2   Моделювання процесу поширення домішок в атмосфері в зоні викидів стаціонарного джерела  

Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних

           навичок  розрахунку дальності поширення домішок

         в атмосфері в зоні викидів стаціонарного джерела.

Об’єкт дослідження – атмосферне повітря в зоні викидів

    локального одиничного точкового стаціонарного

         техногенного джерела.

Предмет дослідження – процес  поширення домішок  в

         атмосферному повітрі.

Завдання – розрахувати  показники  дальності  поширення  

        домішок в атмосфері у зоні викидів стаціонарного джерела.   

Основні науково-теоретичні положення

Визначимося в основних термінах.

Атмосфера – зовнішня газова оболонка Землі, яка обертається разом з нею.

Повітря – газовий склад атмосфери Землі.

Забруднення атмосфери – внесення в неї хімічних речовин, фізичних агентів чи організмів, що несприятливо впливають на її якість.

Рівень забруднення – частина атмосфери, в якій при надходженні забруднюючих речовин порушується природний вміст елементів або біохімічні чи біологічні процеси, а концентрація домішки перевищує природну.

Домішка (забруднююча речовина) – речовина, яка порушує природну якість повітря.

Пасивна домішка – це така забруднююча речовина, яка аж до випадання її з повітря на землю не зазнає змін (тобто не вступає в хімічні реакції).

Джерело забруднення атмосфери – це об'єкт, який вносить в атмосферу домішки (забруднюючі речовини).

Фактор – причина, яка знаходиться в певному логічному зв'язку з наслідком.

Якість повітря – ступінь відповідності повітря фізико-хімічним та біологічним характеристикам потреб людини і технічним вимогам.

Небезпека забруднення – ступінь імовірності перебільшення природного або гігієнічно допустимого рівня вмісту шкідливих речовин у повітрі.

Розглянемо умови, які впливають на поширення забруднюючих речовин у повітрі у зоні викидів в атмосферу локального одиничного точкового стаціонарного техногенного  джерела.

Поширення  забруднюючих речовин в атмосфері навколо джерела викидів відбувається в цілому за законами матеріального світу, які здебільшого відомі науці в різних її галузях (фізиці, хімії, кліматології, теорії випадкових процесів тощо).

Усі умови, які впливають на цей процес, умовно можна розділити на такі групи (фактори впливу): параметри джерел; параметри викидів пилогазоповітряної суміші (факела); умови виходу цієї суміші (факела) з отвору джерела; характеристики атмосферного повітря в зоні викиду (зовнішнє середовище) та місцевості.

Поширення забруднюючих речовин у зоні стаціонарного джерела їх викиду в атмосферу, зокрема, а також і будь-якого іншого джерела, характеризується перш за все дальністю (Lа), яка залежить від параметрів джерела і клімато-геолого-географічних умов місцевості.

Зона активного забруднення (ЗАЗ) місцевості – це ділянка навколо джерела, в межах якої концентрація домішки, який викидає джерело, перевищує природний фон або установлену норму (наприклад, санітарний регламент ГДК речовини).

Оскільки шкідливі викиди в атмосфері можуть поширюватися на дуже великі відстані (сотні і навіть тисячі кілометрів), то для запобігання завданню шкоди навколишньому середовищу і перш за все людям для підприємств відповідно до законодавства встановлюють санітарно-захисні зони (СЗЗ)  залежно від їх потужності, характеристик технологічного процесу, характеристик та кількості забруднюючих речовин, випромінення, шуму, вібрацій і т.д. Крім цього, для кожного підприємства встановлюють гранично допустимі викиди (ГДВ) домішок в атмосферне повітря.

Розглянемо процес моделювання дальності поширення домішок в атмосфері.

Моделювання будь-якого процесу звичайно відбувається послідовно від найбільш простого до найбільш досконалого варіанта, який найбільш адекватно і точно відображає цей процес  відповідно до рівня наших знань і можливостей на даному етапі його вивчення. Проілюструємо цю процедуру на поетапній побудові моделі дальності поширення речовин в приземному шарі атмосфери в зоні викидів точкового (поодинокого) стаціонарно організованого джерела.

І етап. Найбільш проста модель поширення в повітрі атмосфери конкретного окремого забруднювача зводиться до урахування впливу висоти (Н) джерела (тобто окремої труби) на дальність (L) забруднення повітря цією домішкою. Звичайно, така оцінка буде досить приблизна, проте і використовують її для відносно грубих припущень у першому наближенні.

