Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ КОМПАНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ С УЧЕТОМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ

Айдосов А. , Айдосов Г. А., Заурбеков Н. С.,

6.1.2. Ранжирование районов технополиса по степени экологической безопасности

Построение геоэкологической карты распространения вредных примесей на основе диффузионных моделей. Базовый алгоритм позволял рассчитывать поле концентраций загрязняющих примесей в плоскости «источник выброса – направление ветра» от локального источника (назовем это плоскостью XOZ). Пересчет поля концентрации на ось OY осуществляется с помощью соотношения:

(6.1)

Из формулы (6.1) следует, что наибольшая концентрация достигается при y = 0, т.е. на оси дымового факела Х. От оси Х в поперечном направлении у – концентрация убывает симметрично по экспоненциальному закону, причем с ростом х это убывание замедляется. Для достаточно больших х коэффициент k0 начинает зависеть от х:

k0(x) ≈ xk0. (6.2)

Основная часть примесей, таким образом, сосредоточена в сравнительно узкой струе (факеле), ось которого соответствует у = 0.

Фактическая высота выброса примеси в атмосферу равна геометрической высоте трубы только в тех случаях, когда температура выбрасываемой примеси не отличается от температуры окружающего воздуха и его скорость истечения мала. Это условие не соблюдается при выбросе газовой смеси из труб месторождения. Начальная скорость струи и перегрев примеси ведут к дополнительному ее подъему. При этом высота источника становится равной некоторой эффективной высоте:

HЕФФ = HГ + ΔH, (6.3)

где HГ – геометрическая высота трубы; HЕФФ – эффективная высота трубы; ΔH – высота подъема струи над трубой вследствие инерции движения и плавучести.

В работах Берлянда [314, 316] была предложена приближенная формула для определения начального подъема:

(6.4)

где  – объем уходящих газов в единицу времени; u – скорость ветра на высоте флюгера (zΦ = 10 м); w0 – начальная скорость уноса примеси; R0 – радиус трубы; ΔT – перегрев примеси относительно температуры Ta окружающей среды.

В табл. 40 представлены полученные в результате расчета по формуле (6.4) эффективные высоты труб для девяти групп источников и девяти вариантов расчетов. Из таблицы следует, что при некоторых метеорологических условиях эффективная высота труб может отличаться от геометрической на порядок.

При проведении расчетов удобно ввести две системы координат. Первая система X′Y′Z′, связанная с источником и направлением ветра с метровым масштабом. Вторая система XYZ, связанная с картой месторождения и, соответственно, с километровым масштабом. Моделирование происходит в системе X′Y′Z′, а затем осуществляется перерасчет в систему XYZ путем параллельного переноса:

x = x′ – xs;

y = y′ – ys. (6.5)

Таблица 42

Эффективная высота трубы

Условия проведения расчетов. Алгоритм моделирования распространения загрязняющих примесей в атмосфере месторождения был реализован в виде программы на языке ФОРТРАН.

Вследствие некоторых модельных особенностей численные эксперименты несколько отличаются от представленных в других разделах отчета, но тем не менее отражают наиболее характерные метеорологические ситуации в регионе, и учитывают наиболее важные источники. Исходные данные для расчетов приведены в табл. 11. Характерные масштабы расчетов:

В системе X′Y′Z′ – 2500×2500×200 м.

В системе XYZ – 25×25×0,2 км.

Варианты 1–4 соответствуют устойчивой стратификации (δT > 0, где δТ – разность температур на двух высотах в приземном слое воздуха Z2 = 10 м, Z3 = 100 м). Варианты 5–8 соответствуют неустойчивой стратификации (δT > 0). Скорость ветра u1 определяет, где xs, ys – координаты источника в системе XYZ, и поворота на угол ϑ в направлении ветра:

x = x′cos ϑ + y′sin ϑ;

y = –x′cos ϑ + y′cos ϑ. (6.6)

Итоговое поле концентрации примеси находится как суперпозиция полей от локальных источников загрязнения:

(6.7)

где ns – число источников.

Ветер на высоте Z1 = 1 м, дальнейшее изменение скорости ветра с высотой определяется по формуле:

(6.8)

где Z0 = 0,01 – параметр шероховатости.

Направление ветра юго-восток (варианты 1–4) и северо-восток (варианты 5–8).

Уровни наблюдения брались на двух высотах z = 10 м и z = 100 м. В табл. 41 приведены данные о высоте приземного слоя h, которая рассчитывается в модели по формуле:

(6.9)

где wz = 10–4 – вертикальная составляющая скорости вращения Земли.

Таблица 43

Высота приземного слоя, рассчитанная по модели

Возможность рассчитывать величину h по формуле (6.9) является одним из важных преимуществ данной модели.

На рис. 46–53 представлены результаты расчетов распределения двуокиси серы SO2 по территории месторождения, отмеченного контуром. Выделены три группы из девяти групп источников, соответствующие своим истинным положениям. Карта местности приводится в таком виде, что ось OY направлена на север, а ось OX – на восток. Номера изолиний соответствуют следующим значениям концентрации:

(6.10)

где k – номер соответствующей изолинии; ПДК – предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (ПДКSO = 0,05 мг/м3 – среднесуточная).

Рис. 46. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 10 м (вариант № 1, табл. 3)

Рис. 47. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 100 м (вариант № 2, табл. 43)

Изолинии, соответствующие ПДК, достигаются при K = 7, но таких изолиний на рисунке нет, вследствие выбранных условий расчета.

Анализ результатов вычисления. Группа рисунков (рис. 46–53) изолинии реализует вариант с различными уровнями наблюдения (Z1 = 10 м, Z2 = 100 м). В верхних слоях атмосферы с увеличением высоты увеличивается скорость ветра (см. (6.8)) и увеличивается размер вихрей, обслуживающих турбулентный обмен, что приводит к большому распространению загрязняющих примесей. Как уже указывалось, в силу поставленных условий расчета, выделить изолинии уровня единиц ПДK нет возможности (уровень 7). Может вызвать удивление сравнение рис. 46 и 48 для аналогичных условий (меняется только скорость ветра, для рис. 48 скорость ветра в 2 раза меньше) – размывание на рис. 48 больше, чем на рис. 46, хотя ветер меньше. Но изучение табл. 43 проясняет ситуацию – группа важных по вкладу в загрязнения источников 4–6 в четыре раза увеличила свою эффективную высоту, что и послужило более далекому распространению примесей.

Аналогичные рассуждения можно привести и к случаю неустойчивой атмосферы (рис. 54). Различие двух групп рисунков (устойчивой и неустойчивой атмосферы) обусловлено более высоким подъемом и дальним переносом примеси в случае конвекции, что приводит к более сжатым изолиниям в случае неустойчивой атмосферы на высоте z = 10 м и большим различием на высоте z = 100 м.

Рис. 48. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 10 м (вариант № 3, табл. 43)

Рис. 49. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 100 м (вариант № 4, табл. 43)