Вдосконалення структурної моделі розсіювання шкідливих викидів в атмосфері

Щорічно в повітряний басейн міста з викидами промислових підприємств і транспорту надходять сотні, а іноді й тисячі тонн різних шкідливих речовин. Залежно від кількісної і якісної сполуки промислових викидів, їхньої періодичності, висоти, на якій вони здійснюються, а також від кліматичних умов, що визначають перенос, розсіювання викидів і багатьох інших факторів формується рівень забруднення атмосфери.

Щоб поліпшити якість повітря міст, необхідно не тільки знати конкретні причини забруднення в кожному місті і районі, але й уміти адекватно оцінювати поточне забруднення навколишнього середовища. Для цього необхідно проводити розрахунок концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що містяться у викидах підприємств.

Стрімкий розвиток інформаційних технологій, що використовують персональні комп'ютери, глобальні мережі передачі даних, геоінформаційні системи й багато чого іншого, створює можливість для програмної реалізації математично складних моделей і методів, у тому числі моделей поширення шкідливих викидів в атмосфері.

Нами розроблена структурна модель поширення шкідливих речовин від одиничних джерел у атмосфері.

Структурна модель може використовуватися для розробки автоматизованої технології, яка буде розраховувати поширення шкідливих викидів що визначає актуальність даної роботи.

Аналіз аналогів

Останнім часом в Україні одержали поширення кілька комп'ютерних програм моделювання поширення шкідливих викидів, які використовуються для оцінки впливу на навколишнє середовище. Найбільш розвиненою, досконалою і багатофункціональною є уніфікована програма розрахунку забруднення атмосфери «ЕКОЛОГ» (ТОВ «Інтеграл»). Програми серії "Еколог" дозволяють вирішити величезний спектр завдань в галузі охорони атмосферного повітря - розрахунок величин викидів забруднюючих речовин, прогнозування наслідків аварій на підприємствах із зберігання сильнодіючих отруйних речовин, випуск природоохоронної документації і т. п., але через відсутність виводу результатів обчислень з поясненнями виникають певні труднощі при використанні цієї програми.

Дотепер немає скільки-небудь загальноприйнятої моделі поширення домішок в атмосфері. Це об'єктивно обумовлено складністю й розмаїтістю процесів обробки інформації, а також суб'єктивними факторами.

Головною визначальною ознакою моделей поширення домішок в атмосфері є їх емпіричний або теоретичний характер[1]. Строго кажучи, в усіх моделях присутні обидва початки, але в одних - це найпростіші й не занадто обґрунтовані міркування при ретельному досягненні відповідності експериментальним даним, а в інших - фундаментальні рівняння теорії дифузії в турбулентних середовищах зі складним математичним апаратом і величезним об'ємом обчислень на ЕОМ.

Другою ознакою для класифікації є багатство фізичних процесів, що враховуються в моделі. В емпіричних моделях найчастіше фізика процесів майже не враховується або сильно спотворюється.

Для завдань екології важливу роль грає також облік хімічних перетворень речовин у процесі поширення, зокрема моделі фотохімічного смогу. Для прогнозу необхідно явно розділити модель повітряних плинів поблизу місця викиду шкідливих речовин й модель поширення домішок.

Третьою ознакою для класифікації є тип використовуваного математичного апарата. Значною мірою він пов'язаний з першою ознакою й ще більш безпосередньо - із другою. Емпіричні моделі використовують явні формули, які при реалізації на ЕОМ не викликають ніяких труднощів, трудомістким є тільки введення й виведення інформації.

Розроблена нами візуальна математична модель розсіювання шкідливих викидів в атмосфері базується на «Методиці розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин ОНД-86»[2]. Дана методика є єдиною прийнятою на державному рівні в Україні. Модель застосовується для аналізу квазістаціонарних процесів, коли характерні часи викидів токсичних речовин перевищують характерні часи переміщення повітряних мас в області простору що досліджується. Дана модель є емпіричною й дозволяє розрахувати сталий розподіл концентрацій шкідливих речовин при максимально несприятливому стані атмосфери. На рисунку 1 відображена загальна структура моделі поширення домішок в атмосфері.

