«Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника»
Цель работы:
Целью данной работы является проведение анализа загрязнения некоторой площади выбросами одиночного источника. А так же обзор существующих на сегодняшний день программ по расчету загрязнения.
Описание источников:
В ходе работы я ознакомилась с несколькими интересными источниками. Одним из них является сайт Евроазиатского транспортного союза, на котором представлен сборник статей, подготовленных к третей международной евроазиатской конференции по транспорту. В статье «Программные средства оценки воздействия транспортных средств на окружающую среду» приведен сравнительный анализ большого количества компьютерных программных средств, направленных на оценку воздействия различных источников загрязнения, в том числе и транспорта на окружающую среду и используемых при разработке и сопровождении различных инвестиционных проектов, в том числе и транспортных, а также для принятия управленческих решений. Помимо статей приведен перечень компьютерных имитирующих систем, используемых для оценки воздействия на окружающую среду. В основе всех указанных программных продуктов лежат методические подходы Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) и национальные методические рекомендации по оценке воздействия на окружающую среду инвестиционных проектов. Ознакомившись с этим сайтом можно сделать вывод, что существующие в настоящее время программные средства оценки воздействия на окружающую среду (EIS) можно разделить на две основных группы:
системы быстрой оценки состояния окружающей среды (СБО);
системы поддержки принятия решений (СППР).
Системы быстрой оценки была разработана ВОЗ в начале 80-х годов для установления приоритетов решения различных проблем, связанных с загрязнением атмосферы, воды, воздуха и загрязнением опасными отходами. Программы позволяют:
определить нагрузки загрязнения в конкретных местах;
установить приоритеты борьбы со стандартными загрязняющими веществами в различных регионах;
определить виды деятельности, приводящие к наибольшему загрязнению;
выбрать меры борьбы с загрязнением.
Системы поддержки принятия решений появились в начале 90-х годов. В этих системах увеличено число анализируемых загрязняющих веществ до более, чем 200; внедрены возможности сравнительного географического анализа нагрузок и концентраций загрязнения; осуществлен принцип сравнения с нормативами и стандартами в отношении большинства загрязняющих веществ; внедрена система определения приоритетов на основании вреда для здоровья; разработаны базы данных по стоимости технологий борьбы с загрязнением, а также по алгоритмам анализа затрат, связанных с альтернативными технологиями снижения и борьбы с загрязнениями. Так же на сайте приведено описание программных пакетов оценки загрязнения окружающей среды с описанием, требованиями к программным и техническим средствам, назначением и областью применения. На сайте www.infars.ru приводиться описание новой разработки унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эколог" позволяющая рассчитать приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосфере в соответствии с "Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий (ОНД-86)". УПРЗА "Эколог" (версия 3.0) является принципиально новой разработкой с использованием последних технологий программирования. Пользователям предлагаются три варианта комплектации программы:
УПРЗА "Эколог" Базовый - базовый вариант программы.
УПРЗА "Эколог" Стандарт. Обладает дополнительными возможностями графического блока по работе с различными форматами ГИС: AUTOCAD (*.DXF), MapInfo (MID/MIF), ArcInfo (*.SHP).
УПРЗА "Эколог" Газ. Обладает всеми возможностями УПРЗА "Эколог" Стандарт и дополнительной возможностью расчета концентраций от источников со скоростью выхода газовоздушной смеси от 150 до 500 м/с (магистральные газопроводы, газокомпрессорные станции). Для таких источников применяются формулы "Отраслевой методики расчета приземной концентрации загрязняющих веществ, содержащихся в выбросах компрессорных станций магистральных газопроводов". Каждый из трех вариантов может быть укомплектован дополнительным расчетным блоком с возможностью учета застройки при расчетах рассеивания (реализовано Приложение 2 к ОНД-86).
На сайте www.mapmakers.ru приведена таблица типов загрязняющих веществ, их основные источники и рекомендуемые параметры расчета.
Ознакомившись с этим сайтом я подумала о том, что возможно разработать программу, которая бы графически показывала результаты проведенных расчетов звгрязнения атмосферы и сравнивала бы с ранее полученными результатами. Для наглядности программа могла бы чертить графики, полученные результаты принесли бы пользу при изучение динамики изменения атмосферы
По данным, найденным в Интернете и среди научной литературы, я ознакомилась со следующими типами программ:
1. Мезо-масштабная (50-100км) оперативная модель для оценки и / или прогноза последствий аварийных выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и краткосрочного прогноза (аварии на атомных станциях, крупные пожары на промпредприятиях, аварии на химических предприятиях или при транспортировке опасных веществ). Модель предназначена также для прогнозирования экологически опасных ситуаций вблизи крупных источников (включая интенсивные транспортные потоки), возникающих вследствие неблагоприятной метеообстановки (например, возникновение смога в больших городах).
2. Мезомасштабная (50-100км) модель для оценки и / или прогноза экологических последствий и воздействия на здоровье населения непрерывных (многолетних) выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и климатологических данных. Может использоваться в частности для планирования и оптимизации взаимного размещения жилых массивов, транспортных потоков и предприятий, а также для оценки долговременных последствий крупных аварий и неконтролируемых сбросов опасных веществ (например, “ползучее” загрязнение от свалок или распространение ранее выпавших радиоактивных веществ).
