Гончарук Е.И. Коммунальная гигиена 2006

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

ТЭС, котельные в теплое время года работают с меньшей мощностью и поэто­ му расходуют меньше топлива. Следовательно, выбросы золы, сажи и серы ди­ оксида уменьшаются (табл. 73).

Если зимой фактическая концентрация сажи составляла 0,141 мг/м3, а се­ ры диоксида — 1,500 мг/м3, то летом их содержание в атмосферном воздухе уменьшилось в 2 и 11 раз соответственно. Установлено, что в холодное время года в дальний перенос вовлекается больше соединений серы, чем в теплое. Продолжительность пребывания их зимой возрастает в 1,5 раза, а скорость трансформации увеличивается летом в 2,5 раза. Величина выброса атмосфер­ ных загрязнений изменяется и в течение суток. Концентрация их ночью ниже, чем утром, в 5—10 раз. То, что максимальная концентрация углерода оксида, диоксида и других наиболее распространенных в воздушной среде населенных мест ингредиентов наблюдается именно днем, объясняется увеличением ин­ тенсивности выбросов промышленными предприятиями и транспортом в это время суток. Резко отражаются на абсолютной величине выброса и изменения в работе пылегазоочистных установок. Так, при снижении коэффициента очи­ стки с 99,8 до 99,2 выброс увеличивается в 4 раза. Объем выброса может из­ меняться также при переходе на другой вид топлива и технологию сжигания. Использование многозольного и многосернистого топлива приводит к увели­ чению выбросов золы, серы диоксида и других ингредиентов (табл. 74, 75).

Следовательно, при сжигании природного газа выброс аэрозолей по срав­ нению с выбросом твердых частиц во время сжигания топливной нефти мень­ ше в 4 раза, серы диоксида — в 1570 раз, углеводородов — в 6,25 раз.

Сравнительная характеристика величины выброса указанных выше ингре­ диентов в зависимости от технологии сжигания топлива свидетельствует о наи­ большей экологической безопасности конвейерной решетки. В Киеве на Дарницкой и Киевской ТЭС с изменением топливной структуры (увеличение использования природного газа до 98,5%) выброс золы уменьшился в 3 раза, а серы диоксида — в 5 раз.

При одинаковом абсолютном выбросе степень загрязнения атмосферно­ го воздуха в населенных пунктах может значительно изменяться в зависимос­ ти от высоты выброса. Различают высокие (Н > 50 м), средние (Н = 10—50 м),

471

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

ТАБЛИЦА 74

Изменение величины выброса в атмосферу загрязняющих веществ при сжигании природного газа и нефти

472

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

ном воздухе в зависимости от удаления неорга­ низованных источников загрязнения воздушного бассейна. Хлорорганические

пестициды распространяются в радиусе 600 м от складов хранения. Их кон­ центрация уменьшается в атмосферном воздухе по мере удаления (с 3,65 до 0,25 мг/м3). При увеличении расстояния в 6 раз максимальное содержание этих веществ в атмосферном воздухе уменьшается в 11 раз, а на расстоянии 700— 1000 м они не определяются. Такая же закономерность характерна и для рас­ сеивания фосфорорганических пестицидов. Но, в отличие от хлорорганических пестицидов, они распространяются в радиусе 900 м. На основании про­ веденных исследований была рекомендована СЗЗ для таких складов размером не менее 1000 м.

В реальных условиях концентрация веществ, загрязняющих атмосферный воздух, снижается медленнее, так как дымовой факел, касаясь земли, дефор­ мируется, сечение его увеличивается меньшей степени, чем квадрат расстоя­ ния. Значение этой поправки возрастает по мере удаления ГВС от источника

ТАБЛИЦА 77 Распространение пестицидов в атмосферном воздухе

в зависимости от оасположения складов

ятия создают максимум загрязнения в радиусе 2—4 км. Многочисленные га­ зовые и дымовые факелы на территории города могут перекрываться, образуя большие зоны повышенного загрязнения воздуха. Это необходимо учитывать при обосновании фоновых концентраций. Характер эмиссии вредных приме­ сей, выбрасываемых промышленными предприятиями, проиллюстрирован на рис. 80—84.

Конусообразный факел наблюдается при безразличной устойчивости ат­ мосферы, когда превалирует механическая турбулентность, а небо затянуто облаками днем и ночью. Половина угла факела составляет почти 10°. Большая часть загрязнений переносится ветром на значительные расстояния, прежде чем достигнет уровня земли.

