6 Моделювання надходження забруднюючих речовин на земну поверхню з атмосферного повітря

Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок

        оцінювання рівня надходження домішок на поверхню землі.  

Об’єкт дослідження  -  приземний шар атмосферного повітря.  

Предмет дослідження – процес  надходження   забруднюючих речовин  на земну поверхню з атмосфери.  

Завдання – розрахувати показники надходження забруднюючих речовин  з атмосфери на земну поверхню.

Основні науково-теоретичні положення

Середовище природне - це сукупність природних і незначно змінених діяльністю людей абіотичних і біотичних природних чинників, що не залежать від безпосередніх контактів із людиною. Природне середовище у своєму натуральному стані є екологічно збалансованою саморозвиненою самодостатньою квазістаціонарною системою, що характеризується певними параметрами та властивостями.

Нормальний (фоновий) екологічно збалансований стан природного середовища – стан, при якому окремі групи організмів біосфери, людина включно взаємодіють один з одним та з навколишнім абіотичним середовищем без порушення квазістаціонарної рівноваги малого біологічного та  великого геологічного кругообігів речовин та потоків енергії на земній поверхні в межах певного геологічного періоду.

Фон природний – це природна концентрація або ступінь впливу на що-небудь і перш за все на живі організми. Склад речовини фоновий (в природному середовищі) – це усереднена величина вмісту хімелементів і їх сполук (речовин) у тому чи іншому об’ємі (компонентні) природного середовища або його частині в момент часу, що прийнятий за початок встановленої чи можливої його змінн. 

     Забруднення навколишнього середовища - процес надходження в об’єкти навколишнього середовища чи створення в них різних механічних, хімічних, біологічних агентів, в результаті якого ці об’єкти стають частково чи повністю непридатними для використання за цільовим призначенням або стають реальною загрозою для життя людини чи інших живих організмів.

Поняття забруднення має місце тільки щодо визначеного об'єкта-реципієнта сприйняття впливу забруднення як процесу.

Навантаження екологічне – ступінь прямого чи непрямого впливу зовнішніх чинників на екологічний простір в цілому або на його окремі екологічні системи та елементи. Оцінка впливу (навантаження) на навколишнє середовище – виявлення, аналіз та інтерпретація фактичного і можливого впливу господарської діяльності на навколишнє середовище і його наслідків для природи і суспільства.

Трансформація речовин у природному середовищі – це зміна складу і кількості речовин у середовищі під впливом процесів сорбції, іонного обміну, розчинення, осадження, розпаду, комплексування, біохімічних та інших процесів перетворення речовин при їх взаємодії. Міграція хімічних речовин – процес перенесення і перерозподілу хімічних елементів у природному середовищі, особливості якого залежать від властивостей елемента (хімічної активності, здатності створювати розчинні і нерозчинні сполуки, поглинатися організмами тощо), властивостей і умов середовища (температури, тиску, лужно-кислотних і окиснювально-відновлювальних умов тощо). Потік речовини міграційний – переміщення в навколишнє середовище хімічних елементів і їх сполук в газоподібному, розчиненому і розплавленому чи твердому вигляді.

Речовина антропогенна (техногенна) – елемент, хімічна або органічна сполука, яка надходить в природне середовище внаслідок діяльності людини. Розрізняють антропогенні речовини, які входять в природний кругообіг і утилізуються в природних середовищах, а також сполуки хімічно стійкі, які дуже повільно руйнуються живими організмами і концентруються ними (важкі метали і радіоактивні речовини).

Речовина шкідлива - елемент, хімічна або органічна сполука, яка при контакті з організмом людини може викликати травми, захворювання чи відхилення в стані здоров’я, порушення в рості, розвитку чи стані здоров’я живих організмів, або може вплинути на ці показники з часом, в тому числі в ланцюгу поколінь.

Комплекс метеопараметрів, що впливають на процес забруднення атмосфери, має назву потенціалу забруднення повітря. Цей показник використовується для оцінки рівня забруднення повітря та для прогнозу його змін. Такими метеопараметрами є перш за все швидкість вітру, опади та такі характеристики, як потужність шарів перемішування, приземні і припідняті інверсії (з урахуванням деяких їх параметрів) тощо.

Проте природне середовище має властивість до самоочищення. Потенціал самоочищення – це здатність природного середовища (території, акваторії) без саморуйнування розкладати природні і антропогенні речовини та усувати шкідливий вплив навколишнього середовища (атмосфери, водного середовища тощо). У цьому плані одним із основних складових балансу кругообігу речовин в екосфері є явище надходження домішок із атмосфери на поверхню землі. Випадіння забруднюючих речовин із атмосфери забезпечує її самоочищення. Одночасно цей процес є джерелом забруднення земної поверхні та водного середовища.

Випадіння домішок із атмосфери відбувається при гравітаційному осіданні речовин, промиванні атмосфери хмарами і опадами, утворенні гідрометеорів, а також при турбулентній та броунівській дифузії, що призводить до безпосереднього зіткнення домішок із наземною поверхнею.