Дальність поширення речовини від джерела її викиду залежно від його висоти можна оцінити за допомогою виразу 

L(Н) = Кн · Н,                                                 (2.1)

де  Н  – висота труби, м;

Кн – коефіцієнт, який враховує агрегатний стан речовини (для газів Кгн=120, для твердих речовин Ктвн=90).

Вплив агрегатного стану враховується досить приблизно згідно з емпіричними дослідними даними. Проте на даному етапі це дозволяє здійснити оцінку дальності зони забруднення з досить задовільним наближенням. Ця модель дозволяє досліджувати вплив висоти джерела викиду на поширення забруднення в атмосфері при невідомих інших умовах.

Таким чином, змінюючи висоту джерела викидів в атмосферу, можна в деяких межах регулювати як величину концентрації речовини, так і дальність її поширення, а отже, і величину зони забруднення.

ІІ етап. Моделювання дальності поширення домішок в атмосфері з урахуванням агрегатного стану речовин.

Речовини за агрегатним станом можна віднести до одного з таких видів: тверді, газоподібні, рідкі та аерозолі. Кожен з них характеризується різною швидкістю осідання в повітрі.

Це безпосередньо впливає на час перебування забруднювача в атмосфері від моменту викиду його в атмосферу до моменту його осідання на поверхню Землі (або водну поверхню). Звісно, чим довше домішки будуть перебувати в повітрі, тим далі вони можуть бути віднесені від джерела його викиду. Тобто тим на більшій площі різні об'єкти будуть зазнавати шкідливого впливу забрудненої атмосфери.

Урахування швидкості осідання речовин різного агрегатного стану дозволяє уточнити модель дальності поширення домішок у повітрі. У цьому варіанті модель набирає вигляду

L(Н, F) = 30 · (5–F) · Н,                         (2.2)                                                                                        

де F – коефіцієнт швидкості осідання речовини в повітрі.

Зрозуміло, що чим більші і важчі часточки речовини, тим більша швидкість їх осідання, а отже, тим ближче до джерела   їх  викиду   вони   випадають  на  поверхню землі (табл. 2.4).

ІІІ етап. Моделювання дальності поширення забруднюючих речовин в атмосфері з урахуванням перегріву факела. Відомо, що всі матеріальні предмети незалежно від їх агрегатного стану притягуються до Землі. При цьому завжди діє закономірність – більш важкі зазнають більш сильного тяжіння. Якщо питома вага цього предмета більша за питому вагу середовища, в якому він перебуває (повітря, вода), то такий предмет намагається опуститися якомога нижче. Але якщо питома вага предмета менша питомої ваги середовища, то він піднімається вгору. Отже, речовини, легші за повітря, прагнуть піднятися якомога вище (перш за все гази, аерозолі).

Крім цього, існує й інша закономірність. Згідно з нею більш нагріті об'єкти (гази, предмети, зони повітря) по відношенню до навколишнього середовища також намагаються піднятися вгору (хоч до того часу, поки їх температури не зрівняються). Сила цього підйому тим більша, чим більша різниця між температурами середовища і цього об'єкта. По відношенню до пилогазоповітряної суміші, яку викидають джерела в атмосферне повітря, ця різниця називається перегрівом факела і вимірюється величиною

ΔТ = Тф – Та,                                                   (2.3) 

де   Тф – температура факела пилогазоповітряної суміші в гирлі джерела її викиду в атмосферу;

Та – температура атмосферного повітря. 

Для м.Сум температурні характеристики атмосферного повітря беруться такими:

- середньорічна (багаторічна)  + 5`С;

- середня для теплого періоду  +20 `С;

- середня для холодного періоду  -11 `С;

- для найбільш жаркого місяця  +23,8 `С;

- для найбільш холодного місяця  -6,8 `С.

     Очевидно, що не тільки  tºС,  але і вітер також  впливає на дальність поширення, особливо в напрямку вітру.

     Напрямок вітру враховується за допомогою таблиці так званої метеорологічної рози вітрів (табл. 2.5). Нагадаємо, що румб – це середньорічна (за період) повторюваність (Pi) вітру в даному напрямку у відсотках / частках одиниці, а штиль - відсутність вітру чи при швидкості вітру U < 0,5 м/с.

