Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема загрязнения атмосферы наукоёмкой природно-технической геосистемы 12
1.1. Структуризация проблемы мониторинга примесей на основе системного анализа 12
1.2. Атмосферный воздух как источник технологической среды 17
1.3. Атмосферный воздух как составляющая среды обитания 18
1.4. Основные источники антропогенного загрязнения атмосферы геосистемы 21
1.5. Анализ физико-химических моделей формирования примесей 24
1.6. Анализ моделей рассеивания примесей в атмосфере 26
Выводы и постановка задачи 31
CLASS ГЛАВА 2. Физико-химическое моделирование трансформации примесей атмосферного воздуха CLASS
2.1. Инженерно-экологическая оценка атмосферы геосистемы 33
2.2. Определение условий трансформации примесей в атмосфере 44
2.3. Программный продукт HSC 7.0 Chemistry для расчётов термодинамических параметров атмосферных химических реакций 47
2.4. Экспериментально – аналитическое определение концентрации вторичных примесей 51
Выводы 56
ГЛАВА 3. Математическое моделирование рассеивания примесей на основе уравнения турбулентной диффузии 57
3.1. Теоретические основы математической модели рассеивания примесей в атмосфере 57
3.2. Решение уравнения турбуле6тной диффузии для расчёта приземных концентраций выбросов 59
3.3. Методы расчета коэффициентов турбулентной диффузии 72
3.4. Компьютерная реализация математической модели рассеивания примесей
3.4.1. Особенности графического представления рассеивания примесей 77
3.4.2. Рассеивание примесей в геосистеме при неблагоприятных метеоусловиях
3.4.3. Рассеивание примесей при наличии осадков 87
3.4.4. Анализ времени существования загрязнителей в атмосфере 90
3.5. Методические рекомендации по расчету полей рассеивания 95
Выводы 97
ГЛАВА 4. Качество атмосферного воздуха и экологический риск от его загрязнения 99
4.1. Экологический риск как обобщенный показатель воздействия техноценоза на геосистему 100
4.2. Индикаторно-рискологический подход к оценке качества атмосферного воздуха 104
4.3. Показатели качества атмосферного воздуха геосистемы 107
4.4. Расчёт риска здоровью населения по методике EPA 109
4.5. Расчёт риска здоровью населения на основе гигиеничесого регламентирования примесей 113
4.6. Определение экологического ущерба от загрязнения атмосферы 116
Выводы 118
Заключение 120
Список литературы
- Атмосферный воздух как составляющая среды обитания
- Определение условий трансформации примесей в атмосфере
- Решение уравнения турбуле6тной диффузии для расчёта приземных концентраций выбросов
- Показатели качества атмосферного воздуха геосистемы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Растущая техногенная нагрузка на
наукоемкую природно-техническую геосистему (НПТГ) г. Зеленограда
и связанная с этим интенсификация загрязнения приземного слоя
атмосферы обостряют проблему обеспечения производств электронной
техники чистым воздухом как технологической средой. В условиях,
когда системы жизнеобеспечения таких производств составляют часть
городской инфраструктуры, существенна также важность объективной
и своевременной информации о состоянии атмосферы как фактора
влияния на здоровье населения. В свете сказанного, задача
исследования выбросов вредных веществ от стационарных и
передвижных источников дополняется необходимостью физико-
химического и математического моделирования, а также
компьютерного представления процессов их трансформации и
рассеивания в атмосфере как источника вторичных малоизученных и
слабо контролируемых загрязнений. Основными загрязнителями
атмосферного воздуха являются первичные соединения азота и серы,
угарный и углекислый газы, контроль которых достаточно хорошо
известен. Значительную сложность при исследовании загрязнения
атмосферы представляет задача контроля так называемых вторичных
соединений, образующихся из первичных при определённых условиях.
Возможности существующей системы экологического
мониторинга, таким образом, должны быть существенно расширены как
с точки зрения приборного оснащения, так и с позиций размещения
постов контроля. Установление закономерностей формирования
пространственного и временного распределения в приземном слое
атмосферы первичных и вторичных примесей повышает
информативность системы мониторинга атмосферного воздуха и
рационализирует размещение стационарных и передвижных постов
наблюдений. Успешное решение этих задач имеет не только
технологические, но и в значительной степени, социально-
экологические перспективы, которые, безусловно, являются
актуальными для наукоемкой природно-технической геосистемы.
