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.,

6.2.1. Построение геоэкологической карты распространения примесей с применением гидродинамической модели пограничного слоя атмосферы и его результаты

С ростом числа и мощности нефтегазодобывающих месторождений резко возрастает опасность того, что концентрация вредных веществ, поступающих в нижние слои атмосферы, может превышать предельно допустимые величины. Совершенно очевидно, что степень загрязнения нижних слоев атмосферы зависит не только от технологических и конструктивных параметров промышленных объектов (таких, как мощность выброса, высота и диаметр труб, скорость переноса и температура выбрасываемых в воздух веществ и др.), но и от тех факторов, которые определяют процесс распространения примесей в атмосфере. Этими факторами являются скорость ветра, стратификация атмосферы, орография местности и характер подстилающей поверхности. Они обусловливают скорость переноса вредных веществ вдоль направления среднего ветра и интенсивность турбулентного перемешивания. Приступая непосредственно к рассмотрению процессов распространения примесей, следует иметь в виду, что в подавляющем большинстве интересующих нас случаев они протекают в пределах пограничного слоя атмосферы. Поэтому представление о структуре последнего, в частности о динамике пограничного слоя и уравнения переноса и диффузии примеси, которые были изложены в первом подразделе третьего раздела лежат в основе излагаемых ниже численных расчетов.

Рис. 50. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 10 м (вариант № 5, табл. 43)

Рис. 51. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 100 м (вариант № 6, табл. 43)

Построение геоэкологической карты переноса примесей используя модель пограничного слоя атмосферы с незакрепленной верхней границей воздушной массы. В атмосфере часто наблюдаются инверсионные ситуации, когда более теплая воздушная масса находится выше холодной. Эти воздушные массы отделяются свободной поверхностью H(x, y, t), которая является искомой величиной. При этом можно предположить, что высота пограничного слоя атмосферы совпадает с нижней границей инверсии.

В отличие от постановки задачи пограничного слоя, где обычно верхняя граница имеет фиксированную высоту, в этом случае функция H(x, y, t) является одной из искомых характеристик. Поэтому, использование такой модели требует преобразования системы уравнений гидротермодинамики (3.17)–(3.23) таким образом, чтобы в ходе решения задачи, наряду с другими метеоэлементами, определить функцию H(x, y, t) и одновременно учитывать структуру рельефа подстилающей поверхности.

Расчеты были проведены для наиболее аномальных метеоситуаций, т.е. когда в атмосфере преобладала конвекция, способствующая рассеиванию примесей, либо сильная инверсия при которых может происходить накопления вредных веществ превышающих предельно – допустимые концентрации (ПДК). Во всех проведенных вариантах расчетов предполагалось, что примесь является однокомпонентной и пассивной.

Рис. 52. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 10 м (вариант № 7, табл. 43)

Рис. 53. Изолинии распределения концентрации СO2 на высоте 100 м (вариант № 8, табл. 43)

Эффективная высота источников равнялась в среднем 50 м. При этом под высотой понимается сумма геометрической высотой трубы Н и некоторой добавочной высоты. Последняя определяется подъемом облака примеси над срезом трубы, который обусловлен наличием первоначального количества движения в струе выходящих из трубы газов и их перегревом по отношению к атмосферному воздуху. Кроме того, расчеты приводились для двух компонентов выброса – двуокись азота (NO2) и сернистого газа (SO2), при этом их скорость оседания определялась по формуле Стокса.

Фоновая метеоситуация выбрана исходя из данных аэрологической станции и срочных наблюдений. Фоновая стратификация атмосферы определялась по среднесуточным градиентом температуры по вертикали до уровня 850 Мб.

Рис. 54. Изолинии распределения концентрации NO2 на высоте 10 м (вариант № 1, табл. 43)

Во всех вариантах начало счета соответствует 6.00 часам местного времени. Кроме того, для модели пограничного слоя атмосферы соответствуют следующие параметры:

ΔX = ΔY = 2000 м; H0(x, y) = 1500 м; ΔT = 1/18; λ = 0,035 м/(с∙град);

l = 0,0001 м–1; s = 0,003–0,007 град/м; z0 = 0,01–0,615 м; А = 0,14–0,4;

Lw = 536 кал/г; λs = 0,31–0,94 кал/(м∙с∙град); g = 9,8 м2; a3 = 0,49;

b3 = –0,08; χ = 0,35; ρ = 1300 г/м3; p = 1013 мб; Cp = 0,24 кал/(г∙град);

μx = μy = 3000 м2/с; vz = 10 м2/c.

Теперь рассмотрим несколько вариантов выполненных расчетов, проведенных по гидродинамической модели рассеивания примесей в приземно – пограничном слое атмосферы в районе Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения. Для этого была выбрана область размером 48 м2, таким образом, чтобы примерно в середине расположились источники, и в последующем этот район был покрыт сеткой шагом 2000 м.

Таким образом, расчеты выполнялись на сетке 24×24 ≈ 18. Во всех случаях режим работы источников предполагался стационарным, т.е. Q(t) = Q0 = const. Шаг интегрирования по времени Δt = 10 мин.

Вариант 1. В этом случае рассматривается распределение концентрации двуокиси азота (NO2) при фоновом ветре (юго-западного направления) Ug = –2,8; Vq = 0,74 м/с для летного времени года (3.08.89), основные параметры атмосферы были такие: TВОЗ = 298 °K, P = 748 мб, e = 13 мб.

Рис. 55. Изолинии концентрации сернистого газа на уровне Z = 2 м в момент времени t = 16 ч 00 мин

В силу отсутствия информации о суточном ходе ветра, оно предполагалось независящим от времени.

