Моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел

Скачати

 

Проблема захисту навколишнього середовища – одна з найважливіших завдань сучасності. Викиди промислових підприємств, енергетичних систем і транспорту в атмосферу, водойми і надра на сучасному етапі розвитку науки і техніки досягли таких розмірів, що в ряді районів, особливо у великих промислових центрах, рівні забруднень у кілька разів перевищують допустимі санітарні норми.
Екологічні дослідження, проведені в останні десятиліття у багатьох країнах світу, показали, що зростаючий руйнівний вплив антропогенних факторів на навколишнє середовище, приведе його на межу кризи. Серед різних складових екологічної кризи (виснаження сировинних ресурсів, недостача чистої прісної води, можливі кліматичні катастрофи) найбільш загрозливий характер прийняла проблема незамінних природних ресурсів – повітря, води та ґрунту, які забруднюються відходами промисловості і транспорту [1].
Повітряна оболонка Землі – атмосфера, є однією з найголовніших умов життя. Без їжі людина може жити місяць, без води – тиждень, без повітря не може прожити і двох хвилин. Основні складові частини атмосфери – азот, кисень і вуглекислий газ.
Забруднення атмосфери — зміна складу атмосфери в результаті попадання до неї домішок. Найбільш розповсюдженими забруднюючими речовинами, що надходять в атмосферне повітря від техногенних джерел, є: оксид вуглецю (СО), діоксид сірки (SО2), оксиди азоту, вуглеводні, пил. Ці з’єднання не так токсичні, проте знижують прозорість атмосфери, дають на 50% більше туманів, на 10% більше опадів, на 30% скорочують сонячну радіацію [2].
Для оцінки і прогнозу забруднення атмосфери стаціонарними джерелами, використовується методика ОНД-86. Вона дає змогу створити математичну модель для оцінки і регуляції якості навколишнього середовища. З допомогою використання такої моделі розраховується максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини та сумарна концентрація шкідливих речовин [3].
В даній роботі проводиться моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел та побудова карти розсіювання шкідливих речовин від стаціонарних джерел. Об’єктом моделювання та прогнозування даної роботи є три різні підприємства, з джерелами викидів таких речовин як: оксид карбону, діоксид нітрогену та пил.
Математичне моделювання, розрахунок приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів груп джерел та прогнозування здійснюється на основі методики ОНД-86. Побудова регресійних залежностей та визначення похибок прогнозу процесів здійснено за допомогою MS Excel .

 