Объектом исследования является приземный слой атмосферы г. Зеленограда как наукоемкой природно-технической геосистемы.
Предметом исследования является процесс превращения и распространения химических веществ в атмосфере, что является основой обеспечения системы мониторинга атмосферы г. Зеленограда.
Цель работы и задачи
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование образования и распространения примесей в атмосфере посредством математического и физико-химического моделирования, как условие для оценки эколого-экономического риска.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
-
Системный анализ проблемы мониторинга примесей в атмосфере и обоснование необходимости исследований.
-
Теоретический анализ применимости существующих физико-химических и математических моделей процессов трансформации и распространения примесей в атмосфере для целей исследования.
-
Разработка физико-химической и математической модели на основе законов термодинамики и уравнений турбулентной диффузии для процессов трансформации и распространения примесей в атмосфере.
-
Экспериментальная оценка концентраций примесей и компьютерное представление полей их рассеивания от наиболее значимых источников с целью проверки моделей на адекватность.
-
Исследование экологических рисков от загрязнения атмосферы для здоровья населения и городской экосистемы.
-
Разработка методических рекомендаций по аналитическому определению полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере, а также по инструментальному оснащению постов наблюдения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработана физико-химическая модель трансформации примесей в атмосфере и определены условия реализации химических реакций с образованием вторичных соединений в атмосфере с помощью энергии Гиббса.
-
На основе уравнения турбулентной диффузии разработана математическая модель рассеивания примесей при различных метеоусловиях, учитывающая переход от нестационарной
функции к стационарной, что позволяет определять концентрации примеси в любой точке пространства.
-
Проведён комплексный анализ методов расчета коэффициента турбулентной диффузии и разработана методика определения вторичных примесей в атмосфере.
-
Выполнен анализ риска от присутствия примесей в атмосфере для здоровья человека на основе индикаторно-рискологического подхода EPA и российского гигиенического регламентирования примесей и определен экологический ущерб атмосфере.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработан алгоритм термодинамического анализа и возможности трансформации первичных примесей в атмосфере во вторичные.
-
Разработан оригинальный аналитический метод расчёта полей концентраций и времени существования вторичных загрязнителей в атмосфере.
-
Разработаны методические рекомендации по расчёту полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере и сформулированы предложения по модернизации постов контроля атмосферы города.
-
Выполнена экспериментальная оценка концентраций примесей и компьютерное представление полей их рассеивания от наиболее значимых источников с целью проверки моделей на адекватность.
-
Выявлены потенциально экологически неблагополучные территории города, определены ущербы для атмосферы и риски для здоровья населения.
Внедрение результатов работы
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке УМК ряда дисциплин магистерской программы «Энергетическая эффективность производств электронной техники» направления «Электроника и наноэлектроника» Национального исследовательского университета «МИЭТ».
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке УМК по дисциплинам «Промышленная экология» и «Физиология человека» кафедры «Безопасность полётов и
жизнедеятельности» в Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА).
Методология и методы исследования.
В работе использован экспериментально-аналитический подход
к решению рассматриваемой проблемы в соответствии с
существующими положениями экоаналитической науки и практики.
Основу исследований составляют системный анализ, физико-
химическое и математическое моделирование процессов
трансформации и распространения загрязнителей в атмосфере с
применением энергии Гиббса и уравнения турбулентной диффузии, а
также графическое компьютерное представление полей рассеивания
примесей. Анализ экологического риска проводился на основе
индикаторно-рискологического подхода EPA и российского
гигиенического регламентирования примесей, а ущерб атмосфере определялся по укрупненной денежной оценке риска.
Личный вклад автора.
Все основные результаты диссертации получены лично автором. Главными из них являются:
-
Сравнительный теоретический анализ моделей трансформации и распространения химических загрязнителей в атмосфере.
-
Разработка и анализ физико-химической модели расчёта вторичных загрязнителей в атмосфере с использованием энергии Гиббса и экспериментальных данных.
-
Разработка и анализ решений математической модели на основе уравнения турбулентной диффузии при различных погодных условиях с использованием розы ветров.
-
Теоретические исследования времени существования в атмосфере г. Зеленограда первичных и вторичных загрязнителей под влиянием метеорологических параметров.
-
Получение и обработка экспериментальных данных и проверка математической модели на адекватность в условиях реального загрязнения атмосферного воздуха первичными и вторичными загрязнителями.