На рис. 55 показаны изолинии распределения концентрации двуокиси азота в районе месторождения. На уровне Z = 2 м, в момент времени t = 16.00 ч. Отсюда видно, что наибольшие значения концентрации ограничиваются изолинией с номером 5, которой соответствует значение концентрации 0,075 мг/м2.

Из результатов расчета следует, что максимум концентрации NO2 находится приблизительно вблизи источников, где его значение достигает 0,23 мг/м3. При таких метеоситуациях, в опасные зоны попадают районы с. Тунгуш и с. Березовка и частично охватывается с малой дозой, превышающий ПДК, с. Бестау.

Рис. 56. Изолинии концентрации сернистого газа на уровне Z = 2 м в момент времени t = 7 ч 00 мин

Рис. 56 соответствует моменту времени, когда инверсия, образованная вследствие рационального выхолаживания начинает постепенно подниматься и имеет приподнятый вид (запрещающая инверсия). В этом случае в приземном слое
наблюдаются наибольшие значения концентрации примеси, которая по прежнему выпадает вблизи источников. А район, где ожидается превышение ПДК ограничивается изолинией с номером 4, которому соответствует значение концентрации 0,14 мг/м3. Отсюда можно сделать вывод, что при приподнятых инверсиях опасность загрязнения намного возрастает, а область превышения ПДК сужается. Это можно объяснить ослаблением турбулентного перемешения в атмосфере.

Вариант 2. В данном случае рассматривается результат численного моделирования рассеяния сернистого газа в условиях зимы. Фоновые характеристики для модели заимствованы из результатов реальных наблюдений. В качестве фонового потока считать ветер на уровне 850 мб со значением Uq = 5,1 м/с; Vq = 3,1 м/с.

На рис. 57 показаны изолинии распределения концентрации сернистого газа (SO2) на уровне Z = 2 м в момент времени t = 16.00 ч. Отсюда следует, что концентрация в основном локализована в окрестности источников. Но в этом случае почти не наблюдается зона превышающая ПДК. Наибольшее значение, соответствующее изолинии с номером 7 является 0,0071 мг/м3.

Рис. 57. Изолинии концентрации сернистого газа на уровне Z = 2 м в момент времени t = 16 ч 00 мин

А теперь рассмотрим изолинии концентрации на уровне источника. В этом случае происходит накопление концентрации NO2 в плоскости z = 50 м, где наблюдаются зоны, в которых примесь превышает нескольких десятков ПДК. Этот случай является типичным для высотных источников, когда в приземном слое устанавливается устойчивая инверсия температуры, вследствие радиационного выхолаживания. В данном варианте по модели были рассчитаны следующие характеристики метеоэлементов температуры почвы –27 °С, температура воздуха на уровнях z = 2 м и z = 50 м и соответственно –18 °С и –12 °С. Отсюда можно сделать вывод, что при сильных инверсионных ситуациях, в приземном слое атмосферы маловероятно образование зоны с повышенным содержанием концентрации SO2. Зоны, где наблюдается превышения ПДК ожидаются на уровне эффективной высоты источников.

Рис. 58. Изолинии концентрации сернистого газа на уровне Z = 50 м в момент времени t = 16 ч 00 мин

Вариант 3. Теперь рассмотрим распределения для соединений двуокиси азота NO2. В этом варианте метеоситуация соответствовала зимнему времени года (06.01.89). TВОЗ = –25 °С, m = 2,0 м/с, p = 757,2 мб. Фоновый градиент температуры характеризуется следующим распределением: до 100 м стратификация сильно устойчивая, а выше слабоустойчивая. Отсюда видно, что газ в основном локализуется в окрестности трубы и это распределение в течение дня почти не меняется. А в нижних слоях и около земли наблюдается концентрация его в количестве, не превышающем ПДК. Надо отметить, что на уровне трубы наблюдается концентрация, превышающая ПДК в 300–350 раз. На рис. 58 этому соответствуют изолинии 8, 7, 6.

Вариант 4. В данном случае рассмотрим распределение концентрации SO2 в случае приподнятой инверсии, соответствующей зимнему времени года (21.01.89) (рис. 59). В этом случае нижняя граница инверсии немного выше, чем высота источника (уходящая инверсия). Естественно, что такое состояние атмосферы в реальных условиях существует только лишь в некоторых отрезках суток (например, ближе к полудню).

Рис. 59. Изолинии концентрации сернистого газа на уровне Z = 2 м в момент времени t = 14 ч 00 мин

а

б

Рис. 60. Изолинии концентрации NO2 b поле вектора скорости:
 – на уровне Z = 50 м в момент времени t = 14 ч 00 мин;
б – на уровне Z = 2 м в момент времени t = 14 ч 00 мин

На рис. 60, а и б нанесены изолинии концентрации и вектора скорости на двух уровнях Z = 50 м и Z = 2 м для момента времени t = 14,00.

Видно, что, как и в варианте 2, происходит эффект «задымления» приземного слоя атмосферы. В этом случае выбросы имеют вид подинверсионный, т.е. распределение концентрации на обоих уровнях почти одинаковы. Например, на уровне z = 50 м максимальное значение (изолиния 8) равно 6,3 мг/м3, а на уровне z = 2 м это значение равно 2,8 мг/м3. А область с превышением ПДК ограничивается изолинией под номером 2.

Таким образом, гидродинамическая модель позволяет воспроизводить суточный режим метеополей и соответственно с ним, рассчитать распределение концентраций вредных примесей.