1 Екосистема як об’єкт моделювання та прогнозування

Атмосфера – це газоподібна оболонка повітря навколо Землі, що захищає все живе від знищувальної дії космосу. Атмосфера має декілька шарів: тропосферу, стратосферу, мезосферу, іоносферу, протоноосферу та магнітосферу, що виконують певні захисні функції.
В результаті попадання в атмосферу твердих і газоподібних речовин або викидів енергії (тепло, звук, радіоактивність) в кількості, що має шкідливу дію на людський чи тваринний організм, рослини та будівельні конструкції, відбувається її забруднення. В зв'язку з цим суттєве значення має охорона повітряного басейну, тобто система сукупності способів та дій, що направлені на досягнення поставленої мети зменшення забруднення повітря.
Розвиток промислового виробництва, транспорту, сільського господарства й побуту спричинився до суттєвого забруднення атмосферного повітря, зміни його складу й захисних властивостей. Основна кількість шкідливих речовин (75%) попадає в повітря при спалюванні органічних енергоносіїв. У містах до 60% забруднення дає автотранспорт.
Структура надходження шкідливих речовин в атмосферне повітря від різних галузей господарства така: теплові електростанції – 24%; нафтодобування та нафтохімія – 16%; автомобільний транспорт – 13%; кольорова металургія – 11%; промисловість будматеріалів – 8%; хімічна промисловість – 1% [4].
У світі щорічно спалюється в середньому до 10 млрд. т палива. При цьому витрачається 20 млрд. т кисню та утворюється 22 млрд. т вуглекислого газу,
150 млн. т діоксиду сірки, 200...700 млн. т пилу й диму та багато інших шкідливих речовин [5].
Ступінь забруднення повітря викидами шкідливих речовин біля земної поверхні залежить від кількості речовин та їх параметрів. Суттєво впливає на ступінь забруднення повітря також характер молекулярної й турбулентної дифузії, інтенсивність яких визначається вектором швидкості вітру й вертикальним температурним градієнтом.
Врахування вектора швидкості вітру дозволяє раціонально вирішувати питання розташування промислових підприємств на території населених пунктів. Промислову зону необхідно розміщувати з вираховуванням середньорічної й сезонної рози вітрів, а також швидкості вітру окремих румбів. При викидах з низьких труб найбільше забруднення спостерігається при незначних швидкостях вітру в межах 0...1 м/с. Максимальна концентрація забруднення при викидах з високих труб буде коли швидкість вітру досягає 3…6 м/с.
Ступінь зменшення концентрації викидів в атмосферному повітрі знаходиться в прямій залежності від відстані, на яку переміщується шкідлива речовина в напрямку вітру. Розповсюдження викидів відбувається в межах сектора, що обмежений кутом розкриття факела а = 10...20°.
Природне та антропогенне забруднення атмосфери ділиться на золове, звукове (шум), біологічне, хімічне, радіоактивне та фізичне (пил).
За агрегатним станом забруднювачі атмосферного повітря буваю тверді, рідкі та газоподібні [4, 5].
Забруднення атмосфери відбувається двома основними шляхами, а саме: природним та штучним (антропогенним). До атмосфери надходять газоподібні викиди, тверді частинки, радіоактивні речовини, волога. Під час перебування в атмосфері їхня температура, властивості  й стан можуть істотно змінюватися. Ці зміни проявляються у вигляді випадання в осад важких фракцій, розпаду на компоненти, хімічних і фотохімічних реакцій. Внаслідок цього в атмосфері можуть утворюватися компоненти, властивості й поведінка яких не завжди відповідатиме вихідним даним.
До наслідків антропогенного впливу на атмосферу належать:
- підвищення концентрації;
- надходження до атмосфери сполук сірки;
- надходження малих газових сполук (фреонів, сполук азоту), сполук хлору і фтору;
- надходження додаткового тепла.
Джерелами антропогенного забруднення атмосфери домішками є теплоенергетика, промисловість, нафто- і газопереробка, транспорт, сільське господарство, випробовування ядерної зброї. Кожне джерело (кожна галузь виробництва) пов'язане з виділенням специфічних домішок, склад яких нараховує десятки тисяч речовин, які відразу не піддаються ідентифікації. Найбільш розповсюджені наступні викиди промисловості: попіл, порох, оксид цинку, силікати, сірководень, хлорид свинцю, сірчаний ангідрид, сірчистий ангідрид, меркаптан, альдегіди, вуглеводні, смоли, оксид і діоксид азоту, аміак, озон, оксид і діоксид вуглецю, фтористий водень, кремнефтористий натрій, радіоактивні  гази, аерозолі. Найбільша кількість. забруднюючих атмосферу речовин викидається вихлопними газами автомобілів, приблизно 200 речовин, у тому числі канцерогенні вуглеводні та тетраетил свинець. Бензинові двигуни викидають більше, незгорілих вуглеводнів та продуктів їх неповного окислення (оксид вуглецю та альдегіди), ніж дизельні. Кожна машина з бензиновим двигуном. яка пройшла 15 тис. км, споживає 4350кг кисню, а викидає 3250 діоксиду вуглецю, 530кг оксиду вуглецю, 93кг вуглеводнів та 27 кг оксидів азоту
