Анализ процессов и явлений при распространении газовых выбросов в атмосфере

После того, как загрязнения попадают в воздух, характер их перемещения и дисперсии определяются их собственными физическими свойствами и свойствами атмосферы, где они находятся. Для того, чтобы наглядно показать характер поведения выбрасываемых загрязнений, необходимо рассмотреть поведение потока загрязнений в целом после его попадания в атмосферу (см. рис. 5.2.1). Выбросы проникают в атмосферу с определенной скоростью и температурой, которые обычно отличаются от соответствующих характеристик ОПС. Движение выбросов имеет вертикальную составляющую, обусловленную начальной вертикальной скоростью потока и разницей температур, до тех пор, пока не исчезнет воздействие этих факторов. Этот вертикальный подъем выбросов называют подъемом шлейфа. Он приводит к изменению эффективной высоты Н точки выброса. На путь распространения выброса воздействуют также изменения потоков вблизи таких препятствий, как здания и сооружения.

Движение потока под действием ветра в течение и после подъема шлейфа называется переносом. Турбулентное движение атмосферы вызывает произвольное движение выброса, приводящее к его распространению в горизонтальном и вертикальном направлениях за счет смещения с воздухом. Этот процесс называется атмосферной диффузией.

Поведение выбрасываемых загрязнений в атмосфере

Рис. 5.2.1. Поведение выбрасываемых загрязнений в атмосфере

Комбинация переноса и диффузии называется атмосферной дисперсией. Модели, описывающие эти процессы, называют моделями атмосферного переноса диффузии, или моделями атмосферной дисперсии.

Выбросы на стадии подъема шлейфа, переноса и диффузии могут также испытывать воздействие таких процессов, как:

  • 1) химическое превращение примесей;
  • 2) радиоактивный распад и накопление дочерних продуктов;
  • 3) влажное осаждение:
    • - дождь или снег (пар или аэрозоль попадают в капли воды или снежинки)
    • - вымывание (пар или аэрозоль захватываются ниже дождевого облака падающими осадками);
    • - туман (пар или аэрозоль попадают в капли воды в тумане);
  • 4) сухое осаждение:
    • - седиментация аэрозолей или гравитационное осаждение (для частиц с диаметром более 10 мкм);
    • - отложение аэрозолей и адсорбция паров и газов на предметах, находящихся на пути ветра;
  • 5) образование и слипание аэрозолей.

Большую часть этих явлений и эффектов можно описать математически и при необходимости включить в математические модели. Отметим, что строгих указаний на эти модели в тестированных (имеющих официальный государственный статус) методиках нет. Это фактически означает, что разработчики должны исходить из конкретной ситуации, используя адекватные ей модели.

Существует множество факторов, которые влияют на размер и на форму зон опасности, возникающих вследствие выброса паров и газов в атмосферу. Для иллюстрации явлений, происходящих с облаком при рассеянии в атмосфере, использует некоторые рисунки и графики. На рис. 5.2.2 показаны четыре первые стадии движения облака по направлению ветра. В нулевой момент времени формируется мгновенное облако, концентрация пара в котором близка к 100 %-ной концентрации чистого пара, а воздух вокруг облака еще не загрязнен.

В момент времени 20 (рис. 5.2.2) облако вырастает в размере за счет смешивания с воздухом, а та его часть, где концентрация пара все еще 100 %, становится меньше. Концентрация пара в промежутке изменяется от 100 % у границы с ядром до 0 у границы облака. К моменту времени 40 ядро 100 % пара становится еще меньше, а к моменту 80 исчезает вообще.

Начиная с этого момента, пик, или максимальная приземная концентрация, будет становиться ниже 100 % и будет уменьшаться. В нижней части рисунка показана ранее приведенная последовательность событий в виде сведенных в одну диаграмму графиков. На рис. 5.2.3 показано сечение концентрации газа в облаке по времени. Облако становится все более и более протяженным, а пик концентрации, точка в его центре, все ниже и ниже. В какой-то точке пиковая концентрация газа или пара станет меньше опасного уровня, какое бы значение концентрации для него не определялось.