3. Региональная модель (500км и более) для оценки и / или прогноза последствий аварийных выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и краткосрочного прогноза (аварии на атомных станциях, крупные пожары на промпредприятиях, аварии на химических предприятиях или при транспортировке опасных веществ), а также расчетов фонового и систематического межрегионального загрязнения с привлечением многолетних архивов метеоданных.
Все модели включают в себя трехмерные расчеты распространения примесей, а также их физико-химических превращений в атмосфере и при необходимости на подстилающей поверхности. При долговременных расчетах учитывается повторный ветровой подъём вещества с земной поверхности. Еще один источник, который следует отметить – сайт www.logos-plus.ru, на котором есть раздел вопрос/ответ, где можно задать интересующие вопросы по данной тематике.
Постановка задачи на основе полученной ипформации
На основе полученной информации целью моей работы стало описание математического аппарата и изучение методики выброса. А так же описание наиболее распространенных на сегодняшний день программных средств оценки воздействия загрязнения на окружающую среду.
Методика расчета загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника.
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника определяется по формуле:
CM=(AMFmn?)/(H2vV1?Т)
Где А – коэффициент зависящий от температурной стратификации атмосферы; М(г/с)- масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; F- безразмерный коэффициент , учитывающий скорость, оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и n – коэффициенты, учитывающие условия выходагазовоздушной смеси из устья источника выброса над уровнем земли; ? - безразмерный коэффициент учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, н=1; ?Т (оС) –разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв ; V1 (м3/с) – расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле: Где D(м)- диаметр устья источника выброса; w0 (м/с)-т средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.
Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна. При определение значения ?Т следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха Тп , равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01-82, а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Тг – по действующим для данного производства технологическим нормативам. Значение безразмерного коэффициента F принимается:
а) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю)-1
б) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п.(а)) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90%-2; от 75 до 90%-2.5; менее 75% и при отсутствии очистки-3.
Значение коэффициента m и n определяются в зависимости от параметров f, vM ,v’M и fe:
f= 000(?20D/H2?Т)
vM= 0,65 3v(V1?Т/H)
v’M= 1,3 (?0D/H)
fe= 800(v’M)3
Коэффициент m определяется в зависимости от f.
Для fe< f <100 значение коэффициента m вычисляется при f= fe.
Коэффициент n при f <100 определяется в зависимости от vM.
Для f ?100 (или ?Т?0 ) и v’M ? 0,5 (холодные выбросы) при расчете сМ используется формула:
CM= (AMFn?/H?)К
Где
К=D/8V1
Аналогично при f <100 и v’M < 0,5 или f ? 100 и v’M < 0,5 (случай предельно малых опасных скоростей ветра) расчет сМ производится по формуле:
CM= AMFm?/H?
Где m’=2,86 m при f <100 и v’M < 0,5
m’=0,9 при f ? 100 и v’M < 0,5
Расстояние xM (м) от источников выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения CM, определяется по формуле:
xM= (5-F/4)dH
где безразмерный коэффициент d при f <100 находится по формулам:
d=2,48(1+0,28 3v fe) при vM?0,5
d=4,95 vM(1+0,28 3v fe) при 0,5< vM?2
d= 7v vM(1+0,28 3v fe) при vM>2
При f >100 или ?Т?0 значение d находится по формулам
d=5,7 при vM?0,5
d=11,4 vM при 0,5< vM?2
d= 16vvM при vM>2
Значение опасной скорости uМ (м/с) на уровне флюгера (обычно 10м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ CM, в случае f <100 определяется по формулам:
uМ= 0,5 при vM?0,5
uМ = vM при 0,5< vM?2
uМ= vM(1+0,28 v fe) при vM>2
При f ? 100 или ?Т?0 значение uМ вычисляется по формулам:
uМ= 0,5 при vM?0,5
uМ = vM при 0,5< vM?2
uМ= 2,2 v’M при vM>2
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества смu (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра u (м/с), отличающейся от опасной скорость ветра uМ (м/с), определяется по формуле:
смu= rсM
где r – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения u/uМ по формулам:
r= 0,67(u/uМ)+ 1,67(u/uМ)2- 1,34(u/uМ)3 при u/uМ?1
r=3(u/uМ)/(2(u/uМ) 2-(u/uМ)+2) при u/uМ>1
Расстояние от источника выброса xмu (м), на котором при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения смu (мг/м3), определяется по формуле:
xмu= pxм
где p безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/uМ по формулам:
p= 3 при u/uМ ?0,25
p = 8,43(1- u/uМ)5 при 0,25< u/uМ ?1
p= 0,32 u/uМ+0,68 при u/uМ >1.
Для каждого источника радиус зоны влияния рассчитывается как наибольшее из двух расстояний от источника x1 и x2 , где x1 =10 xм, а величина x2 определяется как расстояние от источника, начиная с которого с?0,05 предельно допустимой концентрации.
Это основной принцип расчета загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника. Теперь перейдем к рассмотрению программных средств оценки воздействия загрязнения на окружающую среду.