Величина сили піднімання обумовлює висоту підйому факела викидів вгору до того часу, поки різниця між температурами суміші викиду і навколишнього повітря не зникне, тобто ΔТ→0. Цей фактор впливу на поведінку викидів у повітрі враховують шляхом коефіцієнта підйому (φ) факела, який розраховують за формулою

φ  = 1 + |(Тф – Та) / 75| ≈ 1+0,0133 · ΔТ.                   (2.4)                                                           

      Урахування впливу температурних характеристик на дальність поширення забруднення надає моделі такого виразу

L(Н,F,Т) = 30 · Н · (5 – F) · (1+ |ΔТ / 75|).                  (2.5)     

 Крім цієї формули, практично зручно користуватися номограмою (додаток Б).

Температура факела не завжди перевищує температуру повітря. Тому розрізняють випадки холодних викидів при ΔТ≈0оС (тобто Тф≈Та) і гарячих – при ΔТ>0оС (тобто Тф>Та). Температурний показник викиду має значний вплив на характер поширення і величину зони забруднення.

ІV етап. Моделювання дальності поширення забруднюючих речовин в атмосфері з урахуванням метеокліматичних умов.

Очевидно, що не лише температура повітря, а й напрямок і сила вітру впливають на характер та дальність поширення забруднюючих речовин. Оскільки в різних напрямках вітер дме, як правило, неоднаковий час, до того ж з різною силою протягом року, тому домішки від джерела поширення теж на різні відстані у різних напрямках.

Колоподібна зона забруднення може спостерігатися лише при штилі, при круговій розі вітрів (тобто повторюваність вітру в усіх напрямках однакова (Ро=12,5% протягом року, тобто Ро=0,125) або при дуже малій швидкості вітру (<0,5 м/с).

До речі,  цей показник для м.Суми дорівнює  8.

Напрямок вітру обчислюють за допомогою рози вітрів (у нас набула поширення восьмирумбова, яка характеризує 8 напрямків: північ (Пн), північний схід (ПнС), схід (С), південний схід (ПдС), південь (Пд), південний захід (ПдЗ), захід (З), північний захід (ПнЗ), а також штиль).

Румб – це середня повторюваність (Р) вітру у даному напрямку (% або частках одиниці) за певний проміжок часу (середньорічна, за сезон, літо, зиму, добу і т.п.).

З урахуванням рози вітрів уточнена модель дальності поширення забруднення в зоні викидів в атмосферу точкового стаціонарного джерела набирає вигляду

      L(H¸ F¸ T¸ P) = 30·Н·(5–F)·(1+ΔТ / 75)·Рі / Ро,                 (2.6)                                     

де  Рі – повторюваність вітру в і – му напрямку;

 Ро–повторюваність вітру при круговій розі вітрів.

Відзначимо, що різна повторюваність вітру в різних напрямках обумовлює різну дальність поширення забруднюючих речовин від джерела їх викиду і відповідно впливає на особливості форми зони забруднення.

Можна продовжити уточнювати цю модель. Але, як свідчить досвід, вже на цьому етапі вона досить адекватно (у межах вимог наукової точності результатів) співвідноситься з даними  практичних вимірювань. Тому подальше її уточнення стає недоцільним.

Підсумовуючи, підкреслимо, що розглянута процедура поетапної побудови моделі поширення  забруднюючих речовин у приземному шарі повітря в зоні джерела їх викидів являє собою функцію кількох змінних:  

                                L = f (Н, F, ΔТ, Р),                                                   (2.7)

де Н – висота джерела викиду;

F – характеристика швидкості осідання речовини в повітрі;

ΔТ – характеристика температури викиду (перегріву факела) стосовно  температури атмосферного повітря;

Р – повторюваність вітру в заданому напрямку.

Таким чином, остаточна модель (повна модель) дальності поширення забруднюючих речовин (домішок) в атмосферному повітрі в зоні викидів точкового стаціонарного джерела має вигляд формули 2.6.  

 

          Алгоритм виконання роботи 

1   Виписати назву досліджуваної речовини, виписати вихідні дані джерела викидів згідно із заданим варіантом завдання (табл. 2.4) відповідно до схеми (табл.2.1) та вихідні дані (табл.2.6)  щодо напрямків вітру за 8 румбовою розою вітрів згідно із заданим варіантом завдання і відповідно до наведеної схеми (табл. 2.2).

