Статья:

Вопросы аналитического исследования рассеивания вредных примесей в приземных слоях атмосферы

Конференция: II Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Сармулдинов А.Е. Вопросы аналитического исследования рассеивания вредных примесей в приземных слоях атмосферы // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. II междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(2). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/2(2).pdf (дата обращения: 08.04.2020)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Вопросы аналитического исследования рассеивания вредных примесей в приземных слоях атмосферы

Сармулдинов Ахат Ермекович
магистрант, Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан, г. Алматы
Санатова Тоты Сабировна
научный руководитель, доцент, Алматинский университет энергетики и связи, Казахстан, г. Алматы

 

Среди процессов, происходящих в атмосферном воздухе при поступлении в него примесей загрязняющих веществ, выбрасываемых различными промышленными предприятиями, следует выделить процесс рассеивание этих примесей в атмосферном воздухе.

Естественные источники выброса в атмосферу загрязняющих веществ (вулканический пепел, дым пожарищ, почвенная пыль и т.д.), а также искусственные (выбросы предприятий автотранспорта, нарушение естественного состояния почв распашкой и добычей полезных ископаемых и т.д.) способствуют постоянному поступлению вредных веществ как в приземные слои атмосферы (в своем большинстве), так и в более высокие зоны, вплоть до стратосферы.

По мере удаления от источника выбросов вредные вещества и соединения рассеиваются в атмосфере, за счет циркуляционных процессов переносятся на десятки и тысячи километров от места выброса.

Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере – это снижения концентрации вредных веществ в атмосфере за счет турбулентной диффузии пыле- и газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, физические свойства выбросов, высота источника выброса, диаметр устья и др. Горизонтальное перемещение определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур.

Создание модели рассеивания дает возможность не просто определить максимальную концентрацию веществ, но и разработать план по контролю и снижению воздействия до показателей, не превышающих ПДК.

К сожалению, на данный момент отсутствует единый подход для достоверного построения моделей рассеиваний, который бы имел статус международного стандарта. В зависимости от уровня прогресса в исследовании проблем загрязнения воздушного бассейна, каждая страна по-своему подходит к вопросам моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, оценке и анализе состояния воздушного бассейна и т.д.

Согласно нормативно–законодательной базы в области охраны окружающей среды Республики Казахстан, в том числе и Экологического кодекса РК (гл.6) для любых видов хозяйственной и иной деятельности, которые могут оказать прямое или косвенное воздействие на окружающую среду и здоровье населения необходима обязательная оценка воздействия, в рамках которой оцениваются возможные последствия хозяйственной и иной деятельности для окружающей среды и здоровья человека [1, глава 6, статья 36, пункт 1]. В зависимости от намечаемой хозяйственной деятельности, в оценку воздействия должны включаться дополнительные расчеты по моделированию процессов рассеивания (распространения) загрязняющих веществ в окружающей среде.  [2, глава 4, п. 18]

Утвержденной методикой выполнения расчетов рассеивания веществ служит документ ОНД-086 «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ содержащихся в выбросах предприятий», а также ОНД-90 «Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы».

Вышеуказанные методики описывают процессы рассеивания примесей в воздухе, сводящие к последовательности выражений, полученных в результате аппроксимации разностного решения уравнения турбулентной и атмосферной диффузии. При помощи ОНД-086 возможно выполнение оценки концентрационного поля веществ в приземном атмосферном слое в условиях умеренно неустойчивого состояния атмосферы и приведенные к двадцатиминутному промежутку, определение предельно допустимых выбросов и изучение влияния на распределение вредных примесей различных факторов (метеорологических условий, характеристик выброса и источника его рассеивания и т.д.).

ОНД ­ 86 основан на гипотезе о том, что рассеивание выбросов промышленных предприятий, выделяемых различными источниками, происходит под действием потоков воздуха атмосферы, взаимодействующих с выбросами. Турбулизация воздушного потока возникает как в результате его взаимодействия с поверхностью земли и наземных сооружений, так под влиянием теплового взаимодействия в слоях воздуха, имеющих различную температуру.

Расчет дисперсии выброса заключается в определении максимальных концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы (С, мг/м3). Величина максимальной расчетной концентрации каждого i-го загрязняющего вещества Сm,i, в приземном слое воздуха не должна превышать значения его ПДК в воздухе, т.е. Сm,i ≤ ПДКi.

 

Рисунок 1. Схема распределения концентраций примесей в приземном слое, согласно ОНД 86

 

В совокупности указанная выше методика дает возможность производить:

- вычисление загрязнения атмосферного воздуха эмиссиями как точечного, так и линейного источника, совокупной группы или площадных источников, а также с учетом суммации вредного действия группы веществ;

- учет существующих фоновых концентраций веществ при проведении вычислений загрязнения воздушной среды и определение фона расчетным способом;

- определение нормы по установлению минимальной высоты источников загрязнения, установлению ПДВ и определению границ СЗЗ предприятий.