Волнообразный факел наблюдается в условиях сильной конвективной тур­ булентности и является следствием сверхадиабатического вертикального гра­ диента температуры, который приводит к значительной неустойчивости атмо­ сферы. Характерен для ясных дней, когда земная поверхность нагревается сол­ нечными лучами. Тепловые вихри могут быть достаточно сильными, чтобы переносить выбросы вниз до уровня земли за короткое время. Хотя здесь на­ блюдается тенденция к рассеиванию примесей в большом объеме, в отдельных участках приземного слоя концентрация их может быть значительной.

Нитевидный факел наблюдается при условии большого отрицательного градиента температуры, образования инверсии над трубой. Механическая тур­ булентность выражена слабо. Если плотность ГВС незначительно отличается от плотности воздуха, примеси перемещаются в направлении ветра приблизи­ тельно на одинаковой высоте. Чаще бывает в ясные ночи, когда земля охлаж­ дается, излучая тепло. Земной поверхности достигает лишь небольшое коли­ чество летучих веществ.

Задымляющий факел наблюдается в том случае, если устойчивый слой воздуха находится на небольшом расстоянии, над точкой выброса, а неустой­ чивый — ниже выброса. Температурный профиль, способствующий образо­ ванию задымления, формируется рано утром. Утреннее солнце нагревает зем­ лю, развивается отрицательный температурный градиент в направлении от поверхности земли. Когда неустойчивый слой достигает высоты трубы, бо­ льшие объемы выброса из нее переносятся в направлении ветра к поверхности земли. Это длится не более получаса. Но в течение этого времени приземная концентрация может достигать относительно высоких значений. Задымлению

474

Рис. 81. Волнообразный факел

Рис. 82. Нитевидный факел

Рис. 83. Задымляющий факел

Рис. 84. Приподнятый факел

способствуют ясное небо и слабый ветер. Чаще всего такие условия создают­ ся летом.

Приподнятый факел появляется в то время, когда слой инверсии находится ниже выброса. Формируется в полдень и на рассвете при ясном небе. В течение

475

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

суток под действием солнечных лучей отрицательный температурный гради­ ент развивается во всем нижнем слое атмосферы. Тепло, излучаемое поверх­ ностью земли после полудня, способствует образованию приземной инверсии. Когда слой инверсии углубляется, приподнятая струя ГВС переходит в ните­ видный факел. При таких условиях загрязнения рассеиваются во время пере­ мещения примесей в направлении ветра, и значительной приземной концент­ рации не наблюдается.

Рассеивание вредных веществ в атмосфере является следствием трех ос­ новных механизмов: 1) усредненного движения масс воздуха, переносящего загрязнения в направлении ветра; 2) турбулентных флюктуации, рассеивающих примеси во всех направлениях; 3) массовой диффузии, связанной с градиен­ том концентрации. Вместе с тем такие общие аэродинамические характерис­ тики, как размер, форма и масса твердых аэрозольных частиц, влияют на про­ цесс их переноса и седиментации.

Большое значение в формировании загрязнения воздушного бассейна в городе имеет направление ветра. При относительно равномерном размещении промышленных объектов на территории населенного пункта зона повышенно­ го содержания ингредиентов смещается в подветренную сторону. Строитель­ ство промышленных объектов даже за чертой города по отношению к жилым кварталам без учета розы ветров может привести к тому, что выбросы будут переноситься в сторону города. Особенно большую роль играет направление ветра в городах, которые имеют вытянутую форму. Если вытянутость города совпадает с преобладающим направлением ветра, то имеет место наложение факелов выбросов от различных источников с образованием зоны повышенного загрязнения в подветренной части города. Поэтому при осуществлении преду­ предительного государственного санитарного надзора промышленные объек­ ты необходимо размещать в направлении, исключающем возможность созда­ ния неблагоприятной экологической ситуации. Установлено, что для одиноч­ ных источников выбросов максимум концентрации атмосферных загрязнений наблюдается при направлении ветра, вдоль этих источников, а если имеется группа параллельно расположенных источников, та неблагоприятным оказы­ вается ветер, направленный перпендикулярно к ним. Наряду с этим необходи­ мо учитывать, что под влиянием сезонных и суточных изменений направления ветра в районах с бризовой или муссонной циркуляцией перемещаются наи­ большие концентрации примесей. Так, в Лос-Анджелесе высокая концентра­ ция веществ перемещается на расстояние до 16 км. Утром, когда ветер дует с моря, область наибольшего загрязнения совпадает с центром города, а вече­ ром, когда он изменяет направление, центр максимального содержания приме­ сей смещается к побережью. Полученные данные дают возможность рациона­ льно размещать предприятия по отношению к жилым массивам и оценить до­ статочность размеров их СЗЗ.