Теплові електростанції викидають у атмосферу гази, які містять види сірки і азоту, попіл, метали; підприємства чорної металургії – пил, оксиди сірки та металів. На 1 т переробки чавуну припадає 4,5 кг пороху, 2,7 діоксиду сірки, 0,1–0,5кг марганцю, а також сполуки арсену, фосфору, сурми, свинцю, ртуті, рідкісних  металів, смолистих речовин. Мартенівські та конверторні цехи інтенсивно продукують порох. На кожну тонну мартенівської сталі викидається 3000-4000м газів (з середньою концентрацією пороху 0,5 г/м3), 60кг CO2 і 3 кг SО2. Геохімічні цехи забруднюють атмосферу порохом і сумішшю легких сполук [6].
Підприємства кольорової металургії викидають гази, які містять порох, оксид сірки, фтористі гази і метали. З однієї тони пороху, який викидається в атмосферу при виплавці мідних руд, можна добути до 100 кг міді і трохи менше свинцю і цинку.
Викиди в атмосферу нафтодобувної та нафтопереробної промисловості містять вуглеводні, сірковуглець та гази, що мають неприємний запах. Заводи, які виробляють будівельні матеріали, ми кидають у атмосферу порох, фториди, діоксиди сірки та азоту.
Найбільше забруднення атмосферного повітря припадає на оксиди вуглецю, сполуки сірки і азоту, вуглеводні та промисловий порох. За один тільки  рік у атмосферу Землі викидається 200 млн. т оксиду вуглецю, більше 20 млрд. т діоксиду вуглецю, 150 млн. т діоксиду сірки, 53 млн. т оксидів азоту, більше 250 млн. т пороху, 120 млн. т попелу, більше 50 млн. т різноманітних вуглеводнів. Прогресуюче насичення біосфери важкими металами – один із найбільш суттєвих глобальних наслідків науково-технічної революції. Підраховано, що за всю історію людського суспільства виплавлені біля 20 млрд. т заліза. Його кількість, яка знаходиться у спорудах, машинах, обладнанні тощо, нині складає приблизно 6 млрд. т. Відповідно цьому, приблизно 14 млрд. т металу розсіяно в оточуючому середовищі, інші метали розсіюються ще більше. Наприклад, розсіювання ртуті та свинцю становить 80-90% їх річного виробництва. При спалюванні вугілля з попелом і газами деяких елементів надходить до атмосфери більше, ніж добувається із земних надр (магнію – у 1,5 рази, арсену – у 7, урану, титану – в 10, алюмінію, йоду, кобальту – у 15, ртуті – в 50, літію, ванадію, стронцію, берилію, цирконію у сотні разів, галію, германію – у тисячі) [7].
Під впливом сонячної радіації в атмосфері відбуваються різноманітні реакції, в яких приймають участь кисень, азот, озон, оксид азоту, водяна пара, діоксид вуглецю. Діоксид азоту, який надходить з вихлопними газами в атмосферу, під впливом ультрафіолетових променів перетворюється в оксид азоту і атомарний кисень. Потім атомарний кисень вступає в реакцію з киснем повітря, утворюючи озон. При сполучені озону з оксидами азоту одержують діоксид азоту і кисень. Кисень може вступати у реакцію з низкою вуглеводнів і утворювати ряд вторинних забруднюючих речовин (формальдегід, альдегіди і пароксицетиленові нітрати). Усі вони сприяють формуванню фотохімічного смогу. У багатьох людей який викликає головний біль, нудоту, подразнює слизові оболонки горла і очей, а також погіршує загальний стан при хронічних респіраторних захворюваннях типу астми та емфіземи. У деяких промислових містах при різких температурних інверсіях забруднення повітря досягає такого високого рівня, що помітно підвищується смертність.
Дуже гострою є проблема забруднення атмосфери сірковмісними сполуками. Сірка виділяється в атмосферу вже 5 тис. років. Найбільш сильну забруднена Північна півкуля Землі, в атмосфері якої знаходиться до 90% сірки антропічного походження. Діоксид сірки чинить шкідливу дію на рослини організми. Потрапляючи в середину листка при диханні, він пригнічує життєдіяльність клітин внаслідок порушення окисно-відновних властивостей цитоплазми клітин. При цьому листки рослин спочатку вкриваються бурими, плямами, а потім засихають. Діоксид сірки та інші сполуки подразнюють слизові оболонки очей та дихальних шляхів. Тривала дія малих концентрації 80; веде до виникнення хронічного гастриту, бронхіту, ларингіту та інших захворювань. Є відомості про взаємозв'язок між вмістом 80; у повітрі і рівне смертності від раку.
Реальну небезпеку для здоров'я людини мають викиди в атмосферу промислового та транспортного пороху, особливо попелу, який містить значні кількості токсичних речовин. Вплив пороху на організм людини пов'язаний з його дисперсністю. Дрібні часточки проникають у дихальні шляхи і подразнюють слизові оболонки. Довготривалий вплив дуже дрібного пороху може спричинити закупорювання пор і зменшення потовиділення. У людей, які тривалий час мешкають в умовах підвищеної запорошеності місцевості, спостерігаються фіброзні зміни у легенях. Порох, що містить арсен, свинець ртуть, веде до отруєнь організму. Наприклад, свинцевий порох, володіючи акумулятивною дією, змінює склад крові і кісткового мозку, викликає м'язову слабкість і параліч нервів, свинцеві колики, вражає головний мозок, печінку, нирки. Ртуть, проникає у мозок, руйнує нервову систему, послаблює розумові, здібності, прискорює старіння.
У зв'язку з випробуваннями ядерної зброї, розвитком ядерної промисловості, будівництвом атомних електростанцій у атмосфері з'явились джерела штучної радіоактивності. Радіоактивні речовини перебувають у повітрі у порохоподібному стані, або зчеплені з частинками аерозолю [6, 7].