Расчетные методы ОНД-86 дают возможность созданию модели загрязнения окружающей среды и помогает дать качественную и количественную оценку в точке изучаемого пространства. Данную Методику можно применить для расчёта концентраций примеси веществ на расстоянии от источника в пределах 100 км. К тому же с момента утверждения данной Методики, 4 августа 1986 года, она не претерпевала значительных изменений.

Для сравнения подходов к моделированию рассеивания в разных странах в статье произведено сравнение методов, действующих в Республике Казахстан и методов, утвержденных в США.

В США распространены различные Гауссовые модели дисперсии как стационарные, так и нестационарные. Данные модели основаны на распределении частиц в струе или облаке.

 

Рисунок 2. Схема распределения концентраций примесей Гауссовой дисперсии

 

Основными утвержденными моделями в США, использующие Гауссовую дисперсая, являются системы AERMOD и система CALPUFF.

Система моделирования AERMOD – это модель распространения шлейфа, включающая воздушную дисперсию, основанную на структуре турбулентности приземного слоя и концепции масштабирования, включая обработку как поверхностных, так и высотных источников, а также простую и сложную рельефность.

Существуют два типа данных, которые регулируют компоненты системы моделирования AERMOD:

1) метеорологические данные, который включает воздушную дисперсию, основанную на структуре турбулентности приземного слоя и концепции масштабирования;

2) данные ландшафта, включающие в себя полное описание рельефа заданной области, в том числе и цифровые топографические данные наземных станций USGS (англ. U. S. Geological Survey – Геологическая служба США).

Система моделирования CALPUFF - это модель многослойного и разновидного рассеивания, которая имитирует влияние метеорологических условий, времени и пространства на транспортировку, трансформацию и удаление загрязнений.

Модель предназначена для моделирования дисперсии непрерывных или временных выбросов от точечных и линейных источников. Также учитывается заграждение пути распространения примеси близлежащими зданиями. CALPUFF производит построение полей примесей в зависимости от времени, пространства и смены метеорологических условий, имитируя суточные циклы для каждого загрязняющего вещества. Также есть возможность удаления из шлейфа мокрых или сухих осаждений, что позволяет улучшает учет химических преобразований и влияние вертикального ветра на траекторию движения примеси.

Существенной разницей между двумя вышеописанными основными системами заключается в том, что CALPUFF требует больше данных, решений и времени расчета, что усложняет работу. Также CALPUFF дает менее реалистичную оценку воздействия на коротких расстояниях (<50 км), чем у модели AERMOD.

Кроме основных моделей дисперсии атмосферного воздуха в США существует еще более 16 альтернативных.

Заключение

В качестве модели рассеивания примеси применяются различные математические модели распространения такие как нестационарные Гауссовы модели, стационарные Гауссовы модели, модели турбулентной диффузии и т.д.

Для построения полей используются различные данные о рельефе местности, погодных характеристиках, фоновых концентрациях и т.п.

Главным отличием подхода в США от подхода, принятого в странах СНГ, в том числе и в Казахстане, это отсутствие статичности в способах построения полей рассеивания и дальнейшее изучение данной сферы.

Системы, модели, регламентирующие документы в США постоянно развиваются и обновляются. Учитываются новые научные результаты. Существуют альтернативные способы расчетов. Единственным недостатком разнообразности систем моделирования состоит в том, что результаты моделирования рассеивания одних и тех же источников при помощи различных утвержденных систем моделирования значительно различаются друг от друга.

Статичность и архаичность ОНД-086 привела к тому, что в отличии от зарубежных аналогов данная методика не учитывает класс устойчивости атмосферы, шероховатость подстилающей поверхности, не применима для расчёта концентраций примеси на удалении от источника не более 100 км.

 

Список литературы:
1. Кодекс Республики Казахстан от 9 января 2007 года № 212-III «Экологический кодекс Республики Казахстан» (с изменениями и дополнениями по состоянию на 15.06.2017 г.) 
2. Приказ Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 28 июня 2007 года № 204-п. Об утверждении Инструкции по проведению оценки воздействия на окружающую среду
3. U.S. Environmental Protection Agency, October 1992. Screening Procedures for Estimating the Air Quality Impact of Stationary Sources, Revised. Planning and Standards Research Triangle Park, North Carolina.
4. В. Д. Венцель, В. С. Сердюк, С. В. Янчий. Основы промышленной экологии и природопользования. Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. – 136 с.
5. Васильев А.В. Обеспечение экологической безопасности в условиях городского округа Тольятти: учебное пособие. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2012. 201 с.
6. Васильев А.В., Терещенко И.О., Терещенко Ю.П., Заболотских В.В. Программное обеспечение для комплексной оценки экологического риска урбанизированных территорий // В сборнике: Стратегическое планирование развития городов России. Памяти первого ректора ТГУ С.Ф. Жилкина. Сборник материалов III Международной заочной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Д.В. Антипов. 2013. С. 71_74.