На схемі використані такі позначення: А - коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери, приймається для розташованих на Україні джерел висотою менше 200 м в зоні від 50° до 52° південної широти – 180, а південніше 50° південної широти – 200;

М (г/с) - маса шкідливої речовини, що викидається в атмосферу в одиницю часу;
F - безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі (для газів F = 1, для пилу при ефективності очищен-ня ви­кидів не менше  90%  F= 2,5 і менше 75% чи при відсутності очищення  F = 3);
т, n - коефіцієнти. враховуючі умови виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду;
H (м) - висота джерела викиду над рівнем землі (для наземних джерел приймається Н=2 м);
h - безрозмірний коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості;  у випадку рівної чи слабопересіченої місцевості з пере­падом висот, що не перевищу­ють 50 м на 1 км, η = 1;
DТ (°З) - різницю між температурою що викидається газоповітряної суміші Тг і температурою навколишнього атмосферного повітря Тв;
V1 (м3/с) - витрата газоповітряної суміші, м3/с.
Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини Cmu (мг/м3) при несприятливих метеорологічних умовах і швидкості вітру U (м/с), що відрізняється від небезпечної швидкості вітру Uм (м/с), визначається по формулі:

Cmu = r Cm,[мг/м3]                                                                                  (1)

де r — безрозмірна величина, обумовлена залежно від відношення U/Uм по формулам[2]:

а)                                                                                                           (2)

Рис. 1. Структурна модель розсіювання шкідливих викидів в атмосфері

б)>1;                                                                                                                        (3)

Відстань від джерела викиду хми [м], на якому при швидкості вітру U і несприятливих метеорологічних умовах приземна концентрація шкідливих речовин досягає максимального значення Cmu (мг/м3), при U ≠ Um визначається по формулі [2]:

Xmu = pXm                                                                                                                                         (4)

де р — безрозмірний коефіцієнт, обумовлений залежно від відношення U/Uм по формулам [2]:

а) ≤0,25;                                                                                                                                (5)

б) 0,25<≤1;                                                                                  (6)

в)>1;                                                                                                                      (7)

Значення приземної концентрації шкідливих речовин в атмосфері Су (мг/м3) на відстані y (м) по перпендикулярі до осі факела викиду визначається по формулам[2]:

Cхy = S2 Cхm,  мг /м3,           при U = Um                                                                                                              (8)

Cхyu = S2 Cхmu,  мг /м3,        при U ≠ Um                                                                                                              (9)

де S2 — безрозмірний коефіцієнт, обумовлений залежно від швидкості вітру U (м/с).
Приземна концентрація забруднювача Сy на відстані y перпендикулярно до осі факела Cхmu, Cхm   – концентрація вздовж осі факела:

                                                                            (10)

        при U ≤ 5 м/с,                                                                    (11)

             при U  5 м/с;                                                                  (12)

Розподіл концентрації забруднювача  СZ  по  висоті  Z  над поверхнею:

Cz = Cmu S2 Sz,                                                                      (13)

Cmu – максимальне значення приземної концентрації при U ≠ Um ;

при >1,                                                                                                        (14)

Реалізація цієї моделі на ЕОМ досить проста й час розрахунків по ній знехтувано малі в порівнянні з введенням і висновком інформації. З появою нових відомостей для конкретної місцевості модель нескладно поповнювати.
Програмне забезпечення має наступні характеристики й відмінні риси:

• вихідний код програми розбитий на окремі модулі, що створює певну структуру й здатність, якщо буде потреба, внести зміни в певний модуль, не змінюючи при цьому весь код програми;
• інтуїтивно зрозумілий користувальницький інтерфейс;
• наявність контекстного меню й спливаючих «підказок», що полегшують роботу користувача;
• у процесі розробки враховані вимоги й побажання користувачів аналогічних програмних продуктів;
• база даних має оптимальну структуру для економії простору жорсткого диска.
• прив’язка моделей розсіяння до географічних координат місцевості.

Висновки

Розроблена модель розсіювання шкідливих викидів в атмосфері на території в радіусі до 30 км, в основу якої покладена методика ОНД-86. За результатами розрахунку формується звіт - таблиця з величинами концентрації або  часток ПДК. Крім таблиць, звіти містять повний набір введених вихідних даних, а також зведену інформація з розрахунку. Передбачена також можливість графічного відображення результатів розрахунку викидів. Та прив’язка карти розсіяння до систем навігації.

Представлені матеріали отримані при виконанні досліджень в рамках угоди про співробітництво між кафедрою НАЕПС та фірмою Impex HighTech GmbH (Німеччина).

Список літератури

1. Замуч С.С. Моделі оцінки й прогнозу забруднення атмосфери промисловими викидами в інформаційно-аналітичній системі природоохоронних служб великого міста: Учеб. посібник / С.С. Замуч, О.Э. Якубайлик - Красноярськ, 1998;
2. Методика розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що втримуються у викидах підприємств. ОНД-86, Л, Гидрометеоиздат, 1987.

УДК 621.307.13
Старченков І. В. Вдосконалення структурної моделі розсіювання шкідливих викидів в атмосфері [Електронний ресурс]  / [Старченков І. В., Карпінський О. Ю.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.539–543. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf: