21

Методичні рекомендації до проведення практичних занять

з курсу «Нормування антропогенного навантаження»

Модуль 1. Нормування як важливий елемент регулювання якості природного середовища

Тема 1. Загальні положення. Цілі та задачі екологічного нормування. Об'єкт екологічного нормування

Практичне заняття 1 (№ зан. 3) – Основні задачі нормування і оцінки стану атмосферного повітря

Існує кілька підходів до визначення концентрації домішок, що розсіюють, в атмосферному повітрі. Розглянемо найбільш відомі моделі розсіювання домішок забруднюючих речовин, використовувані в розрахункових методиках.

1. У цей час розрахунок розсіювання шкідливих речовин в атмосферному повітрі ведеться відповідно до методики, викладеної в ОНД-86 [1, 2]. В основі розрахунку лежить формула:

,

(1)

де А - коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери й визначальної умови вертикального й горизонтального розсіювання шкідливих речовин в атмосферному повітрі, С^2/3 мг град^1/3/г;

М - кількість шкідливої речовини, що викидає в атмосферу, г/с;

F - безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі;

m, n - безрозмірні коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду;

Н - висота джерела над рівнем землі, м;

Т - різниця між температурою що викидає газоповітряної суміші Т_г і температурою навколишнього атмосферного повітря Т_в, град;

V - обсяг газоповітряної суміші, м³/с.

За даною методикою проводиться розрахунок концентрації як для небезпечної швидкості вітру, так і для будь-який іншої. Крім того, у розглянутій моделі автоматично враховується динамічний і тепловий підйом струменів від димарів підприємств. Методика ОНД-86 містить значний обсяг формул і рекомендацій, необхідних підприємствам при проектуванні різних пристроїв для викидів, а також для розрахунку санітарно-захисної зони. До недоліку цієї методики можна віднести відсутність рекомендацій для розрахунку розсіювання домішки при заданих конкретних метеорологічних умовах від короткочасно діючого джерела, а також для більших відстаней, де починає позначатися верхня границя прикордонного шару.

2. Інший спосіб розрахунку розсіювання домішки розроблений Інститутом експериментальної метеорології (ИЕМ) [3]. В основу методики покладені дві моделі: статечна, у якій покладається K_z = k₁(z/z₁)p, U_z = u1(z/z₁), і модель із лінійно зростаючим K_z. Статечна модель дозволяє, варіюючи показники p й , з'ясувати загальну залежність результату від характеру вертикальних змін U_z й K_z. Вираження для розподілу концентрації в цьому випадку має вигляд:

(2)

де

- швидкість вітру, осереднена в шарі від поверхні, що підстилає, до висоти Н;

Г(l + p) - гама функція;

U_z - вертикальна зміна швидкості вітру, м/с;

К_z - коефіцієнт вертикальної дифузії , м²/с;

p,s - безрозмірні коефіцієнти.

У випадку K = u*z и w_g  0

,

(3)

де B = u*/U_h - кореляційна функція;  = w_g/(u*); = 0,4 – постійна Кармана.

Методика ИЕМ призначена для розрахунку розсіювання домішки від точкового або лінійного джерела на основі формул (2) і (3) при широкому діапазоні метеорологічних умов і містить рекомендації для їхнього визначення за даними метеорологічних вимірів. При цьому пропонується використати класи стійкості. По класах стійкості визначаються вхідні дифузійні параметри. Приводяться також рекомендації для обліку штилю й слабкого вітру, піднятих інверсій, перехідного часу доби. До недоліку цієї методики можна віднести відсутність обліку верхньої границі прикордонного шару.

3. Моделі, що лежать в основі методик МАГАТЕ [4, 5], засновані на гауссовій моделі розсіювання домішки. Вони містять рекомендації для визначення дисперсій по вхідних метеорологічних параметрах. Ці рекомендації, розроблені за результатами експериментальних досліджень Паскуіллом і Гиффордом, широко застосовуються для різних розрахунків у закордонних дослідженнях.

Гауссова модель факела від точкового джерела, розташованого в точці з координатами (0,0,Н), має вигляд:

(4)

На рівні землі:

(5)

При цьому передбачається, що розсіювання струменя в горизонтальній і вертикальній площинах описується гауссовим розподілом зі стандартними відхиленнями розподілів концентрацій _y і _z по осі y й z відповідно. Основне положення цієї моделі полягає в тім, що турбулентність усюди однакова; _y і _z - функції розсіювання від джерела; швидкість вітру постійна у всьому шарі поширення струменя й напрямок вітру не міняється при русі потоку.

Приводиться програма метеорологічних досліджень на площадці споруджуваної АЕС [4]. Керівництво [5] призначене для виконання розрахунків розсіювання викидів після аварій на АЕС. Моделі (4) і (5) мають прямолінійну траєкторію хмари й призначені для експрес оцінок аварій на відносно невеликих відстанях.

4. Для випадку хвилеподібного струменя використається модель Холланда. Хвилеподібний струмінь викликає короткочасне збільшення приземної концентрації, тому що чисте повітря відразу згинає струмінь нагору. У цьому випадку джерело вважається наземним (Н=0), а відстань до нього рівним х = (x² + H²)^1/2 (х - відстань уздовж напрямку вітру). Розрахункова модель має вигляд:

.

(6)

Дослідження розсіювання вихлопних газів автотранспорту в натурних умовах сполучено з багатьма труднощами, зокрема, складністю оцінки захисної ролі елементів планування й забудови через випадковість транспортного потоку, короткочасністю спостережень і метеорологічних умов, що змінюються, неможливістю вивчення магістралей з очікуваною щільністю руху, великою трудомісткістю одночасних спостережень на багатьох крапках об'єкта й т.п.. У зв'язку із цим для дослідження поширення викидів автотранспорту нами використаний метод моделювання, що, усуваючи перераховані труднощі, створює умови для більше точної кількісної оцінки досліджуваного явища.

5. Як об'єкт дослідження обраний транспортна естакада Одеського морського порту. Для оцінки концентрації нами апробована боксова модель:

C_n+1 = C_n - C_д, (7)

де ;       t —час, с;       z — висота джерела, м;       D — коефіцієнт дифузії, м²/с.

Дана модель не враховує дифузійний перенос речовини в напрямку, зворотному градієнту концентрації, і крім того, оскільки швидкість вітру значно перевищує швидкість дифузії, то дифузією уздовж напрямку вітру можна зневажити.

У розглянутій моделі з осередок рівної 1 м³. Тоді концентрація речовини чисельно дорівнює його масі.

Порівняння розподілу концентрації залежно від відстані від джерела для розглянутих моделей дає картину, представлену на рис. Як видно при з розсіювання по моделі ГГО концентрація в джерелі наближається до нульового значення, а потім у міру віддалення від джерела збільшується, досягаючи свого максимуму. Аналогічне розсіювання оксиду вуглецю описується по моделях 3, 4 й 5. У той же час спроба описати розсіювання по моделі Холланда показує, що на початку відбувається інтенсивне розсіювання газу, а потім треба зниження концентрації за лінійним законом.

Експериментальні дані свідчать про те, що максимальна концентрація досягається на дорозі, а потім у міру видалення від її концентрація поступово знижується, наближаючись до фонового значення [6]. Таким чином, з розглянутих моделей модель Холланда щонайкраще описує розсіювання домішки від лінійного джерела. У той же час боксова модель, у випадку обліку в ній перемішування на дорозі, може бути перспективної для розрахунку розсіювання від низьких, лінійних джерел.