Если бы уровень загрязнения атмосферного воздуха зависел только от ве­ личины выброса и направления ветра, то он не изменялся бы при постоян­ ном выбросе и одном и том же направлении ветра. Однако в реальных услови­ ях атмосферный цикл начинается с выброса примесей в воздух, после чего они

476

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

переносятся ветром и разбавляются воздухом. В этом процессе играет роль скорость ветра. Установлено, что наибольшая концентрация примесей в при­ земном слое атмосферного воздуха образуется при определенной скорости вет­ ра, которую называют опасной. Значение ее зависит от типа источника выбро­ сов и определяется по формуле:

где H — высота трубы (м); V — объем выбрасываемой ГВС (м3/с); AT — раз­ ница температур ГВС и атмосферного воздуха (°С).

По температуре выходящей ГВС выбросы подразделяют на: очень нагре­ тые (ЛТ = Тв ыб - Та т м в о з д > 100 °С), умеренно нагретые (20 °С < ДТ < 100 °С), слабо нагретые (0 °С < AT < 10 °С), изотермические (AT = 0 °С) и холодные (AT < 0 °С). Подъем горячих потоков ГВС в основном обусловлен тем, что температура выходящих газов выше температуры воздуха. При распростране­ нии потока ГВС в направлении ветра разбавление струи вдоль оси пропорцио­ нально средней скорости ветра на высоту потока. Чтобы предупредить откло­ нение потока вниз, вблизи горловины трубы скорость выбросов ГВС должна быть достаточно большой. Нисходящее движение потока от горловины трубы будет минимальным, если скорость выброса ГВС будет вдвое превышать ско­ рость ветра на уровне горловины трубы. Наряду с этим установлено, что при низких выбросах повышенный уровень загрязнения воздуха определяется при слабом ветре (0—1 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферного воздуха. При такой скорости ветра концентрация примесей на 30—70% выше, чем при других его скоростях. При высоких выбросах повы­ шенный уровень загрязнения воздуха определяется при скорости ветра в пре­ делах 4—6 м/с. В современных промышленных центрах наблюдается два пи­ ка концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в зависимости от скорости ветра. Первый пик характерен для низких выбросов и обусловлен вы­ хлопными газами автотранспорта. Второй пик характерен для высоких выбро­ сов. Он обусловлен выбросами крупных промышленных предприятий. При штиле выброс ГВС приводит к росту концентрации твердых аэрозольных час-

477

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

матом в периоды влияния антициклона. Ослабление ветра для большей тер­ ритории страны наблюдается лишь до 20 м по вертикали. Поэтому на такой территории основное значение в повышении концентрации атмосферных за­ грязнений будут иметь низкие выбросы промышленных предприятий и выхлоп­ ные газы автотранспорта. Штили наблюдают обычно в утренние часы, макси­ мум их повторяемости приходится на зимний период года.

Следующим фактором, который играет определенную роль в рассеивании примесей в атмосферном воздухе, является температурная стратификация, или распределение температуры по высоте. Атмосфера — это термодинамическая система, в которой вертикальное перемещение воздушных масс при определен­ ных условиях может рассматриваться как адиабатический процесс. При этом каждая масса, поднимающаяся вверх, будет охлаждаться, а опускаясь, — на­ греваться. Во время подъема массы воздуха атмосферное давление уменьша­ ется, объем массы воздуха увеличивается, а температура снижается. Во время опускания массы воздуха ее объем уменьшается, а температура повышается.

Изменение температуры воздуха на каждые 100 м подъема, выраженной в градусах Цельсия, называется вертикальным температурным градиентом.

Величина вертикального температурного градиента колеблется. В летний пе­ риод она приближается к 1 °С, а в холодный — снижается до десятых долей и минусовых величин. Международная стандартная атмосфера определена на основании усредненных метеорологических данных. Усредненная температу­ ра в средних широтах уменьшается линейно на высоте до ~ 10,8 км. При этом средняя температура на высоте 10,8 км составляет 288 К. Стандартный, или нормальный, температурный градиент равен 0,66 °С/100 м.