2  Розрахувати величину дальності поширення в атмосфері  забруднюючих речовин у зоні викидів точкового стаціонарного джерела (ф.2.6) за всіма напрямки 8-румбової рози вітрів відповідно для усіх чотирьох її типів (середньорічної, зимової, літньої, кругової). Результати розрахунку дальності (Lі) поширення домішок оформити згідно з табл. 2.3. 

    Таблиця 2.1 – Схема запису вихідних даних   

   Таблиця 2.2 – Схема запису результатів розрахунку дальності поширення (Lа) в атмосфері забруднюючих речовин у зоні                   викидів точкового джерела за напрямками  

   Таблиця 2.3 – Схема запису результатів розрахунку дальності  поширення (Lі) в атмосфері забруднюючих речовин у зоні викидів точкового джерела за напрямками  

3   Побудувати графіки дальності поширення в атмосфері досліджуваної забруднюючої речовини в усіх напрямках рози вітрів (Lі) для усіх чотирьох її типів (річної, зимової, літньої, кругової) в одній прямокутній координатній системі ХОУ (різними кольорами).

4   Розрахувати площу S [ґа] зони забруднення при круговій розі вітрів. 

5   Порівняти одержані результати для кожної рози вітрів (річної, зимової, літньої, кругової) між собою за напрямками. 

6    Проаналізувати одержані результати розрахунку величини дальності поширення в атмосфері  забруднюючих  речовин      у зоні викидів точкового стаціонарного джерела відповідно до схеми функції (ф. 2.7) для кожної рози вітрів.

7   Сформулювати стислі висновки за одержаними результатами проведеного дослідження.

 

 Таблиця 2.4 - Варіанти задання вихідних параметрів джерела

        Таблиця 2.5 -  Коефіцієнти осідання речовин у повітрі (F)

    Таблиця 2.6 - Напрямки вітру (8 румбова роза вітрів

                                      для м.Сум)  

 

 

Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

1    Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.

2   Результати розрахунку дальності поширення в повітрі всіх забруднюючих речовин у зоні викидів точкового стаціонарного джерела для кожної рози вітрів.

3    Короткий аналіз результатів. 

4  Стислі висновки щодо одержаних результатів моделювання процесу поширення домішок в атмосферному повітрі у зоні викидів техногенних стаціонарних джерел.   

Таблиця 2.7 – Значення величини радіуса дальності L [м] поширення  забруднюючих речовин в атмосфері і площі   S [га] зони забруднення залежно від висоти труби Н [м] при круговій розі вітрів

 

Питання для самоконтролю

1     Визначити поняття  „джерело забруднення атмосфери”. 

2     Визначити поняття   „зона забруднення атмосфери”.     

3     Визначити поняття  „небезпека забруднення атмосфери”. 

4     Визначити поняття  „якість атмосфери”. 

5     Визначити поняття  „факел”. 

6     Визначити поняття „фактор”. 

7     Визначити поняття „роза вітрів”. 

8    Назвати типи джерел викидів забруднюючих речовин (ЗР) в атмосферу . 

9     Назвати види і класи джерел викидів в атмосферу ЗР. 

10    Назвати агрегатні стани речовин в атмосфері.

11   Навести умови (∆Т, f) для визначення відповідно гарячого та холодного викидів.

12    Навести формулу перегріву факела (∆Т).   

13    Навести формулу коефіцієнта підйому осі факела (∆Z).     

14  Вказати графічно розподіл концентрації забруднюючих речовин  всередині тіла факела по його осі (графік).

15 Найпростіша модель дальності поширення домішок в атмосфері залежно від висоти джерела (формула).

16  Проміжна модель процесу поширення речовин в атмосфері залежно від їх агрегатного стану (формула).

17  Проміжна модель процесу поширення речовин в атмосфері залежно від температурних характеристик (формула).

18  Модель процесу поширення речовин в атмосфері залежно від рози вітрів (формула).

19  Повна модель процесу поширення речовин у приземному шарі повітря залежно від факторів впливу (формула).

20   Перелічити фактори, що впливають на дальність поширення  забруднюючих речовин в атмосфері.  

21   Перелічити фактори, що впливають на форму факела.