Загрязнение атмосферного воздуха

Среди геосферных оболочек (или геосфер) — условно концентрических, сплошных или прерывистых оболочек Земли, различающихся по физическим свойствам и/или химическому составу, — наиболее уязвимой к техногенным загрязнениям является атмосфера. Из дымовых труб промышленных предприятий в атмосферу выбрасывается огромное количество различных загрязняющих агентов в газообразном, аэрозольном и твердом состояниях. Только тепловыми электростанциями России выбрасывается приблизительно 5 млн т загрязняющих веществ, среди которых выброс сернистого газа составляет около 42 %, оксидов азота — 24 %, зольной пыли — 31 %.

Особая опасность загрязнения атмосферы связана со следующими обстоятельствами. С одной стороны, атмосфера представляет собой основную геосферную оболочку, через которую загрязнения попадают в окружающую среду. С другой стороны, согласно различным оценкам, всесторонний ущерб от загрязнения воздушного бассейна оценивается в 60 % от общего экологического ущерба загрязнения природной среды. Наконец, в силу наибольшей подвижности атмосферного воздуха его загрязнение характеризуется большими пространственными масштабами. Наряду с перечисленными негативными особенностями, присущими и атмосфере, для нее, однако, характерно свойство быстрого самоочищения, связанного с крупномасштабными движениями воздушных масс и выпадением осадков.

Степень загрязнения атмосферы характеризуется атмосферной дисперсией, которая представляет собой совокупность переноса субстанций в атмосфере направленным воздушным потоком (ветром) и турбулентной диффузией. Для решения различных прикладных задач промышленной экологии, относящихся к загрязнению атмосферного воздуха, используются различные математические модели атмосферной дисперсии. Несмотря на различия в характере выбросов, например химических веществ из дымовых труб промышленных предприятий или радионуклидов из вентиляционных труб АЭС, процесс их атмосферного переноса аналогичен и описывается одними и теми же математическими моделями.

Гауссовская дисперсия от высотного источника

Атмосфера поставляет собой сложную природную систему, и более или менее полное описание ее состояния требует как значительных усилий как расчетного характера, так и наличия необходимых исходных данных. В общем случае состояние полей ветра, давления, температуры и плотности воздуха описывается нестационарной и нелинейной системой уравнений гидротермодинамики, решение которой возможно при определенных упрощениях. Рассмотрение распространения на небольшие расстояния (до нескольких десятков километров) загрязнений от высотного источника высотой до нескольких сотен метров позволяет значительно упростить задачу и свести ее к модели гауссовской дисперсии.

Поместим начало координат в устье трубы, а систему координат ориентируем так, чтобы ось х была направлена горизонтально и совпадала с направлением дымового факела, ось z была направлена вертикально, а ось у — перпендикулярно оси факела в горизонтальной плоскости (рис. 5.1).

Распределение концентрации С от стационарного источника, расположенного на высоте Н, при трехмерной гауссовской дисперсии имеет следующий вид:

С(х, у, z) = exp ,

где Q — мощность источника;

u— скорость ветра;

и соответственно параметры вертикальной и горизонтальной дисперсии.

Рис. 5.1. Система координат, используемая при расчете атмосферной дисперсии

В зависимости от природы выброса концентрация С может иметь размерность г/м3 для химических агентов либо Ки/м3 для радиоактивных изотопов. Соответственно мощность источника Q примет размерность г/с или Ки/с. Принимая указанные размерности для С и Q, можно описывать дисперсию химических загрязнений и радионуклидов с помощью одной модели.

В рассматриваемой модели предполагается идеальное (зеркальное) отражение частиц выбросов от земной поверхности. Это обстоятельство учитывается вторым членом в фигурных скобках выражения (5.1). Параметры дисперсии и в направлениях у и z возрастают с увеличением расстояния х от источника. Характер их роста определяется интенсивностью турбулентности, которая, в свою очередь, зависит от степени устойчивости атмосферы. Необходимо отметить, что в реальных условиях имеет место отклонение распределения поля концентраций от гауссовского распределения. Это отклонение, которое может быть весьма существенным, вызвано различными причинами, например сложным рельефом, порывами ветра, большими расстояниями, чередованием суши и водных объектов.

Концентрацию примесей у земной поверхности, как это сле­дует из (5.1), можно найти из следующего выражения:

Концентрацию выбросов на уровне земли под осью факела (шлейфа) легко определить из выражения (5.2) подстановкой в него у = 0:

Поскольку условия атмосферной дисперсии не зависят от мощности источника выбросов, для их количественной характеристики часто используют коэффициент метеорологического разбавления примесей, определяемый по формуле

и имеющий размерность с/м³. Физический смысл коэффициента метеорологического разбавления — время, необходимое для того, чтобы разбавить 1 м³ примесей.

Приведенные выражения (5.1)—(5.3) для расчета концентраций теряют смысл при штилях, т. е. когда u= 0. В действительности ситуаций, когда наблюдаются идеальные штили, не бывает. Проведенные специальные исследования режима слабых ветров позволили установить, что те штили, которые регистрируют с помощью стандартных метеорологических наблюдений, можно отождествить со скоростями ветра, равными 0,5 м/с.

Поправки на радиоактивный распад изотопов, вымывание частиц осадками и их гравитационное осаждение

При необходимости расчета атмосферной дисперсии радиоактивных выбросов следует учитывать обеднение поля концентраций в результате распада короткоживущих изотопов во время их миграции. Соответствующий коэффициент, учитывающий данный эффект, равен

Таким образом, при наличии в составе выбросов короткоживущих изотопов в выражения (5.1)—(5.3) следует добавить в качестве множителя коэффициент f_p(x).

