Общие положения. Вредные вещества, попадая в атмосферу, рассеиваются или вымываются из нее осадками

Вредные вещества, попадая в атмосферу, рассеиваются или вымываются из нее осадками. При постоянном режиме выбросов вредных веществ, колебания уровней загрязнения атмосферного воздуха наблюдаются под влиянием условий переноса и рассеяния примесей в атмосфере. Поэтому снижение концентраций примесей на исследуемой территории в целом зависит от определенных сочетаний метеорологических факторов. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надежностью будет осуществляться прогноз возможного накопления примесей в атмосфере. Так как формирование уровня загрязнения атмосферы примесями в значительной степени связано с условиями вертикального и горизонтального переноса и рассеяния примесей, качество атмосферы изучаемой территории может быть представлено в виде функции скоростей воздушных потоков.

В нашем случае в выбросах от низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабой ветровой активности (ν < 3 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферы. Следовательно, резкое увеличение концентрации примеси в атмосфере промышленного центра может происходить при скоростях ветра до 4 м/с, когда наблюдаются застойные явления в воздухе. В случае выпадения осадков в системе «атмосфера – территория» в расчет следует включить дополнительный фактор – количество осадков в виде дождя и снега.

Любой источник загрязнения может и должен рассматриваться в качестве системы типа: человек–атмосфера–производство. Причем объединяющим началом в этой системе является территория, а природной средой, через которую осуществляется взаимодействие в системе, служит атмосфера. Следовательно, нами должно рассматриваться взаимодействие в системе типа: приземный слой атмосферы – производство – человек. Атмосфера выступает средой, через которую примесь от источника перемещается к человеку, в качестве источника примеси выступает производство, человек - в качестве компоненты, подвергающейся воздействию этой примеси.

Данную систему следует рассматривать как неравновесную систему, в которой есть пространство с избыточным содержанием i -той примеси и есть пространство с ее недостатком. Следовательно, для этой системы будет присущ диффузионный процесс, который можно охарактеризовать потоком массы вещества. Если смоделировать рассматриваемую систему, то основными элементами модели можно принять:

1) генератор (источник) примесей – совокупность предприятий и улиц, выбрасывающих в атмосферу n -ое количество примесей;

2) среда, в которой наблюдается диффузия примеси – атмосфера. Под атмосферой нами подразумевается ее приземный слой высотой 100 м;

3) механизм распределения примеси от источника по территории определяется метеоусловиями;

Совокупность предприятий и улиц, как источник (генератор) примеси, можно описать через поток массы генерируемого вещества

. (4.1)

В производственных условиях Мⁱ называется количеством выбросов.

Для характеристики диффузионного процесса, интенсивность которого определяет состояние системы с рассеиванием или накоплением примеси на территории завода или на территории прилегающей к заводу, используем законы молекулярной и конвективной диффузии, которые позволяют оценить поток диффузии для i -ой примеси

, (4.2)

где Cⁱ – концентрация i -й примеси, мг/м³; q = ν/t – объемная скорость перемещения примеси, м³/с.

Полный поток вещества слагается из конвективного (Cⁱ·q) и диффузионного (Dⁱ · gradCⁱ) потоков. Причем диффузионный поток в атмосфере должен быть пропорционален градиенту концентрации и направлен в сторону убыли концентрации примеси в атмосфере (знак минус указывает именно на это). Если же примесь находится в движущемся потоке, то поток увлекает ее своим движением и создает конвективное перемещение вещества в пространстве (второй член в уравнении (4.2))

Уравнение (4.1) является количественным описанием технологического процесса. А уравнение (4.2) является уравнением, описывающим процесс накопления (рассеивания) примеси в воздушной среде. Для уравнения (4.2) могут быть получены точные решения лишь в простых геометрических условиях. Поэтому для его решения следует знать граничные условия, которые задаются, как правило, концентрацией примеси у источника выбросов и вдали от него. Первым граничным условием следует считать условие, когда концентрация примеси вдали от источника выбросов стремится к нулю (С). Следовательно, в рассматриваемой системе возникает ограничение в перераспределении примеси, а уравнение (4.2) примет вид

. (4.3)

Уравнение (4.3) показывает, что поток вещества лимитируется молекулярной диффузией. Вторым граничным условием может быть условие, когда скорость генерирования примеси у источника и вдали от него будет оставаться одинаковой (С = С_равн), а уравнение (4.2) примет вид

. (4.4)

То есть полный поток примеси в этом случае лимитируется конвекцией.

Третьим граничным условием следует считать такое условие, при котором примесь выводится из атмосферы осадками и поэтому ее концентрация вдали от источника выбросов стремится к заданной концентрации (С >> C_равн). В системе «атмосфера – территория» возникает ограничение в перераспределении примеси, а уравнение (4.2) примет вид

. (4.5)

где Δ Сⁱ – снижение концентрации примеси в атмосфере в процессе выпадения осадков.

