднення повітря на проммайданчику.

Важливим показником є так звана небезпечна відстань, на якій концентрація забруднюючої речовини може досягати максимального рівня. Небезпечна відстань (Хm) – це віддаль від джерела викиду, на якій за несприятливих метеоумов приземна концентрація домішки досягає максимального значення (См). Небезпечна відстань визначається за формулою

Хм = 0,25 · d · H (5 ­ F), (3.15)

де Н – висота джерела, м;

F – коефіцієнт осідання речовини в повітрі;

d – параметр факела викиду.

Зауважимо, що при постійній висоті джерела (Н) викиду і незмінних інших умовах небезпечна відстань (Хm) не залежить від маси (М) викиду. При постійній масі викиду (М) і незмінних інших умовах небезпечна відстань (Хм) із збільшенням висоти (Н) джерела теж збільшується.

Небезпечна відстань (Хм) залежить від агрегатного стану забруднюючих речовин. При цьому спостерігається, що більш легкі домішки (гази) створюють поле максимальної їх концентрації на більш далекій відстані від джерела порівняно із більш важкими домішками (зважені речовини).

Відстань (Хмu) від джерела викиду, на якій при швидкості вітру (U), що відрізняється від небезпечної швидкості (U ≠ Uм), та за несприятливих метеоумов приземна концентрація речовин досягає максимального рівня (Смu) і розраховується за формулою

Хмu = р · Хм, (3.16)

де Хм – небезпечна віддаль;

р – величина, яка залежить від співвідношення (U) і (Um).

Значення показника (р) обчислюються для трьох режимів.

Для U / Uм ≤ 0,25

р = 3.

Для 0,25 < U / Uм ≤ 1

р=1+8,43(1-U/Uм)5 . (3.17)

Для U / Uм > 1

р = 0,68 + 0,32 (U / Uм ).

Ще одним важливим показником є так звана небезпечна швидкість вітру, при якій концентрація забруднюючої речовини може досягати максимального рівня.

Небезпечна швидкість вітру (Uм) – це значення його швидкості на рівні флюгера (10 м над поверхнею землі), при якій на небезпечній відстані (Хм) приземна концентрація досягає максимального рівня (См).

Для гарячих викидів (f < 100) маємо

Uм = 0,5 для Рг ≤ 0,5,

Uм = Рг для 0,5 < Рг ≤ 2, (3.18 а)

для Рг > 2.

Для холодних викидів (f ≥ 100)

Uм = 0,5 для Рх ≤ 0,5,

Uм = Рх для 0,5 < Рх ≤ 2, (3.18 б)

Uм = 2,2 Рх для Рх > 2 .

Швидкість вітру Uмх, яка відрізняється від небезпечної швидкості Uм (тобто Uмх ≠ Uм), при якій на відстані Х від джерела, яка відрізняється від небезпечної відстані Хм (тобто Х≠Хм), концентрація досягає максимуму, оцінюється виразом

Uмх = fU · Uм , (3.19)

де Uм – небезпечна швидкість вітру, при якій на небезпечній відстані (Хм) концентрація досягає максимального рівня (См);

fU – величина, яка залежить від співвідношення Х і Хм.

Значення показника (fU) розраховують для таких випадків:

fU = 1 для Х / Хм ≤ 1,

для 1 < Х / Хм ≤ 8, (3.20)

fU = 0,25 для 8 < Х / Хм < 80,

fU = 0,1 для Х / Хм ≥ 80.

Отже, небезпечна швидкість вітру (Uмх), при якій формується максимальний рівень забруднення на різній відстані (Х) від джерела, може мати різне значення, відмінне від (Uм).

А тепер розглянемо моделі концентрації забруднюючих речовин на довільній відстані від джерела викиду.

На довільній відстані (Х ≠ Xм) від джерела при небезпечній швидкості вітру (Uм) приземна концентрація речовини (Сх) в атмосфері за віссю факела викиду розраховується за формулою

Сх = Sх · См, (3.21)

де См – максимальна концентрація при небезпечній швидкості вітру (Uм) на небезпечній відстані (Хм);

Sх – величина, що визначається залежно від співвідношення (Х) і (Хм) та коефіцієнта осідання (F).

Значення показника (Sх) обчислюють для таких випадків.

Для Х / Хм ≤ 1

Sх = 3 (Х / Хм)4 – 8 (Х / Хм)3 + 6 (Х / Хм)2 . (3.22-а)

Для 1 < Х / Хм ≤ 8

. (3.22-б)

Для Х / Хм > 8 та F ≤ 1,5

. (3.22-в)

Для Х / Хм > 8 та F > 1,5

. (3.22 г)

Для низьких (Н<10 м), наземних (Н≤ 2) джерел при (Х/Хм<1) величина Sх має значення

Sхн = 0,125 [(10 – Н) + (Н – 2)] . (3.22 д)

Зона активного забруднення (ЗАЗ) – це частина атмосфери, в якій порушено природний вміст її елементів або її біохімічні чи біологічні процеси, а концентрація домішок перевищує ГДК для населення або для рослинності.

Згідно з регламентом для кожного джерела викидів в атмосферне повітря зона впливу визначається як найбільша з двох відстаней до джерела:

L1 = 10 Хм, де Хм – небезпечна відстань;

L2 – відстань, починаючи з якої С ≤ 0,05 ГДК, де ГДК – гранично допустима концентрація для даної речовини відповідно для населення (гігієнічна) або для рослинності чи тваринного світу.

Таким чином, якщо L1 > L2, то розрахунки виконуються до граничної відстані Х = L1. Навпаки, якщо L1 < L2, то Х = L2.


3957540622136839.html
3957590512862846.html
    PR.RU™