1.1 Аналіз математичних моделей екосистеми та методів прогнозування процесів в ній

Існуючі моделі розповсюдження забруднення можна поділити на:
1) найпростіші моделі, які ґрунтуються на алгебраїчних залежностях;
2) статистичні моделі;
3) гаусові моделі турбулентного розсіювання домішок;
4) дифузійні моделі, які ґрунтуються на рівняннях турбулентної дифузії у граничному шарі атмосфери.
Прості детерміновані моделі – ґрунтуються на емпіричних даних і формулюються у вигляді алгебраїчних співвідношень.
Моделі описують зміну в часі і просторі показників забруднення повітря, а характеристики якості (загрожуючі чи небезпечні) використовують для оповіщення громадськості і навчання правилам поведінки (в епізодичних ситуаціях) при раптовому забрудненні повітря. Наприклад, моделі простих поверхневих джерел співвідносять річні концентрації забруднюючих речовин над міською територією з інтенсивностями джерел, помноженими на обернену величину середньої швидкості вітру. Для найпростішої моделі ступінь забруднення пропорційний кількості викидів. Цей коефіцієнт пропорційності використовується для розрахунку зміни концентрації забруднення атмосфери при зміні кількості викидів. Такі емпіричні моделі прогнозують ступінь майбутнього забруднення повітря в залежності від росту викидів за ретроспективними даними про якість навколишнього атмосферного повітря.
Моделі зниження до попереднього рівня – це загальний клас емпіричних моделей, що пов'язують прогноз якості повітря при зростанні викидів і ретроспективні дані щодо ступеню забруднення навколишнього повітря. Поняття «зниження до попереднього рівня» введено для аналізу змін якості повітря, а не для кількісної характеристики забруднення повітряного середовища. Воно використовується при плануванні допустимих викидів забруднення в атмосферу як метод одержання оцінки ступеня необхідного скорочення викидів для узгодження із стандартами якості повітря.
Модифікація простої моделі зниження до попереднього рівня булла використана при плануванні контролю за утворенням оксидів на основі даних контролю за неметановими вуглеводнями. Цим методом встановлена верхня гранична крива максимальних концентрацій оксидів.
Прості балансові моделі контрольного об’єму для аналізу проблем забруднення повітря в міських зонах розглянуті в роботі. Ці моделі засновані на використанні контрольного об’єму з основою на поверхні землі і верхньою границею на поверхні шару інверсії (вершині шару перемішування).
Моделі локального викиду і поширення хмари забруднення. Математичні моделі локального викиду відносяться до перших найпростіших класів моделей якості повітря. Проте вони мають широке застосування і відносяться до найбільш надійних способів аналізу і прогнозу якості повітря при наявності реальних вхідних даних про профіль вітру і відповідні коефіцієнти дифузії.
За допомогою цих моделей одержують корисні дані щодо географічного поширення більш стійких забруднень у міських зонах, можна об'єднати ряд основних джерел забруднення й одержати важливі вказівки щодо міри необхідного контролю за викидами.
Статистичні моделі. У статистичних моделях поширення забруднень використовуються стохастичні рівняння для встановлення співвідношень між показниками якості повітря і даними метеорології.
Вони встановлюють співвідношення між оцінками концентрацій і значеннями параметрів, які дійсно вимірювалися при аналогічних обставинах. Статистичні моделі мають невисоку вартість розробки і низькі потреби в обчислювальних ресурсах, однак, вони не можуть використовуватися поза межами початкових умов, які визначаються вихідними даними, що застосовувалися при їхній розробці й оптимізації. Ці умови звичайно містять у собі обмеження на варіації метеорологічних умов і варіацію просторового розміщення викидів. Статистичні моделі не можна застосовувати також при значних змінах у розподілі джерел викидів. Дані статистичних обробок не можуть бути перенесені на інші об'єкти без переоцінки емпіричних параметрів чи коефіцієнтів.
Дифузійні моделі. Клас цих моделей містить у собі інтегральні моделі контрольного об’єму та моделі рухомої частинки (стовпчикові), що базуються на записі інтегральної форми рівняння переносу і дифузії домішки для виділеного об’єму.
Інтегральні моделі мають широке застосування в теорії примежових шарів в аеродинаміці, при розв’язанні проблем випаровування або конденсації, а також при дослідженнях багатьох інших фізичних явищ.
Методи частинок (стовпчикові) для опису поширення забруднення. Така модель базується на використанні гіпотетичного стовпця повітря, який рухається уздовж заданої траєкторії над розглянутим регіоном. Коли стовпець переміщується, то забруднюючі речовини інжектуються в його основі від тих джерел, над якими він проходить. У цей же час у стовпцях можуть відбуватися хімічні реакції та інші перетворення.
Скінченно-різницеве сіткове моделювання поширення домішок. Сіткові моделі базуються на розв’язаннях рівнянь переносу і дифузії забруднюючих речовин з використанням різних скінченно-різницевих методів. Накопичено великий досвід та існують різноманітні способи скінченно-різницевих розв’язань рівнянь динаміки переміщень повітряних мас і динаміки переносу з ними забруднюючих домішок. В сіткових моделях найбільш важливою є метеорологічна частина комплексної проблеми прогнозу якості повітря.
Складні сіткові моделі дозволяють врахувати хімічні реакції в забрудненому повітрі, зміну аерозольних часток при конденсації або випаровуванні, сухе та вологе випадання забруднюючих речовин. Отже, підведемо підсумок проведеного аналізу. Найпростіші алгебраїчні моделі занадто спрощені. Порівняння їх із тривимірною моделлю дифузії чи методом контрольованих обсягів свідчить про наявність принципових недоліків. Однак з метою попереднього аналізу вони можуть бути дуже корисними при оцінці даних про середньорічне забруднення території міст і можуть вказати на необхідність більш докладного моделювання забруднення даної території для виявлення специфічних проблем щодо якості повітря.
Дуже популярними серед моделей локального викиду є гаусівські. Але відсутність надійних метеорологічних даних і характеристик дифузійного переносу обмежує область застосування моделей локальних викидів і струменів особливо для складного рельєфу місцевості, а також при стабільному приземному інверсійному шарі.
Отже, математичні моделі на базі диференціальних рівнянь конвективного переносу і дифузії домішок в атмосфері фізично більш реальні, ніж більшість вище описаних моделей. Вони дозволяють більш детально імітувати забруднення атмосфери міст. Сіткові моделі дозволяють ефективно врахувати забруднення повітря реагуючими домішками і дозволяють розрахувати концентраціїдомішок в областях із складним рельєфом місцевості (наприклад, міської забудови, рельєф із глибокими долинами і височинами) [8].