-
Компьютерное представление полей рассеивания первичных и вторичных загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях.
-
Анализ риска загрязнения атмосферы и его последствий для здоровья населения и экосистемы города.
-
Разработка методических рекомендаций по расчёту полей концентраций и времени существования загрязнителей в атмосфере, а также рекомендаций по инструментальному оснащению постов наблюдения.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность теоретических результатов, полученных
посредством моделирования, обусловлена проверками их на
адекватность на основе экспериментальных данных и сравнением со
сведениями отечественных и зарубежных исследователей. Фактические
значения концентраций первичных загрязнителей получены в
Зеленоградском отделе экологического контроля Департамента
природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы, а также с
помощью сертифицированного измерительного оборудования при
натурных исследованиях. Расхождения между расчетными и
экспериментальными данными исследований концентраций примесей и продолжительности их существования в атмосфере соответствуют погрешности инженерных расчётов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты инженерно-экологического анализа
приземного слоя атмосферы наукоемкой природно-технической
системы.
-
Физико-химическая модель трансформации первичных примесей атмосферы во вторичные на основе констант равновесия и энергии Гиббса.
-
Математическая модель рассеивания примесей в атмосфере на основе уравнения турбулентной диффузии.
-
Компьютерное представление полей рассеивания загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях с использованием специализированного программного продукта УПРЗА «ЭКО Центр» и расчётно-графического пакета Mathcad с целью уточнения времени нахождения концентрации в воздухе.
-
Компьютерное представление полей рассеивания первичных и вторичных загрязнителей на территории геосистемы при различных метеоусловиях.
6. Результаты анализа экологического риска воздействия
химических соединений на здоровье населения г. Зеленограда и городскую экосистему.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:
-
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2011», Москва, апрель, 2011 г.
-
19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2012», Москва, апрель, 2012 г.
-
XVIII международная научно-практическая конференция «Технические науки – от теории к практике», Новосибирск, февраль, 2013.
-
Международная молодёжная научная конференция «XXXIX Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2013.
-
20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2013», Москва, апрель, 2013 г.
-
XX международная научно-практическая конференция «Технические науки – от теории к практике», Новосибирск, апрель, 2013.
-
XXIX международная научно-практическая конференция «Технические науки – от теории к практике», Новосибирск, декабрь, 2013.
-
Международная молодёжная научная конференция «XL Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2014.
-
21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2014», Москва, апрель, 2014.
-
XXXVI международная научно-практическая конференция «Технические науки – от теории к практике», Новосибирск, апрель, 2014.
-
Международная молодёжная научная конференция «XLI Гагаринские чтения», Москва, апрель, 2015.
-
22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2015», Москва, апрель, 2015.
Публикации:
Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в 21 работе, в том числе 5 работ в рецензируемых журналах из перечня, рекомендуемым ВАК РФ.
По материалам диссертации сделано 12 докладов на научных конференциях. Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве, и включенные в диссертацию, получены автором лично и включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, выводов и списка литературы. Объем основной части диссертации составляет 133 страниц, включая 29 рисунков и 32 таблицы. Общий объём работы составляет 136 страниц.
Атмосферный воздух как составляющая среды обитания
Рассмотрим приведенную на рис. 1.3 структурную схему с позиций функционально-экологического анализа системы кондиционирования воздуха чистых помещений, когда главным критерием адекватности производственной системы служит ее экологичность, можно установить взаимосвязи технической системы с качеством окружающей среды. Примем во внимание, что в процессе производства электронной техники доминирующими при воздействии на атмосферу являются химические факторы, формирующие комплекс Пвых [5, 7, 8].
По данным отдела экологического контроля г. Зеленограда годовые валовые выбросы некоторых вредных веществ основных предприятий микроэлектроники могут достигать существенных значений (например, фтористого водорода – 0,5 т, хлористого водорода – 1,7 т, ацетона – 5,8 т, уксусной кислоты – 5,6 т, свинца и его соединений – 0,05 т, формальдегида – 0,2 т и т. п.). В целом же этот перечень весьма широк, содержит чрезвычайно опасные и высокоопасные вещества, зачастую с эффектом суммации и потенцирования, что усугубляет их потенциальную опасность для населения и окружающей среды [6].
Классификация и общие требования безопасности» сведены в табл.1.5. Таблица 1.5. Основные компоненты выбросов производств микроэлектроники Компонент Класс опасности Мышьяк металлический (As), арсин (AsH3), фосфин (PH3), диборан (B2H6), плавиковая кислота (HF), резисторы (полимерные композиции) 1
Трехбромистый бор (BBr3), тетрахлорид кремния (SiCl4), спирты (бутиловый, этиловый и др.), растворы NaOH, KOH, тринатрийфосфат, три хлорэтилен, толуол, хлорбензол, перекись водорода (H2O2), хлор (Cl2), серная кислота (H2SO4), трехфтористый бор (BF3), диметилформамид, оксид фосфора (P2O5), озон (О3), ортофосфорная кислота (H3PO4), соли плавиковой кислоты (NaF, KF, NH4F), хлористый водород (HCl), ацетон, аргон (Ar), азот (N2),
Из трех подсистем, реализующих соответственно первичную обработку наружного воздуха, его доводку до требуемого класса чистоты ЧП и удаление в атмосферу, наибольшее значение с точки зрения воздействия на окружающую среду имеет последняя. Класс экологического ущерба от реализации отдельных функций определяется на основе характеристик входящих и выходящих потоков СКВ по методике, разработанной по аналогии с нормативным документом [9]. Здесь каждому потоку в зависимости от номенклатуры и концентрации в нем вредных химических веществ, присваивается один из 6 классов (табл. 1.6). Классы экологического ущерба устанавливаются на основании химического состава, определенного посредством анализа техпроцессов, инструментальных измерений и оценок специалистов. Таблица 1.6. Классы экологического ущерба от функций системы [9]
Исследование показало, что наибольший экологический ущерб наносит функция по удалению отработанного воздуха, связанная с комплексом П вых . В большинстве реально действующих СКВ непосредственно в окружающую среду удаляется не более 5-10% общего воздухообмена, хотя существуют и системы со 100 - процентным удалением отработанного воздуха. Ключевым негативным фактором такого потока является то обстоятельство, что, несмотря на предпринимаемые меры по обезвреживанию выбросов и соблюдение ПДК на границах санитарно-защитных зон предприятий, возможность суммации действий загрязнителей создает потенциальную опасность в селитебных зонах.
Основная особенность предлагаемого исследования заключается в том, что она ориентирована на решение специфических проблем повышения энергоэффективности наукоемких производств и экологической безопасности природно-технической геосистемы г. Зеленограда через объективную информацию о состоянии наружного воздуха. При этом принимаются во внимание следующие характерные черты городской экосистемы [9]: совокупность природных и искусственных объектов, формирующихся в результате строительства и эксплуатации инженерных и иных сооружений, комплексов и технических сред, взаимодействующих с природными объектами; наукоемкие производства, являясь мощнейшими потребителями энергоресурсов через централизованные системы, интенсивно развиваются, оставаясь в тесной связи с городскими системами жизнеобеспечения; разработка и внедрение автоматизированных систем мониторинга состояния атмосферы в интересах предприятий микроэлектроники и населения рассматривается как одна из составляющих инновационной экономики; повышение энергоэффективности является одним из определяющих направлений повышения экологичности, а объективная информация о состоянии воздушной среды на территории НПТГ - важнейшая составляющая для оценки качества жизни населения.
В состав НПТГ входят научные организации и предприятия электронной промышленности, выбросами которых являются бутанол, метилэтилкетон, озон, щелочь, свинец, медь, бензин, этиловый спирт, полиэтиленполиамин, толуол, эпихлоргидрин, пары канифоли, пыль стеклотекстолита и гетинакса и др.; строительные объекты с источниками пылевидных выбросов, содержащих такие примеси как уголь, графит; гипс, мел, песчаник, известь, известняк (мелкий); глинистые материалы, керамзит, перлит; цемент, огарки; щебень, песок, шлак; клинкер, кварц, гранит и газообразные компоненты (CO, SOx, NOx, сажа, керосин, Fe203, MnO, HF); авто и - железнодорожный транспорт с выбросами CO, СО2, NOх, СХНУ, сажи, SO2, формальдегида, соединений свинца, бенз(а)пирена [11, 12, 13]. Следует учитывать и влияние аэропорта «Шереметьево» как источника выбросов СО, углеводородов, альдегидов, кислот, NO и NO2, СЮ2 и других примесей, которые являются парниковыми газами и способные помимо загрязнения воздуха влиять на глобальное изменение климата [10].
Определение условий трансформации примесей в атмосфере
Исследование распространения вредных выбросов осуществляется на основе уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами, теоретической базой которого является локальный закон сохранения вещества, называемый законом Фика [49, 50, 54]: dC(X z +dlv(j) + A.C( x,y,z,t) = 0, (3.1) где C(x,y,z,t) - функция распространения концентрации загрязняющего вещества; J - представляет собой сумму потоков диффузии: J = Jj + J2 (молекулярной + турбулентной): J1=C(x,y,z,t)-v(x,y,z), J2=-(K1+K2ygrad(c(x,y,z,t)), где Х- C(x,y,z,t) - описывает возникновение дополнительной концентрации примеси при воздействии на неё каких-либо погодных условий (осадки, туман и т.д.); J1 - представляет собой поток молекулярной диффузии; J2- представляет собой поток турбулентной диффузии и имеет название закон Фика; Kj - коэффициент молекулярной диффузии, который отражает перенос вещества в нижний слой атмосферы; К2 - коэффициент турбулентной диффузии в случае анизотропной среды. Представим в системе координат (х, у, z) распространение химического загрязнителя (рис. 3.1) [48]:
Распространение химического загрязнителя в атмосфере в системе координат (x, y, z). Для простоты записи далее вместо С(x,y,z,t) будем писать С. Общее уравнение турбулентной диффузии имеет вид [49, 50, 51, 52, 53, где t - время распространения примеси, с; (vx, vy, V2J - составляющие средней скорости перемещения вещества соответственно по направлению осей х, у, z, м/с; (кх, ку, kj - горизонтальные и вертикальные составляющие компонента турбулентной диффузии (коэффициенты обмена), м2/с; к - коэффициент трансформации примеси по причине воздействия на неё атмосферных осадков (дождь, морось, туман), с"1; (дС дС ЭС дх ду dz первые частные производные по координатам, называемые градиентом концентрации, показывающие распространения концентрации по направлению; изменение скорости дС — - первая частная производная концентрации по времени, которая dt определяет изменение скорости концентрации во времени; Из уравнения (3.2) следует, что коэффициент турбулентной диффузии в общем случае представляет собой тензорную матрицу, которая имеет вид [49]:
Для перехода от тензорной матрицы к единому коэффициенту диффузии необходимо предположить, что при отсутствии диффузии оси координат совпадают с главными осями тензора, недиагональные элементы исчезают, остаются только диагональные, отличные от нуля: кхх = кх, куу = ку, kzz = kz.
В действительности главные оси тензора турбулентной диффузии могут не всегда совпадать с координатными осями. Учёт недиагональных составляющих тензора матрицы является существенным при учёте неоднородного ландшафта местности.
При исследовании влияния атмосферных вихрей на изменение концентрации примеси отмечаются общие закономерности распространения турбулентного потока. Согласно модели Гиффорда концентрация примеси в факеле может рассматриваться как результат суперпозиции бесконечного числа мгновенно испускаемых клубов, которые переносятся по ветру и постепенно расширяются с удалением от источника. Огибающая клубов составляет границу факела. Обычно диффузией примеси по ветру пренебрегают и рассматривают рассеивание клубов только в поперечном ветру направлении [48, 55].
Очевидно, при исследовании формы факела нужно учитывать скорость ветра. При слабом ветре или при его отсутствии дым поднимается вертикально, а при сильном ветре распространяется горизонтально, вдоль земной
Рассеивание шлейфов выбросов загрязняющих веществ: поверхности [50, 56]. 1 стабильный; 2 нейтральный внизу, стабильный сверху (дым); 3 нестабильный (завихрение); 4 нейтральный (конусный); 5 высота; 6 -температура; 7 - стабильный внизу, нейтральный вверху. Данное уравнение справедливо для любой пассивной примеси, т. е. не имеющей собственной скорости переноса, а принимающей ту скорость, которые имеют вихревые потоки.
Уравнение (3.3) имеет первый порядок по переменной х и второй порядок по переменной у и z. В этом случае имеем одно начальное условие по х и два граничных условия по у и z. Выбросы примесей в атмосферу осуществляются от объёмных источников, однако размеры этих источников малы по сравнению с расстояниями, на которых исследуется создаваемое ими поле концентрации. Поэтому при постановке начальных условий рассмотрим только точечный источник примеси на высоте z = Н.
С поверхности почвы примеси обычно слабо взаимодействуют. Попав на поверхность почвы, примеси не накапливаются на ней, а с турбулентными вихрями снова уносятся в атмосферу, поэтому будем считать, что средний турбулентный поток примеси у земной поверхности мал, т.е.
В общем случае, граничное условие на подстилающей поверхности формулируется с учётом возможности поглощения и отражения примеси где Pi - некоторая постоянная, которая характеризует взаимодействие примеси с подстилающей поверхностью. Из (3.8) при Д? и Д? = 0 соответственно следуют два предыдущих условия (3.6) и (3.7).
Физический смысл (3.8) при Pi заключается в том, что в почву вещества не попадают, т. к. С = 0; при Д? = 0 подстилающая поверхность рассматривается как некая материя, поглощающая все загрязнители бесконечно.
Установившиеся процессы диффузии описываются уравнением (3.3). Вместе с тем при исследовании переноса выбросов в атмосфере, и, особенно при постановке специальных экспериментов с источником примеси, существенно определить момент времени, после которого рассматриваемый процесс приобретает стационарный характер. Будем исходить для концентрации вещества С от мгновенного источника из уравнения
Для мгновенного источника мощностью М в точке х = 0, у = 0, z = Н в качестве начального условия примем С = Мд(х)д(у)д(г-Н) при t = 0. Источник примеси в общем случае рассмотрим как источник конечного времени действия. Используя принцип суперпозиции, получаем, что к моменту времени t концентрация С от источника, действующего в течение периода Ти, определяется соотношением [58]:
С увеличением высоты размеры вихрей, обусловливающих турбулентный обмен, коэффициенты диффузии возрастают в приземном слое (z h) и сравнительно мало изменяются при z h. Данное утверждение позволяет сделать допущение о том, что для вихрей с увеличением высоты можно полагать, что турбулентность в атмосфере выше приземного слоя имеет примерно изотропный характер, вследствие чего kx ky kz = k.
На более низких уровнях ку и kz примерно равных ку, естественно, изменяются с высотой, ибо на подстилающей поверхности коэффициенты турбулентной диффузии должны быть равны нулю. Однако степень возрастания с высотой для ку меньше, чем для kz, поскольку влияние подстилающей поверхности на вертикальную компоненту коэффициента турбулентной диффузии должно быть большим, чем на горизонтальную. Этому условию будет удовлетворять соотношение [57]:
При решении уравнения турбулентной диффузии оказывается полезным установление зависимости между решениями для точечного и линейного источников. Здесь имеет место выдвинуть допущение, что vx и kz являются функциями только высоты z, тогда можно перейти от уравнения (3.2) и граничных условий (3.5) - (3.7) для точечного источника к соответствующим уравнениям и граничным условиям для линейного источника. Для этого решение задачи распространения загрязнителя с ищется в виде
Решение уравнения турбуле6тной диффузии для расчёта приземных концентраций выбросов
Анализируя полученные иллюстрации можно удостовериться, что все показатели рассеивания ухудшаются с повышением температуры и снижением подвижности воздуха, и, что наибольшую круглогодичную опасность представляют концентрации NO, NO2, SO2 и O3. При наложении полей концентраций различных примесей (рис. 3.9), становится очевидным ухудшение качества воздуха в зонах их взаимного пересечения, что находит подтверждение в претензиях населения. В целом же, изолинии уровня концентраций, превышающих ПДК, на всех рисунках достаточно широко охватывают территорию города. С учетом вероятности взаимодействия примесей задача модернизации системы мониторинга атмосферы становится весьма актуальной. На это же указывают и поля концентраций вторичной примеси HNO3 (рис. 3.8, 3.10), присутствующей хоть и в незначительных количествах, но повсеместно и круглогодично [67].
УПРЗА «ЭКО центр» позволяет проводить множество расчётов с построением изолиний концентраций примесей атмосферы, но при этом не предусматривает возможности учёта атмосферных осадков. Для их учета удобнее пользоваться стандартным пакетом MathCad [68, 69, 70, 71, 72].
Рассмотрим ситуацию, когда в атмосфере есть умеренные осадки ( = 0,01 с-1), изменяющие условия рассеивания примеси при остальных параметрах аналогичных пункту 3.4.2. Поля рассеивания наиболее представительных примесей примеси SO2 и NO при наличии и отсутствии атмосферных осадков показаны на рис. 3.11 – 3.14). Рис. 3.11. Рассеивание примеси SO2 в летний период при средней температуре воздуха 15C при наличии осадков.