В результате вымывания твердых частиц и аэрозолей, содержащихся в выбросах дымовых и вентиляционных труб, поле концентраций также уменьшается. Соответствующий понижающий коэффициент, который, как и f_p(x), также следует добавить в выражения (5.1)—(5.3), имеет вид

где ᴧ — коэффициент вымывания, зависящий от различных метеорологических факторов (размеров дождевых капель, спектра размеров частиц выбросов, интенсивности осадков и т. д.).

Тяжелые частицы осаждаются на земную поверхность в результате влияния силы тяжести. Этот процесс также приводит к уменьшению концентраций выбросов и зависит от скорости осаждения V_g, которая определяется как отношение интенсивности осаждения к концентрации у поверхности земли.

С учетом скорости осаждения частиц соответствующую поправку можно получить, введя эффективный обедненный источник:

Учитывая поправки на радиоактивный распад, вымывание частиц выбросов осадками и гравитационное осаждение, источник Q в выражениях (5.1)—(5.3) можно заменить на источник Q':

Распределение концентраций, осредненных в пределах угловых секторов

При численных расчетах углового распределения концентраций используют понятие розы ветров — совокупности вероятностей направлений ветра в угловых секторах (румбах).

Систему румбов направлений выбирают как совокупность 8 либо 16 смежных одинаковых угловых секторов, закрывающих всю горизонтальную плоскость. При этом середины румбов совпадают с основными направлениями горизонта. Пример комбинации 8 румбов представлен на рис. 5.2, где выделены направления середин румбов С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, 3 и СЗ.

Рис. 5.2. Система румбов направлений скоростей. Середины румбов совпадают с основными направлениями горизонта

В метеорологии за направление ветра принимают то направление, откуда дует ветер, причем отсчет углов проводят от севера по часовой стрелке, т. е. по азимуту. При расчете розы ветров направления ветра группируют по румбам с последующим расчетом вероятностей (повторяемостей) румбов направлений. Поскольку при штилях направление ветра теряет смысл, наряду с повторяемостями румбов направлений ветра рассчитывают и вероятность штилей.

Пример графического изображения розы ветров приведен на рис. 5.3, где отмечены повторяемости румбов, выраженные в процентах от общего числа наблюдений ветра. При этом повторяемости направлений ветра в румбах определяется без учета штилей. В свою очередь, повторяемости штилей рассчитываются как процент штилей от общего числа наблюдений ветра. В центре диаграммы отмечена повторяемость штилей. Графическая диаграмма розы ветров представляет собой гистограмму углового распределения направлений ветра в полярных координатах.

Рис. 5.3. Среднегодовая роза ветров. Метеостанция Тула

Наряду с розой ветров в расчетах атмосферной дисперсии используют также сложную розу — совокупность совместных вероятностей скорости и направления ветра. Как простую, так и сложную розу чаще всего применяют в табличной форме. Графическое же изображение розы ветров используют для наглядного представления углового распределения ветра, главным образом на генеральных планах различных индустриальных объектов или жилых застроек.

Практический интерес в промышленной экологии представляет расчет концентраций, осредненных в пределах угловых секторов. В качестве системы секторов применяют такую же комбинацию румбов, что и для расчета розы ветров. Рассмотрим отдельный угловой сектор шириной 0. При использовании разбиения горизонта на 8 секторов θ = π/4.

Ограничимся рассмотрением атмосферной дисперсии без учета радиоактивного распада изотопов, вымывания частиц осадками и их гравитационного осаждения. Подобное ограничение приводит к завышенной оценке поля концентраций, что является важным обстоятельством, поскольку в промышленной экологии лучше переоценить риск загрязнения, чем недооценить его.

Среднее значение концентрации у поверхности земли в секторе шириной θ можно получить из выражения (5.2), интегрируя его по оси у в интервале (-∞, +∞). Интегрирование в таких пределах можно проводить по двум причинам. Во-первых, угол расхождения факела во много раз меньше угла θ. Во-вторых, вследствие гауссовского характера снижение концентрации поперек факела происходит очень быстро. Таким образом, можно считать, что / θ_х « 1, а следовательно, осуществлять интегрирование в указанных пределах, в результате которого получим:

В выражении (5.10) скорость ветра и имеет направление, противоположное угловому сектору, для которого рассчитывают концентрацию.

Из формулы (5.10) следует, что для расчета концентрации, осредненной по угловому сектору, необходимо знать Q, и и σ_z. Параметр вертикальной дисперсии σ_z, являясь функцией расстояния по ветру от источника х, определяют исходя из условий вертикальной устойчивости атмосферы. В разных моделях атмосферной дисперсии используют различные системы классов устойчивости атмосферы. В модели К. Фогта рассматривают следующие классы погодных условий:

А — предельно неустойчивый;

В — умеренно неустойчивый;

С — слабо неустойчивый;

D — нейтральный;

Е — слабо устойчивый;

F—устойчивый.

В свою очередь, классы устойчивости атмосферы А, В, С, F определяются по совокупности вертикального градиента температуры и скорости ветра на высоте флюгера.

Если классы погодных условий известны, параметр вертикальной дисперсии можно определить с помощью следующей эмпирической формулы:

где константы а и b находят по табл. 5.1.

Таблица 5.1. Зависимость констант а и b от классов устойчивости атмосферы при Н = 100 м (по К. Фогту)