1.2 Аналіз вихідних параметрів моделювання екосистеми

Вихідними параметрами для моделювання процесів розсіювання забруднюючих речовин в атмосферному повітрі є:
а) підприємство № 10, що розташоване на рівній відкритій поверхні в м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 16,5 метра, діаметр труби (D) = 0,7 метра. Швидкість виходу пило-газової суміщі з труби (V) складає 0,9 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 110,0°С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства:
– оксид нітрогену (IV), NO2 – 0,0644 г/с;
– пил – 0,0794 г/с.
б) підприємство № 11, що розташоване на рівній відкритій поверхні в м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 15,2 метра, діаметр труби (D) = 0,8 метра. Швидкість виходу пило-газової суміщі з труби (V) складає 0,4 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 91,9°С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства – оксид нітрогену (IV), NO2 – 0,0900 г/с.
в) підприємство № 13, що розташоване на рівній відкритій поверхні в м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 19,6 метрів, діаметр труби (D) = 1,0 метр. Швидкість виходу пило-газової суміщі з труби (V) складає 0,1 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 124,5 °С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства:
–     оксид карбону (ІІ), СО – 0,0959 г/с;
– оксид нітрогену (IV), NO2 – 0,0672 г/с;
–     пил – 0,0583 г/с.

1.3 Аналіз обмежень задачі моделювання екосистеми

Концентрація забруднюючих речовин в повітрі навколо підприємств, що являються джерелами викидів залежить від впливу багатьох факторів, які її визначають. До таких факторів відносяться:
-      висота труби (Н), з якої здійснюється викид забруднюючих речовин –  чим вища труба, тим краще забруднювачі розсіюються в повітрі;
-      діаметр труби (D) – із збільшенням діаметра труби збільшується кількість забруднюючих речовин, що надходять в атмосферу;
-      кількість труб для здійснення викидів на одному підприємстві;
-      швидкість викиду газоповітряної суміші;
-      температура газоповітряної суміші, що викидається;
-      температура навколишнього середовища;
-      постійність або періодичність здійснення викидів в атмосферу;
-      швидкість та напрям вітру – при високій турбулентності повітря краще перемішується і забруднюючі речовини розсіюються;
-      метеорологічні умови;
-      особливості рельєфу;
-      наявність або відсутність забудови території, на якій знаходиться джерело забруднення;
-      відстань від джерела забруднення.
Враховуючи всі ці фактори розроблені певні математичні моделі для розрахунку забруднення атмосферного повітря. Деякі з них виключають або приймають за сталі значення певних факторів, тим самим спрощуючи модель, але ці спрощення можуть бути дійсними лише для певних заданих умов і моменту часу. Фактори, від яких залежить шукана величина і є обмежуючими факторами.

 

2     Математичне моделювання та прогнозування екосистеми на основі методики ОНД 86

Математичне моделювання та прогнозування стану атмосферного повітря за вмістом забруднюючих речовин у відповідності до методики ОНД  86 є досить простим. Воно дає змогу проводити обчислення як «вручну», так і за допомогою пакетів прикладних програм, що автоматизують розрахунок. Розрахунок проводиться в програмному середовищі Mathcad, яке дозволяє автоматизовано проводити обчислення та виводити графіки залежностей концентрації забруднюючих речовин в повітрі від відстані до джерела здійснення викиду [9].

