1. Расчёт рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе

Основным документом, регламентирующим расчёт рассеива­ния выбросов загрязняющих веществ в атмосфере и определение приземных концентраций вредных веществ, является Общесоюзный нормативный документ (ОНД-86), предназначенный для расчёта приземных концентраций в двухметровом слое над поверхностью земли, а также вертикального распределения концентраций. Эти нормы не распространяются на расчёт концентраций на дальних (бо­лее 100 км) расстояниях от источника выброса.

В зависимости от высоты Н источника выброса вредного ве­щества над уровнем земной поверхности указанный источник отно­сится к одному из следующих классов: а) высокие источники - при Н > 50 м; б) источники средней высоты - при Н = 10...50 м; в) низкие источники - Н = 2…10 м; г) наземные источники - Н < 2 м.

Для источников всех указанных классов в расчётных форму­лах длина (высота) выражена в метрах (м), время - в секундах (с), масса вредных веществ - в граммах (г), их концентрация в атмосфер­ном воздухе - в миллиграммах на кубический метр (мг/м³), концен­трация на выходе из источника - в граммах на кубический метр (г/м³).

Возможное опасное загрязнение приземного слоя атмосферы определяется по наибольшей рассчитанной величине приземной кон­центрации вредных веществ С_м (мг/м³), которая может установиться при неблагоприятных метеорологических условиях. Неблагоприятные метеорологические условия, учитываемые в этом расчёте - опасная скорость ветра и интенсивный вертикальный турбулентный обмен, при которых концентрации достигают максимальной величины.

В основе методики ОНД-86 лежит положение, что вели­чина наибольшей концентрации каждого вредного вещества С_м (мг/м³) в приземном слое атмосферы не должна превышать мак­симальной разовой ПДК данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е. С_м ≤ ПДК.

При одновременном совместном присутствии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих свойством суммации действия, их безразмерная суммарная концентрация q не должна пре­вышать единицы по формуле

q = С₁/ПДК₁ + С₂/ПДК₂ + ... + С_n/ПДК_n ≤1, (1.1)

где С₁, С₂,..., С_n - концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в одной и той же точке местности, мг/м³; ПДК₁, ПДК₂,..., ПДК_n - максимальные разовые предельно до­пустимые концентрации соответствующих вредных веществ в атмосферном воздухе, мг/м³.

1.1. Расчёт рассеивания выбросов из одиночного источника

Величина максимальной приземной концентрации вредных веществ С_м (мг/м³) при выбросе нагретой газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем при неблагопри­ятных метеорологических условиях на расстоянии х_м (м) от источни­ка определяется по формуле:

, (1.2)

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, определяющей условия вертикального и горизон­тального рассеивания вредных веществ в воздухе в данной мест­ности.

Значения коэффициента А, соответствующие неблагоприят­ным метеорологическим условиям, при которых концентрация вред­ных веществ в атмосферном воздухе максимальна, принимаются равными:

250 - для районов Средней Азии южнее 40 град северной широты, Бурятии и Читинской области;

200 - для европейской территории бывшего СССР; для рай­онов РФ южнее 50 град северной широты, для осталь­ных районов Нижнего Поволжья; для азиатской терри­тории бывшего СССР, Дальнего Востока и остальной территории Сибири и Средней Азии; Казахстана, Кав­каза, Молдавии;

180 - для европейской территории РФ и Урала от 50 до 52 град северной широты за исключением попадаю­щих в эту зону перечисленных выше районов;

160 - для европейской территории СССР, Среднего Повол­жья, Урала севернее 52 град северной широты, а так­же для Украины;

140 - для Московской, Тульской, Рязанской, Владимирской, Калужской и Ивановской областей;

120 - для Центральной части европейской территории СССР.

М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/с;

Н - высота источника выброса (трубы) над уровнем земли, м;

V₁ - объемный расход газовоздушной смеси, м³/с, определяе­мый по формуле:

, (1.3)

где D - диаметр устья источника выброса, м;

w₀ - средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья ис­точника, м/с.

ΔТ - разность между температурой выбрасываемой газовоздуш­ной смеси Т_Г и температурой окружающего атмосферного возду­ха Т_В, °С;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседа­ния вредных веществ в атмосфере. Значение коэффициента F принимается:

1) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэро­золей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания ко­торых практически равна нулю) - 1;

2) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п.1) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90% - 2; от 75 до 90% - 2,5; менее 75% и при отсутствии очистки - 3;

η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности. Районы расположения металлургических предпри­ятий являются, как правило, ровной или слабопересеченной ме­стностью с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км. По­этому для расчётов принимается η=1. Расчёты загрязнения атмо­сферы выбросами вредных веществ с учётом влияния перепада высот рассмотрены в отдельных разделах ОНД-86.

m и n - безразмерные коэффициенты, учитывающие условия вы­хода газовоздушной смеси из устья источника выброса. Значения коэффициентов m и n определяются в зависимости от параметров ƒ, ƒ_e, υ_м, υ^΄_м:

; (1.4)

; (1.5)

; (1.6)

. (1.7)

При значениях параметра ƒ < 100, когда из источника выбра­сываются нагретые газы, значение коэффициента т находят по фор­муле:

, (1.8)

Примечание. При значениях параметра ƒ > 100 или ΔΤ≈0 значение коэф­фициентов m и n находят по формулам, приведенным в специальной литературе [8].