Таким чином, випадіння домішок на земну поверхню відбувається шляхом сухих осаджень (Мс) під дією гравітаційних сил та турбулентної дифузії, шляхом мокрих осаджень (Мм) завдяки вимиванню хмарами, опадами та продуктами приземної конденсації. Таким чином, має місце

       М = Мс + Мм .                                                           (6.1)

Якщо відома концентрація речовин С, мкг/куб.м, у повітрі, то величину атмосферних випадінь можна розрахувати за певними аналітичними виразами. Так, сухе випадіння домішок на землю з пиловою речовиною описується рівнянням типу

      Мс = Кz (dС / dZ) + Vc · C,                                     (6.2.1)

де    С  – концентрація речовини у повітрі;

        Vc- швидкість сухого осідання часток пилу;

        Кz- коефіцієнт турбулентного обміну.

За відсутності турбулентного перемішування (Кz=0) або при великій швидкості осідання (Vc) пилу потік пасивних речовин на землю виражається рівнянням

    Мс =  Vc · C.                                                               (6.2.2)

При цьому у будь-якому випадку повинна зберігатися пропорційність М ~ V, тобто має місце вираз

     Мс =  ρ Vg  C ,                                                            (6.3)

де  ρ - щільність приземного повітряного шару атмосфери. 

Зазначимо, що величиною зміни щільності приземного шару  можна знехтувати, не знижуючи при цьому точності результату, оскільки щільність - це питома маса повітря, тобто маса об’ємної одиниці, яка за нормальних умов має значення   ρ=1,2928 г/л.

Коефіцієнт (Vg) відображає пропорційну залежність між концентрацією (С) речовини у повітрі і її потоком на землю та впливом усіх механізмів вимивання домішок з атмосфери, що діють за час осереднення проби. Він має розмірність швидкості, але не є швидкістю гравітаційного осідання.

 Наведена формула (6.3) достатньо адекватна як при короткострокових, так і при довгострокових дослідженнях (вимірах), включаючи періоди з дощами реакційно здатної чи пасивної речовини. При цьому результат відображає загальну величину сухих, мокрих чи сумарних атмосферних випадінь залежно від метеоумов за час досліджень (розрахунковий період).

Звичайно потік домішок до землі визначають за допомогою вертикального градієнта (на рівні 2 і 10 м від поверхні землі). При цьому швидкість осідання газів на поверхню землі зменшується із збільшенням стабільності приземного шару повітря, а інтенсивність осадження газів залежить від фізичного стану поверхні поглинання. Так, наприклад, швидкість сухого осадження сірчаного газу (SO2) в лісових масивах близька до 0,018-0,037 м/с, а для безлісих ландшафтів - 0, 008 м/с. Зазначимо, що водна поверхня добре поглинає SO2  і сухе випадіння, тому має велике значення в балансі сірки в атмосферних випадіннях над акваторіями. Швидкість випадіння при цьому залежить від реакційності газів та швидкості вітру.

Кожна речовина має певну швидкість випадіння з повітря на земну поверхню. Швидкість атмосферного випадіння оцінюється величиною  Vg = n ·10-2  м/с. При цьому абсолютна величина (n) швидкості осідання може змінюватися від частки одиниці до кількох одиниць залежно від умов. Ілюстрацією можуть служити дані показників потоку і швидкості сухого випадіння сірчаного газу при різній стійкості приземного шару атмосфери і типу поверхні землі, наведені в табл.6.1. 

Таблиця 6.1 – Показники потоку Q  і швидкості V  сухого

                              випадіння сірчаного газу  SO2   

Співвідношення між масою сухих і масою мокрих випадінь залежить від кліматичних умов, погоди під час спостережень, хімічних властивостей речовини та стану підстилаючої поверхні землі. Тому воно може коливатися в дуже великих межах. Певна річ, що для металів сухе випадіння може досягати 90%, в той час як для газів за цих же умов не перевищувати 10%. Проте гази можуть вимиватися із атмосфери також шляхом прямої абсорбції. Ілюстрацією можуть служити дані показників співвідношення швидкості сухого осідання газів (Vg) і швидкості вітру (U) над водною поверхнею (при нейтральній стратифікації приземного шару повітря), наведені в табл.6.2. 

Таблиця 6.2 – Співвідношення швидкості  (Vg)  сухого осідання

                        газів і швидкості (U) вітру над водною поверхнею 

Оскільки в атмосфері відбувається фізико-хімічна трасформація речовин, то з віддаленням від джереда викидів (тобто зі збільшенням часу знаходження речовини у повітрі) змінюється початковий склад суміші речовин у повітрі (у димовому факелі викидів). Наприклад,  SO2  окиснюється до SO4, а NH переходить в NH4 тощо. Що стосується сірковмісних домішок, то майже половина (близько 50%) їх маси випадає з атмосфери на землю за рахунок сухого осадження, близько третини (приблизно 30%) вимивається опадами в межах розрахункової границі дальності поширення в зоні викиду стаціонарним джерелом (тобто близько 70% маси викиду цієї речовини), а решта (тобто близько 20%) становлять вклад в глобальне забруднення за рахунок дальнього перенесення на відстань більше 1,5 - 2 тис.км від джерела їх викиду.