Функциональная зависимость (3.22) позволяет представлять графически не только рассеивание примеси, но и время её существования в приземном слое атмосферы. С физико-математической точки зрения она представляется эллиптической формой и позволяет узнать момент максимума и минимума концентрации примеси. Рассчитав коэффициент турбулентной диффузии по методу Бирда-Гиршфельдера-Куртисса применим данное уравнение к примесям N02 и S02 [63].
Для удобства вычислений примем z = Н = 100 м. Будем считать, что мощность источника выбросов составляет 10 г/с.
Зная коэффициент диффузии для каждого загрязнителя при соответствующей температуре воздуха и предположив, что мощность источника выброса по каждому загрязнителю одинакова, рассмотрим значения функции распространения концентраций по каждому загрязнителю.
Рассмотрим уравнение (3.22) для исследования существования концентраций загрязнителей в атмосфере для двух случаев:
В каждый момент времени будем иметь соответствующую концентрацию загрязнителя, распространению которого будет соответствовать своё эллиптическое уравнение. Представим изменение концентраций указанных загрязнителей при указанных погодных условиях в табл. 3.5 - 3.8. Таблица 3.5. Значения функции рассеивания концентрации NO во времени при скорости ветра v = 1 м/с и отсутствия осадков.
Из таблицы 3.5 очевидно, что с увеличением времени значение функции концентрации стремительно уменьшается, кроме того ценность уравнения (3.22) заключается в том, что при каждом значении времени, мы можем построить поле рассеивания концентрации примеси.
С помощью стандартного пакета MS Excel на основе полученных данных построим графическое изменение концентрации NO во времени.
Значения функции рассеивания концентрации NO во времени при скорости ветра v = 6 м/с и наличием небольшого дождя. Табл. 3.5 и рис. 3.15 показывают, что при мгновенном выбросе в течение короткого интервала времени, концентрация примеси может значительно превышать ПДК, но через определённое время примесь рассеивается в атмосфере и вблизи нахождения источника выброса ее концентрация резко снижается.
Аналогичные суждения справедливы и для таблицы 3.5, по данным из которой построим графическое изменение концентрации SO2 во времени.
Значения функции рассеивания концентрации SO2 во времени при скорости ветра v = 6 м/с и наличием небольшого дождя. Рассматривая табл. 3.4 и табл. 3.5 следует отметить, что при одной и той же мощности источника, концентрация SO2 может в атмосфере присутствовать дольше, чем концентрация NO из-за малого значения коэффициента диффузии. Экспериментальные данные подтверждаются теорией о том, что при неблагоприятных погодных условиях в атмосфере может присутствовать смог лондонского типа [11, 12, 13]. Рассмотрим ситуацию благоприятных погодных условий, при температуре воздуха +15, умеренном дожде и средней скорости ветра 7 м/с. Согласно теории, данные условия способствуют очищению атмосферы от вредных примесей [12, 13]. При наличии благоприятных погодных условиях также важно рассмотреть изменение концентрации со временем каждого загрязнителя на примере летнего периода времени.
Результаты расчетов показывают, что в реальных условиях максимальное значение концентрации примеси в атмосфере кратковременно и интенсивно снижается, причем разбавление концентрация NO идет быстрее, чем SO2. Вместе с тем SO2 может присутствовать в атмосфере в значительных концентрациях и длительное время, что увеличивает вероятности образования на его основе вторичной примеси. Наличие ветра однозначно способствует очистке атмосферы от любых примесей.
Показатели качества атмосферного воздуха геосистемы
Экологический риск – это один из приоритетных обобщенных показателей, на основе которого принимаются управленческие решения в области взаимодействия техносферы и общества. На его оценку, связанную с качеством среды жизни человека, следует опираться при организации, формировании и техническом оснащении системы мониторинга. В современных условиях результативность любой производственной деятельности следует оценивать по значению экологического риска, не нарушающего равновесного состояния, для достижения которого необходимо методологическая и методическая основа, позволяющая контролировать природоохранную деятельность природопользователей по комплексным показателям и индикаторам [75, 76].
