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/