Исходя из уравнений (4.1) и (4.2) для систем человек – совокупность предприятий и улица – атмосфера можно получить критерий качества атмосферы (k_атм), который определяется отношением скорости генерирования примеси в атмосферу к скорости ее рассеивания (накопления по территории) и через категорию опасности предприятий и улиц включает в себя количество выбросов от источника, скорость ветра и его направление, интенсивность атмосферных осадков, токсичность примеси и ее класс опасности, а через категорию опасности территории – емкость среды по примеси. Определение критерия качества атмосферы проводили по формуле

, (4.6)

где КОТ – категория опасности территории, м³/с.

Из определения категории опасности территории следует, что изменение емкости приземного слоя атмосферы территории возможно двумя путями:

1) через увеличение во времени объема среды, в которой распределяется примесь (рассеивание);

2) через изменение приведенной концентрации примеси.

Причем, каждому состоянию системы отвечает только одно значение критерия качества атмосферы. Этот факт можно использовать для оценки и прогноза качества атмосферы территории в различных метеорологических ситуациях.

Критерий качества атмосферы можно представить следующим образом

. (4.7)

В граничных условиях для молекулярной диффузии и конвекции уравнение (4.7) будет иметь различный вид

. (4.8)

. (4.9)

Для привязки уравнения (4.7) к принятым в промышленной экологии показателям, умножим его числитель и знаменатель на ПДК, просуммируем по n -му количеству примеси и возведем в степень α, тогда уравнение (4.7) примет вид:

. (4.10)

За категорию опасности территории нами принято выражение вида:

(4.11)

которое для конвективной диффузии трансформируется в следующее выражение:

(4.12)

а для молекулярной диффузии примет вид:

(4.13)

Следовательно, категория опасности территории может быть использована в качестве основного параметра, способного прогнозировать санитарно–гигиеническое состояние воздушной среды исследуемой территории на основе существующих данных об источниках загрязнения среды и о метеоусловиях в ней.

В настоящее время однозначно установлено, что перенос и распространение примеси в атмосферном воздухе зависит, в первую очередь, от скорости движения воздушных потоков (ветра). То есть от объема воздуха, в котором перераспределена примесь. При этом, распределение примеси внутри объема осуществляется по законам конвективной диффузии. При расчете интенсивности загрязнения атмосферы изучаемой территории основной проблемой становится оценка этого объема воздуха. В качестве модели приземного слоя атмосферы рассмотрен замкнутый объем с подвижными стенками, который должен изменяться и описываться уравнением:

, (4.14)

где V ₀ – постоянный объем приземного слоя атмосферы изучаемой территории; Δ V –прирост объема за счет диффузии.

Знак «плюс» в выражении (4.14) ставится тогда, когда объем воздушной среды, в котором распределяются загрязняющие примеси, нарастает за счет восходящих или горизонтальных, воздушных потоков, а знак «минус» – когда объем воздуха уменьшается в результате температурных инверсий.

Постоянный объем приземного слоя атмосферы исследуемой территории определяется площадью этой территории и высотой ее приземного слоя, то есть может быть рассчитан по формуле:

, (4.15)

где L и E –ширина и длина территории, м; H – высота приземного слоя атмосферы (H = 100 м).

С некоторым приближением (площадь территории имеет форму круга, промышленные предприятия равномерно распределены по данной территории) можно принять

, (4.15)

где S_Г – площадь застройки территории.

Таким образом, анализ механизмов диффузии примеси в приземном слое исследуемой территории показывает следующее:

1) интенсивность загрязнения атмосферного воздуха данной территории должна определяться механизмом рассеивания примесей. Наиболее сильное ее загрязнение будет иметь место для случая, когда рассеивание примесей осуществляется по механизму молекулярной диффузии (застойные явления в воздушной среде). Следовательно, при изучении качества атмосферы следует обратить внимание на проветриваемость территории, то есть на изучение зависимостей типа: К = f (U);

2) высота приземного слоя (H) зависит от температуры воздуха на разных высотах (температурные инверсии) и от скорости и характера движения воздушных потоков, то есть Н = f (U, Т, Р) и при их неблагоприятном сочетании может стремиться к малым величинам (10…50 м). Кроме того, высота приземного слоя является функцией рельефа местности;

3) параметр L характеризует длину (ширину) территории, который перпендикулярен к направлению ветра. Следовательно, зная господствующую розу ветров можно вносить поправки в пространственное размещение предприятий–загрязнителей на данной территории;

4) критерий качества атмосферы представленный уравнениями (4.6), включает в себя сочетание наблюдаемых (или ожидаемых) метеорологических параметров в определенный период времени (час, сутки), рельефных характеристик, а также количество выбрасываемых вредных веществ в воздушный бассейн территории. Поэтому может использоваться при прогнозировании возможных изменений уровня загрязнения атмосферы, как на короткие временные интервалы, так и на длительное время.

Дата добавления: 2014-11-25