Величина коэффициента п в зависимости от численного зна­чения параметра υ_м (м/с) определяется по формулам:

при υ_м < 0,5: п = 4,4 υ_м; (1.9,а)

при 0,5 ≤ υ_м <2: п = 0,532 υ_м² -2,13υ_м+3,13; (1.9,б)

при υ_м ≥2: п = 1. (1.9,в)

В процессе проведения расчётов рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе точка с максимальной приземной концентрацией вредных веществ С_м (мг/м³) будет находиться на оси факела (по направлению среднего за рассматриваемый период ветра) на расстоянии х_м (м) от источника выброса, которое определяют по формуле:

, (1.10)

где d - безразмерная величина, определяемая по формулам:

при ; (1.11, а)

при 0,5 < ≤ 2; (1.11, б)

при > 2. (1.11, в)

Значение опасной скорости ветра u_м (м/с) на уровне устья трубы, при которой приземные концентрации вредных веществ С_м достигают максимальных значений, зависит от величины υ_м и при­нимается равной:

u_м = 0,5 при ≤ 0,5; (1.12, а)

u_м = при 0,5 < ≤ 2; (1.12, б)

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_мu (мг/м ) при неблагоприятных метеорологических усло­виях и скорости ветра и (м/с), отличающейся от опасной скорости вет­ра u_м (м/с), определяется по формуле:

С_мu = rС_м, (1.13)

где r - безразмерная величина, определяемая в зависимости от отно­шения u/u_м по формулам:

при u/u_м ≤ 1; (1.14, а)

при u/u_м > 1. (1.14, б)

Примечание: При проведении расчётов не используются значения ско­рости ветра и < 0,5 м/с, а также и > и*, где и* - значение скорости ветра, превышае­мое для данной местности в среднем многолетнем режиме в 5 % случаев. Это значе­ние запрашивается в региональных службах Росгидромета.

Расстояние от источника выброса х_мu (м), на котором при скорости ветра и и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_мu (мг/м³), определяется по формуле:

х_мu=pх_м, (1.15)

где p – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

p=3 при u/u_м ≤ 0,25; (1.16, а)

при 0,25 < u/u_м ≤ 1; (1.16, б)

при u/u_м > 1. (1.16, в)

При опасной скорости ветра и_м приземная концентрация вредных веществ С (мг/м³) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х (м) от источника выброса определяется по формуле:

C = S₁C_м, (1.17)

где S₁ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения x/x_M и коэффициента F по формулам:

при ≤1; (1.18, а)

при < ≤ 8 (1.18, б)

при F ≤ 1,5 и

x/x_м > 8; (1.18, в)

при F > 1,5 и

x/x_м > 8. (1.18, г)

Для низких и наземных источников (высотой Н не более 10 м) при значениях х/х_мu < 1 величина S₁ в (1.17) заменяется на вели­чину , определяемую в зависимости от х/х_мu и Н по формуле:

= 0,125(10 - Н )+0,125(Н - 2)S₁ при 2 ≤ Н < 10. (1.19)

Примечание: Аналогично определяется значение концентрации вред­ных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоро­стей ветра и и неблагоприятных метеорологических условиях. По формулам (1.13), (1.15) определяются значения величин С_мu и х_мu. В зависимости от отношения х/х_мu определяется значение S₁ по формулам (1.18), (1.19). Искомое значение концентра­ции вредного вещества определяется умножением С_мu на S₁.

Значение приземной концентрации вредных веществ в атмо­сфере С_у (мг/м³) на расстоянии у (м) по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле:

С_у=S₂C, (1.20)

где S₂ - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра и (м/с) и отношения у/х по значению аргумента t_y:

t_y = при u ≤ 5; (1.21, а)

t_y = при u > 5; (1.21, б)

по формуле S₂= (1.22)

Максимальная концентрация С_мх (мг/м³), достигаемая на расстоянии х от источника выброса на оси факела при скорости ветра u_мх определяется по формуле:

С_мх= , (1.23)

где - безразмерный коэффициент, который находится в зависимо­сти от отношения х/х_м по формулам:

при (х/х_м) ≤ 1; (1.24, а)

при 1 < (х/х_м) ≤ 8; (1.24, б)

при 8 < (х/х_м) ≤ 24; (1.24, в)

при 24 < (х/х_м) ≤ 80, F ≤ 1,5; (1.24, г)

при 24 < (х/х_м) ≤ 80, F > 1,5; (1.24, д)

при (х/х_м) > 80, F ≤ 1,5

(1.24, е)

Скорость ветра u_мх при этом рассчитывается по формуле:

u_мх=f_lu_м, (1.25)

где f_l - безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения х/х_м по формулам:

f_l=1 при х/х_м ≤ 1; (1.26, а)

f_l= при 1 < х/х_м ≤ 8; (1.26, б)

f_l=0,25 при 8 < х/х_м < 80; 1.26, в)

f_l=1,0 при х/х_м ≥ 80; (1.26, г)

Примечание: Если рассчитанная скорость ветра u_мх < 0,5 м/с или u_мх > u^*, то величина С_мх определяется как максимальное значение из концентраций на расстоянии х, рассчитанных при трех скоростях ветра: 0,5 м/с, u_м, u^*; соответст­вующая С_мх скорость ветра принимается за u_мх.