2.1 Розрахунок приземних концентрацій забруднюючих речовин викидів стаціонарних джерел по вісі факелу

2.1.1 Підприємство № 10

Джерело № 10, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такими речовинами, як діоксид нітрогену та пил.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.1, 2.2.

 

Таблиця 2.1 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 10


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №10)

А

200

F

1

Н, м

16,5

М, г/с

NO2

0,0644

пил

0,0794

D, м

0,7

Т1,ºС

110,0

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

85

1

V1,м3/с

0,9

0,5

Таблиця 2.2 – Розраховані значення параметрів джерела викиду


№ підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

10

С1, мг/м3

NO2

0,345

пил

0,426

f

0,0076

1,084

0,028

f0

0,017

m при f<100

1,299

                   n при f<100 

1,446

d

5,75

х1, м

94,869

u1, м/с

1,101

 

2.1.2 Джерело № 11

Джерело № 11, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такою речовиною, як діоксид нітрогену.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.3, 2.4.

Таблиця 2.3 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 11


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №11)

А

200

F

1

Н, м

15,2

М, г/с

NO2

0,0900

D, м

0,8

Т1,ºС

91,9

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

66,9

1

V1,м3/с

0,4

0,5

 

Таблиця 2.4 – Розраховані значення параметрів джерела викиду


№ підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

11

С1, мг/м3

пил

0,888

f

0,013

0,785

0,034

f0

0,032

m при f<100

1,256

                   n при f<100 

1,786

d

4,231

х1, м

64,304

u1, м/с

0,802

2.1.3 Підприємство № 23

Підприємство № 23, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такими речовинами, як оксид карбону, діоксид нітрогену та пил.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.5, 2.6.

 

Таблиця 2.5 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 23


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №23)

А

200

F

1

Н, м

19,6

 

М, г/с

СО

0,0959

NO2

0,0672

пил

0,0583

D, м

1,0

Т1,ºС

124,5

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

99,5

1

V1,м3/с

0,1

0,5

Таблиця 2.6 – Розраховані значення параметрів джерела викиду



підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

 

23

С1, мг/м3

СО

1,246

NO2

0,873

пил

0,758

f

0,0065

0,519

0,033

f0

0,029

m при f<100

1,263

                   n при f<100 

2,169

d

2,788

х1, м

54,644

u1, м/с

0,529

2.2 Розрахунок приземних концентрацій ЗР викидів групи джерел та побудова карти

Розрахунок концентрації забруднюючих речовин в атмосфері без врахування впливу забудови  та побудова карти здійснюється за допомогою програми ОНД-86 для точкових джерел. Метеорологічні характеристики та коефіцієнти, які визначають умови розсіювання забруднюючих речовин в атмосфері міста, представлені в таблиці 2.7 [10].

Таблиця 2.7 – Характеристика району


Параметр

Значення

Коефіцієнт стратифікації атмосфери, А

200

Коефіцієнт впливу рельєфу місцевості, η

1,0

Середня температура навколишнього середовища, °С

 

теплого місяця

25,0

холодного місяця

-3,0

Швидкість вітру V* повторюваність перевищення якого  складає 5%, м/с

5,9

Відповідно за ОНД-86 вибираємо розрахунковий прямокутник 500 м х 500 м з кроком сітки 50 м (таблиця 2.8, 2.9).

Таблиця 2.8 – Параметри розрахункового прямокутника


Довжина, м

Ширина, м

Крок по X, м

Крок по Y, м

500

500

50

50

Таблиця 2.9 – Параметри джерел викиду


Номер джерела викиду 

Висота, м

Діаметр, м

Об’ємна витрата газів, м3/с

Температура газів, °С

Координата X, м

Координата Y, м

1

10

16,5

0,8

0,90000

110,0

230

340

2

11

15,2

0,7

0,40000

91,9

190

365

3

23

19,6

1,0

0,10000

124,5

200

220

Результати розрахунку по речовинам та сумуюча дія забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферне повітря наведені в таблицях 2.10, 2.11, 2.12.
Речовина: 1521 – Оксид карбону
ГДК, мг/м3: 250
Коефіцієнт осідання: 1,0

Таблиця 2.10 – Джерела, які викидають речовину 1521


№ підпр.