Изменение температуры воздуха на 1 °С на каждые 100 м вертикального слоя воздуха соответствует сухоадиабатическому градиенту. Сухоадиабатический вертикальный температурный градиент (минусовый температурный

Рис. 85. Безразличное состояние атмосферы

478

Рис. 86. Неустойчивое состояние атмосферы:

1 — сверхадиабатический градиент; 2 — сухоадиабатический градиент

Рис. 87. Устойчивое состояние атмосферы:

1 — ниже адиабатического градиента; 2 — сухоадиабатический градиент

градиент) является индикатором устойчивости атмосферы (способности атмо­ сферы препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулент­ ность). Исходя из представления о сухоадиабатическом температурном гради­ енте и фактических изменениях температуры по вертикали, определяют три типичных состояния атмосферы: безразличное (рис. 85), неусточивое (рис. 86) и устойчивое (рис. 87).

При безразличном (нейтральном) состоянии атмосферы вертикальный тем­ пературный градиент примерно равен сухоадиабатическому вертикальному. И любой объем воздуха, перемещающийся вверх или вниз, будет иметь такие же свойства (плотность, температуру в °С), как и масса воздуха, его окружающая.

479

РАЗДЕЛ IV. САНИТАРНАЯ ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

При неустойчивом состоянии атмосферы (конвективном, сверхадиабатичес­ ком) вертикальный температурный градиент больше сухоадиабатического. Это означает, что вертикальный температурный градиент более отрицательный, чем сухоадиабатический вертикальный температурный градиент. Такое состояние бывает в том случае, если поверхность почвы сильно нагрета солнцем. Нагре­ тые конвективные потоки поднимаются на значительную высоту, а холодные плотные массы опускаются вниз. В этом случае каждый объем воздуха, кото­ рый опускается, будет холоднее и тяжелее, чем окружающая его среда, и по­ этому будет продолжаться его движение вниз. И, наоборот, поднимаясь, воз­ дух становится теплее и легче окружающей его среды, и поэтому будет продо­ лжаться его движение вверх.

При устойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент атмосфер­ ного воздуха меньше сухоадиабатического вертикального градиента. При этом объем воздуха, перемещающегося в вертикальном направлении, будет пытать­ ся вернуться в начальное положение и наоборот. Когда с увеличением высоты температура повышается, градиент температуры отрицательный и атмосфер­ ные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии уменьшает верти­ кальное перемешивание загрязнений, что приводит к увеличению их концент­ рации в приземном слое атмосферного воздуха. Наиболее часто встречаются инверсия оседания (приземная) и радиационная (приподнятая) инверсия. Ин­ версия оседания формируется путем адиабатического сжатия и нагревания слоя воздуха (за счет положительного градиента температуры в слое) в процессе его опускания, в области центра высокого давления. Таким образом, воздуш­ ная масса, которая опускается, наподобие огромной крыши размещается ниже слоя инверсии. Инверсия оседания появляется над источниками выбросов. Если она существует несколько суток, то приводит к накоплению загрязнений.

Радиационная инверсия образуется при потере радиационного тепла зем­ ной поверхностью. В этом случае поверхностные слои атмосферы в течение суток нагреваются за счет теплопроводности, конвекции и излучения земной поверхностью. Это отражается на температурном профиле нижней атмосфе­ ры, который характеризуется отрицательным температурным градиентом. Если затем наступает ясная ночь, то земная поверхность излучает тепло и быстро остывает. Слои воздуха, прилегающие к ней, охлаждаются. Слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, прикрывается стойким инверсионным слоем. Этот тип инверсии наблюдается в утренние часы, периоды ясного неба и несильных ветров. Инверсия разрушается после нагревания земли лучами утреннего солнца, что приводит к подъему потоков теплого воздуха. Радиаци­ онная инверсия играет важную роль в загрязнении атмосферы, так как нахо­ дится внутри того слоя атмосферы, который содержит источники загрязнения (в отличие от инверсии оседания) и препятствует рассеиванию загрязнений

ввертикальном направлении. Выброс распространяется в направлении ветра между двумя поверхностями — землей и основанием слоя приподнятой инвер­ сии. Радиационная инверсия чаще всего наблюдается в безоблачные и безвет­ ренные ночи. Инверсия оседания и радиационная инверсия могут наблюдаться

ватмосфере одновременно. Это к явление называется ограниченным потоком.

480