Вопросы аналитического исследования рассеивания вредных примесей в приземных слоях атмосферы

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 С_m,i, в приземном слое воздуха не должна превышать значения его ПДК в воздухе, т.е. С_m,i ≤ ПДК_i.

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.