Викид, г/с

Сm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

23

0,095900

0,0003

51,4

0,5

Всього джерел, які викидають дану речовину: 1
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,095900
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0003
Середня швидкість вітру, м/с: 0,5
Карта розсіювання забруднюючої речовини (оксид карбону) представлена на рисунку 2.1.


Рисунок 2.1 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (оксид карбону)
Речовина: 0301 – Діоксид нітрогену
ГДК, мг/м3: 0,8500
Коефіцієнт осідання: 1,0

Таблиця 2.11 – Джерела, які викидають речовину 0301


№ підпр.

Викид, г/с

Cm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

10

0,064400

0,0211

102,1

1,1

11

0,090000

0,0687

64,3

0,8

23

0,067200

0,0595

51,4

0,5

Всього джерел, які викидають дану речовину: 3
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,221600
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,1493
Середня швидкість вітру, м/с: 0,7
Карта розсіювання забруднюючої речовини (діоксид нітрогену) представлена на рисунку 2.2.


Рисунок 2.2 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (діоксид нітрогену)

 

Речовина: 10431 – Пил
ГДК, мг/м3: 1,0000
Коефіцієнт осідання: 1,0

Таблиця 2.12 – Джерела, які  викидають пил


Викид, г/с

Cm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

10

0,079400

0,0221

102,1

1,1

23

0,058300

0,0439

51,4

0,5

Всього джерел, які викидають дану речовину: 2
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,137700
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0660
Середня швидкість вітру, м/с: 0,7
Карта розсіювання забруднюючої речовини (пил) представлена на рисунку 2.3, а карта розсіювання сумуючої дії забруднюючих речовин від стаціонарного джерела представлена на рисунку 2.4.


Рисунок 2.3 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (пилу)


Рисунок 2.4 – Карта розсіювання забруднюючих речовин від стаціонарного                   джерела

 

3 Прогнозування концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел

Вихідними значеннями для прогнозування концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі є дані спостережень за один місяць (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1 Дані спостережень за вмістом забруднюючих речовин в атмосферному повітрі


Дата

Концентрація забруднюючої речовини, мг/м3

Дата

Концентрація забруднюючої речовини, мг/м3

01.10.2007

18,86

17.10.2007

39,51

02.10.2007

20,52

18.10.2007

46,89

03.10.2007

38,97

19.10.2007

62,03

04.10.2007

9,91

20.10.2007

72,17

05.10.2007

4

21.10.2007

59,91

06.10.2007

17,62

22.10.2007

84,06

07.10.2007

7,13

23.10.2007

88,86

08.10.2007

34,86

24.10.2007

68,63

09.10.2007

33,48

25.10.2007

99,18

10.10.2007

45,87

26.10.2007

101,56

11.10.2007

39,18

27.10.2007

110,06

12.10.2007

50,32

28.10.2007

97,51

13.10.2007

24,27

29.10.2007

88,14

14.10.2007

39,74

30.10.2007

104,27

15.10.2007

40,78

31.10.2007

111,56

16.10.2007

56,72

 

 

3.1 Побудова регресійних залежностей для прогнозування процесів в екосистемі

Прогнозування концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі здійснюється за допомогою використання різних регресійних залежностей у пакеті MS Excel.
Для прогнозування зміни концентрації забруднюючої речовини в повітрі застосуємо такі залежності як: лінійну, логарифмічну, поліноміальну (2-го, 3-го степеня) та степеневу. Ці залежності у вигляді графіків зображені на рисунках 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 відповідно.

Рисунок 3.1 – Лінійна залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.2 – Логарифмічна залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.3 – Поліномінальна (2-го степеня) залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.4 – Поліномінальна (3-го степеня) залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.5 – Степенева залежність забруднення атмосфери за один місяць
Використання для прогнозування, лінійної, логарифмічної, поліномінальної 2-го порядку та степеневої функцій виявилось недоцільним, оскільки апроксимація цими функціями не дає бажаних результатів і похибка найбільша. Це видно на рисунках 3.1, 3.2, 3.3 та 3.5. Тому найбільш доцільніше для прогнозування використовувати для прогнозування поліномінальну функцію 3-го порядку. Спрогнозована на 4 одиниці вперед поліномінальна (3-го стпеня) залежність забруднення атмосфери зображена на рисунку 3.6.


Рисунок 3.6 – Спрогнозована на 4 одиниці вперед поліномінальна (3-го стпеня) залежність забруднення атмосфери

3.2 Визначення похибок прогнозування

Для того, щоб визначити, яка функція найкраще підходить для апроксимації та екстраполяції вхідних даних необхідно розрахувати похибку прогнозування.
Для цього була використана формула:

                                (3.1)

де  – відносна похибка, %;
  – виміряні значення вхідної величини;
 – дійсні значення вхідної величини.
Після проведення розрахунків з використанням програми Microsoft Office Excel, отримані дані було зведено в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2 – Похибки прогнозування при використанні лінійної, логарифмічної, поліноміальної (2,3 порядків) та степеневої функцій.