Согласно Федеральному закону РФ от 10.01.02 от №7-ФЗ «Об охране окружающей среды» экологическим риском является вероятность наступления события, имеющего неблагоприятные последствия для природной среды и вызванного негативным воздействием хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера. В плане методологии предлагаемого исследования, экологический риск -это риск нарушения динамического равновесия в городской экосистеме, приводящий к изменению свойств её составляющих в результате техногенной деятельности. При этом известно, что одним из наиболее серьезных рисков для природно-технических систем и, в частности, здоровья населения, является загрязнение атмосферного воздуха химическими соединениями.
В настоящее время методология оценки риска является общепризнанной и важнейшим инструментом для характеристики влияния факторов окружающей среды на здоровье населения и принятия управленческих решений. При этом необходимо ориентироваться не только на санитарно-гигиенические нормативы, но и учитывать критерии приемлемого для здоровья населения риска. Медико-экологические аспекты охраны окружающей среды на территории России предполагает учет, как минимум, двух типов риска [75, 76]: риск для здоровья, который характеризует собой вероятность развития у населения неблагоприятных для здоровья эффектов в результате реального или потенциального загрязнения окружающей среды; риск загрязнения, рассматриваемый как вероятность загрязнения окружающей среды в результате деятельности промышленных предприятий (экологический риск).
В соответствии с рекомендациями ряда международных организаций по оценке и управлению рисками для здоровья людей и среды обитания в результате действия техногенных факторов рассматриваемые в работе ситуации могу быть отнесены к экологическим рискам второго рода, возникающими в процессе негативного воздействия на экосистемы в условиях нормальной экономической деятельности в штатном режиме. В состав этих рекомендаций входят основные признаки экологических рисков, связанных с угрозами здоровью и жизни людей и состоянию среды обитания [77, 79, 80].
В качестве КС в нашем случае служит выброс первичных примесей, приводящий при определенных условиях к образованию вторичных химических соединений, содержащих серу, азот или углерод, которые создают опасный феномен в виде токсического эффекта, способного привести к главному событию – риску ущерба здоровью населения.
Этапы оценки экологического риска. Как видно из рис. 4.2 каждый из этапов оценки экологического риска требует наличия большого количества информации как о концентрациях и поведении самих веществ, так и о данных места, на котором примеси распространяются.
Для определения уровня загрязнения атмосферы принято использовать следующие индикаторные величины [56]: - средняя концентрация примеси в воздухе (Сср); - максимально-разовая концентрация примеси в воздухе (Смр). Степень загрязнения оценивается при сравнении фактических концентраций с предельно-допустимой концентрацией (ПДК) c определением повторяемости превышений (ПДК) [84]. Средние концентрации примесей сравниваются с ПДК среднесуточными (ПДКсс), максимально-разовые концентрации – с ПДК максимально разовыми (ПДКмр): - повторяемость, %, разовых концентраций примеси в воздухе выше предельно допустимой концентрации (ПДК) данной примеси; - повторяемость, %, разовых концентраций примеси в воздухе выше 5 ПДК и выше 10 ПДК.
Для характеристики уровня хронического, длительного загрязнения воздуха используется основной показатель – индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), учитывающий несколько примесей и рассчитываемый по значениям среднегодовых концентраций на основании парциальных индексов загрязнения отдельных примесей Ii. Парциальный индекс загрязнения атмосферы соответствующим поллютантом рассчитывается по формуле [80, 82]: концентрация исследуемого загрязнителя в атмосферном воздухе, мг/м3; ПДКсс, i – среднесуточная ПДК исследуемого вредного вещества в атмосферном воздухе, мг/м3.
Установлены значения сц для веществ 4, 3, 2 и 1 классов опасности, которые равны 0,85, 1,0, 1,3 и 1,5 относительно вредности диоксида серы соответственно. Диоксид серы относится по степени вредности к третьему классу опасности (Q = 7), к ней приводится вредность всех веществ.
За оценку суммарного загрязнения атмосферы отвечает суммарный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), который учитывает не только концентрации п различных веществ, но и вредность их воздействия на здоровье. Он рассчитывается следующим образом [80]:
Суммарный ИЗА обычно рассчитывается по шести основным загрязнителям атмосферы города (диоксид азота, диоксид серы, оксид углерода, диоксид углерода, озон, взвешенные вещества). В конкретном городе не на всех станциях измеряются концентрации одинакового набора веществ, их количество также различается. При такой ситуации данные расчета ИЗА не могут сравниваться между собой. Чтобы значения 1п и 1т были сопоставимы для разных городов или за разные интервалы времени в одном городе, необходимо рассчитывать их из одинакового количества (п = т) веществ.