У загальному випадку завжди буває відома валова маса, Мт, техногенного викиду забруднюючих речовин в атмосферу  певним стаціонарним джерелом за даними його технологічного циклу (державна статистична звітність ф.2тп-повітря). Тому практично зручною є можливість розрахунку осідання речовин на основі цих даних. При цьому зміна надходження М, т/га, речовин з опадами та пилом (у напівлогарифмічному масштабі) за досліджуваний (розрахунковий) період часу при зміні модуля швидкості вітру V за цей час задовільно апроксимується прямою залежністю типу  ℓg М ~ V.

Враховуючи тривалість сухого періоду (Тс) і періоду з опадами (Тм), можна запропонувати певні аналітичні співвідношення для оцінки маси надходження речовин з атмосфери на земну поверхню на базі початкової маси Мт, т/рік, її викиду за даними статзвітності.

Масу мокрого випадіння Мм, т/(кв.км рік), речовин з атмосферними опадами на поверхню (земну, водну) за розрахунковий період (добу, місяць, рік) можна оцінити за формулою

      Мм  =  Мт ·10 m1  (1- ℮ m 2 ),                                        (6.4)

де   Мт - початкова маса викиду забруднюючої речовини в атмосферу, т/рік; 

     m1 = 0,2 U – 0,4,  де  U- середній модуль швидкості вітру за розрахунковий період, м/с ;

     m2 = 0,2Тм, де Тм – тривалість періоду з опадами за розрахунковий період, годин. 

Масу сухого випадіння Мс речовин з атмосфери на земну поверхню за розрахунковий період можна оцінити за формулою

    Мс  =  Мт ·10 n1 (1- ℮ n 2 ),                                           (6.5)

де     n1 = 0,25 U – 0,6;

    n 2 = -0,005 Тс, де Т – тривалість сухого періоду (без опадів) за розрахунковий період, годин.

Таким чином, загальна маса випадіння речовин з атмосфери на земну поверхню за розрахунковий період становить суму цих величин, тобто М=Мс+Мм.

Алгоритм виконання роботи

Виписати вихідні дані згідно із заданим варіантом та відповідно до наведеної схеми (табл.6.3, 6.4).

Розрахувати показник величини маси сухого випадіння Мс з атмосфери на земну поверхню з пиловою речовиною, якщо відома концентрація речовин С в атмосфері (формула 6.3).

Розрахувати показник маси мокрого випадіння Мм речовин з атмосферними опадами на поверхню землі за розрахунковий період, якщо відома валова маса Мт техногенного викиду в атмосферу домішок стаціонарним джерелом за даними його технологічного циклу (ф-ла 6.4).

Розрахувати показник маси сухого випадіння Мс речовин на поверхню землі за розрахунковий період, якщо відома валова маса Мт викиду в атмосферу стаціонарним джерелом за даними його технологічного циклу  (ф-ла 6.5). 

Розрахувати показник сумарної маси випадіння М речовин з атмосфери на поверхню землі за розрахунковий період (добу, місяць, рік) (ф-ла 6.1). 

Провести порівняльний аналіз одержаних результатів.

Сформулювати висновки за результатами роботи.

 

Таблиця 6.3 - Варіанти завдання вихідних даних концентрації

                        забруднюючих речовин в атмосферному повітрі

                                  промислових центрів,  мг/куб.м     

 

 

 

 

Таблиця 6.4 – Варіанти  завдання  вихідних  даних маси викидів

            в атмосферне повітря промислових центрів, тис.т/рік   

 

 

 

Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання (пп. 1). 

Результати всіх послідовних розрахунків (пп.2-5).

Короткий аналіз  щодо одержаних результатів.

 Стислі висновки щодо одержаних результатів.

 

 

 

 

Питання для самоконтролю

Яку роль відіграють моделі в процесі накопичування знань та досвіду?

Охарактеризувати процес імітації та вказати його роль у дослідженні та моделюванні екосистем. 

Дати визначення поняття моделі та проаналізувати причинно-наслідкові зв’язки і навести приклади.

Дати визначення об’єкта моделювання в екології та навести приклади.

Назвати та охарактеризувати параметри системи. 

Що необхідно і достатньо вказати для того, щоб задати екосистему?

Дати визначення поняття моделі, проаналізувати причинно-наслідкові зв’язки в ній та зробити висновки.

Дати визначення поняття процесу моделювання, проаналізувати причинно-наслідкові зв’язки цього процесу та зробити висновки.

Перелічити чотири складові принципової загальної схеми моделювання екооб'єкта та проаналізувати причинно-наслідкові зв’язки між ними.

Вказати три послідовні етапи процесу моделювання екосистеми, проаналізувати логічні та причинно-наслідкові зв’язки й зробити висновки.

Назвати три послідовні етапи процесу моделювання екосистеми, дати характеристику кожному етапу та провести їх порівняльний аналіз.

Описати  метод ітераційного (покрокового) наближення, охарактеризувати його особливості та проаналізувати.