Функція

Відносна похибка, %

36,653

24,99

y(x)=a·x2+k·x+b

11,383

0,803

90,536

Отже, як видно з таблиці, в даному випадку найбільш доцільно використовувати поліном 3-го степеня, оскільки він дає найменшу похибку 0,803 % і найбільш точні результати, тому його можна використовувати систематично.
Таким чином, концентрації забруднюючих речовин з 03.10. 2007 по 07.10.2007 року мають приймати значення, наведені в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 – Прогнозовані значення концентрації забруднюючих речовин


Дата

03.10.07

04.10.07

05.10.07

06.10.07

07.10.07

Прогнозовані  концентрації забруднюючих речовин, мг/м3

38,97

9,91

4

17,62

7,13

 

4 Оцінка стану екосистеми за даними моделювання та прогнозування

Як показало моделювання, досліджувана екосистема (атмосферне повітря) знаходиться нормальному стані. Викиди від підприємств 10, 11 та 23 та їхні сумарні викиди не перевищують допустимі норми, а концентрації забруднюючих речовин, що встановилися в приземних шарах повітря не перевищують гранично-допустимих концентрацій (ГДК), встановлених для даних речовин (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1 – Порівняння рівня забруднення атмосферного повітря від викидів стаціонарних джерел з нормами ГДК

 

Джерело викиду

Забруднююча речовина, що викидається

Максимальна концентрація забруднюючих речовини, що встановилась в повітрі, мг/м3

 

ГДК, мг/м3

Підприємство № 10

NO2

0,345

40

пил

0,426

1

Підприємство № 11

NO2

0,888

1

 

Підприємство № 23

СО

1,246

250

NO2

0,873

40

пил

0,758

1

Дані таблиці показують максимальні значення концентрацій забруднюючих речовин, що можуть встановитися в результаті здійснення викидів. В залежності від роду викидів та потужності підприємства, максимальні концентрації встановлюються на певній відстані від джерела викиду.
Забруднення атмосферного повітря NO2 та SO2 можливо зменшити в результаті зміни сировини, палива, технологічного обладнання та його герметизації.
Вивчивши роботу даних підприємств та провівши розрахунки, можна зробити висновок, що найбільш негативний вплив діяльності даних підприємств має місце в результаті викиду токсичних речовин в повітря, незважаючи на дотримання всіх норм і правил.

 

Висновки

В даній роботі було здійснено моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел.
Встановлено джерела забруднення атмосфери та розглянуто шляхи їх усунення. Також здійснено огляд математичних моделей, що описують забруднення атмосферного повітря та методи прогнозування концентрацій забруднюючих речовин.
Охарактеризовано джерел викидів забруднюючих речовин, а семе підприємства №10, №11, №23. За допомогою програмного забезпечення розглянуто вплив даних підприємств на навколишнє природне середовище.
За методикою ОНД-86 було розраховано приземні концентрації забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел та побудовано карти розсіювання забруднюючих речовин від їхніх викидів.
Здійснено прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел за даними спостережень за один місяць. Для цього було визначено похибку прогнозів процесу, а потім вибрано найоптимальнішу модель для прогнозування.
Отже, було проведено оцінку стану атмосферного повітря.

 

Література

1. ІІ-й всеукраїнський з'їзд екологів з міжнародною участю. Збірник наукових статей. – Вінниця, 23-26 вересня 2009 року. – Вінниця: ФОП Данилюк, 2009. – 603 с.
2. Мудрак О. В. Основи екології. – Вінниця, 2004. – 312 с.
3. Михеев А.В. и др. Охрана природы. – Москва: Просвещение, 1987. – C.57-77.
4. Загальна гігієна з основами екології. Підручник. – К., 2003.
5. Злобін Ю.А. Основи екології.- К.: Лібра, 1998. – 249.
6. Корсак К.В., Плахотнік О.В. Основи екології, - К.: МАУП, 2000. – 238 с
7. Безпека життєдіяльності. Підручник. – К., 2001.
8. Лаврик В.І. Методи математичного моделювання в екології. –К.: Фітосоціоцентр, 1998.–С.3–18.
9. Монин А.С., Шишков Н.А. Глобальные экологические проблемы. Серия: Науки о Земле. М.: Знание, №6, 1991. – 136 с.
10. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города: Учеб. пособие – Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1998. –  109 с.

 

Скачати

Види навчальних матеріалів: 
Оцінка: 
0
No votes yet