Изменение концентрации примесей в атмосфере

Распространение в атмосфере выбрасываемых из высоких источников (труб) загрязняющих веществ подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывает состояние атмосферы, расположение предприятий, характер местности, физические свойства выбросов, высота трубы, диаметр ее устья и др. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

На рис. 4.2 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выбросов. По мере удаления от тру6ы в направлении, совпадающим с направлением ветра, концентрация вредных примесей в приземном слое атмосферы сначала нарастает, достигает максимума на расстоянии 10…40 высот трубы и затем медленно убывает, что позволяет говорить о наличии трех зон неодинакового загрязнения атмосферы: зоны переброса факела выбросов, характеризующаяся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы, зоны задымления с максимальным содержанием вредных веществ и зоны постепенного снижения уровня загрязнения.

Рис. 4.2. Изменение приземной концентрации примеси в атмосфере

от организованного высокого источника выброса.

Для решения практических задач, пpежде всего расчета величин ПДB, наибольший интерес представляют случаи достижения при данных параметрах наиболее высоких уровней концентрации примеси в приземном слое воздуха, а также расчет соответствующих минимальных коэффициентов метеорологического разбавления. В основу расчета берутся эти уравнения в упрощенном виде.

Решение уравнения (4.4) при сформулированных выше граничных условиях, с использованием зависимостей (4.12)-(4.14), приводит к следующему уравнению для максимальной приземной концентрации при неблагоприятных метеорологических условиях:

C_M = A ∙M ∙F ∙η ∙m ∙n/[H²(V ∙ΔT)^1/3] (4.16)

где А - параметр, характеризующий переносные свойства атмосферы (на территории СНГ значения А для различных районов изменяются в диапазоне 140…250 (С^2/3 мг/К^1/3 г); М - интенсивность источника примеси, г/с; V=πD₀²w₀/4 - объемный расход газовоздушной смеси, м³/с; F – безразмерный множитель, учитывающий оседание загрязнителя в атмосфере (для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость оседания которых практически равна нулю, F = 1; для иных аэрозолей F = 2 при степени очистки выбросов ε не менее 90%; F = 2,5 при ε = 75…90% и F = 3 при ε = 0…75%); η - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа (в случае ровной местности или местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, η = 1); m и n - коэффициенты, значения которых зависят от параметров

V_M = 0,65(V ∙ΔT/H)^1/2, м/с (4.17);

f = 1000(w₀² ∙D₀/H² ∙ΔT), м /(с² ∙К) (4.18),

характеризующих условия истечения газовоздушной смеси и находятся по графикам на рис.4.3а.

Рис. 4.3а. Зависимость коэффициента m от условия истечения f.

Для маломощных слабо нагретых (холодных) выбросов, к которым относятся большинство вентиляционных выбросов, расчет максимальной приземной концентрации при "опасной" скорости ветра ведется по формуле

C_M = A M F n η D₀/(8 H^4/3 ∙V) (4.19)

где А - параметр, имеющий размерность мг.м1/3/г и равный по величине параметру А в формуле (4.16). Значение безразмерного множителя n также определяется по рис. 4.3б, но параметр Vм вычисляется по формуле

V_M = 1,3 (w₀ ∙D₀/H), м/с (4.20)

Рис. 4.3б. Зависимость множителя n от параметра VM

Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация на поверхности земли, находится из соотношения

X_M = (5 - F) ∙d ∙H/4 (4.21)

где d - безразмерный множитель, значение которого определяется по рис. 4.4а и 4.4б (нагретые выбросы) и рис. 4.5 (холодные выбросы).

Рис. 4.4,а. Зависимость множителя d от параметра VM

для нагретых выбросов.

Рис. 4.4,б. Зависимость множителя d от параметра VM

для нагретых выбросов.

Рис. 4.5. Зависимость множителя d от параметра VM

для холодных выбросов.

Значения приземных концентраций в произвольных точках на оси Ох подсчитываются по формуле

C = s₁ ∙C_M (4.22)

где s₁ - безразмерный множитель, определяемый по рис. 4.6.

Рис. 4.6. Зависимость множителя s1 от соотношения x/XM.

Приземные концентрации в точках с координатами х, у находятся по

формуле

C_y = s₂ ∙C (4.23)

где s₂ - коэффициент, величина, которого находится по рис. 4.7, где t = u(y/x)²

при u ≤ 5 м/с; t = 5(y/x)² при u > 5м/с.

Рис. 4.7. Зависимость коэффициента s₂ от параметра t.

Формулы (4.16), (4.19) дают возможность рассчитать необходимую высоту выброса Н, если известны интенсивность источника примеси и условия истечения газовоздушной смеси. Полагая СM = ПДК, получаем:

для ΔT > 0 - нагретые выбросы

H = [A∙M ∙F ∙m ∙n ∙η/(ПДК ∙V^1/3 ∙ΔT^1/3)]^1/3 (4.24)

для ΔT ≈ 0 – холодные выбросы

H = [A ∙M ∙F.D₀/(8 V ∙ПДК)]^3/4 (4.25)

Поскольку значения коэффициентов m и n зависят от Н, задача решается путем последовательных приближений, то есть подбором ищутся значения Н, при которых уравнения (4.24), (4.25) будут удовлетворяться.

Предельно допустимые выбросы (ПДВ) в атмосферу также могут быть рассчитаны с помощью уравнений (4.16), (4.19). Полагая в них СM = ПДК, М=ПДВ, находим:

- нагретые выбросы

ПДВ = ПДК ∙H²(V ∙ΔT)^1/2/(A ∙F ∙m ∙n ∙η) (4.26)

- холодные выбросы

ПДВ = [ПДК ∙H^4/3/(A ∙F ∙n ∙η)](8 V/D₀) (4.27)

В формулах (4.24)-(4.27) фигурирует максимально разовое значение ПДК.

Формула (4.21) позволяет определить границы санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия. Размеры СЗЗ вычисляются с учетом среднегодовой повторяемости направления ветров рассматриваемого румба Р (%):

l = x_M(P/P₀) (4.28)

где Р0 - повторяемость направлений ветров одного румба при круговой розе ветров, %. Например, при восьмирумбовой розе ветров Р0 = 100/8 = 12,5%.

Изложенная методика расчета справедлива для неблагоприятных метеорологических условий, когда турбулентный перенос в вертикальном направлении максимален. Такая ситуация соответствует большим отрицательным (сверхадиабатическим) градиентам температур, способствующим развитию естественной конвекции.

Максимальное значение приземной концентрации в этом случае выше, чем при равновесном состоянии атмосферы или при формировании инверсионного слоя.

Наличие местных аномалий давления и температуры, связанных с влиянием различных факторов (обтекание препятствий ветровым потоком, горизонтальные градиенты температуры, процессы испарения и др.) может существенно влиять на форму факела и распределение концентраций.

Совершенно иначе происходит распространение примеси от низких источников, которые находятся в вихревых (отрывных) зонах, образующихся

при обтекании зданий и сооружений ветром. Примесь вовлекается в циркуляционное движение, концентрация ее увеличивается до того момента, когда турбулентный перенос через границу вихревой зоны уравновесит интенсивность источника примеси. Далее распределение концентраций в вихревой зоне стационарно.

Раздел 5. Защита гидросферы