Начальные стадии рассеяния облаков газа в атмосфере

Рис. 5.2.2. Начальные стадии рассеяния облаков газа в атмосфере

Сечения концентрации в облаке по времени

Рис. 5.2.3. Сечения концентрации в облаке по времени

Если попытаться изобразить на рисунке зависимость пиковой приземной концентрации в центре облака от времени или расстояния, то получим кривую, похожую на изображенную на рис. 5.2.4. Эти рисунки показывают, как изменяется площадь от момента, когда облако только что образовалось, до момента, когда в каждой точке облака концентрация становится ниже выбранных значений предельных концентраций.

Максимальная концентрация в воздухе

Рис. 5.2.4. Максимальная концентрация в воздухе

по времени или расстоянию

На рис. 5.2.5 и 5.2.6 приведены изоплеты концентраций в различные моменты времени шлейфа газа или пара для мгновенного и постоянного источника.

Изоплеты в непрерывных шлейфах

Рис. 5.2.5. Изоплеты в непрерывных шлейфах: все окружности - это изоплеты одной и той же концентрации в различные моменты времени

Изоплеты в непрерывных шлейфах

Рис. 5.2.6. Изоплеты в непрерывных шлейфах: большие овалы представляют собой изоплеты низких концентраций

Рассмотрим различные условия, влияющие на дисперсию газов и паров в атмосфере

Влияние уровня и количества выброса. Как в случае мгновенных, так и непрерывных выбросов, размеры зон опасности будут больше и по длине и по ширине, когда выбрасывается большее количество вещества. Особенно важны размеры площади испарения, когда пар или газ, кипя или просто испаряясь, попадают в атмосферу из лужи разлития. Из небольшой лужи будет испаряться небольшое количество вещества - из больших луж будет более высокий уровень выброса, а следовательно, они будут приводить к более высокой опасности.

Влияние факторов стабильности атмосферы. Время дня, солнечное освещение в местности, степень облачного покрытия и сила ветра играют главную роль в определении уровня дисперсности атмосферы и, таким образом, на величину расстояний возможных зон опасности. Обычно метеорологи различают главным образом шесть классов стабильности атмосферы (табл. 5.2.1).

Таблица 5.2.1. Таблица определения классов стабильности атмосферы

Скорость ветра около

поверхности,

м/с

Дневные погодные условия

Ночные погодные условия

Сила солнечного света

Пасмурность (коэффициент облачности)

сильная

умеренная

слабая

>4/8

<3/8

Менее 4,5

А

А-В

В

_

_

4,5-6,7

А-В

В

С

Е

F

6,7-11,2

В

В-С

С

D

Е

11,2-13,4

С

C-D

D

D

D

Более 13,4

С

D

D

D

D

Примечание. А - исключительно нестабильные условия; В - умеренно нестабильные условия; С - незначительно нестабильные условия; D - нейтральные условия; Е - незначительно стабильные условия; F - умеренно стабильные условия.

Влияние плавучести газов и паров на их дисперсию. Выброшенные в атмосферу газы или пары могут быть как тяжелее, так и легче воздуха. В общем, более легкие, чем воздух, газы, пары или смеси будут смешиваться с воздухом таким же образом, как газы, близкие по плотности к воздуху. Приземные концентрации, вероятно, должны быть ниже, так как точка с максимальной концентрацией вдоль линии распространения облака будет подниматься. Скорость поднятия такого облака является функцией разности плотностей между газом и воздухом и скорости ветра. Сильный ветер будет стремиться удержать облако у поверхности земли более длительное время. На рис. 5.2.7 эта идея проиллюстрирована для отдельных облаков, но то же самое применимо и к шлейфам.

Более тяжелые, чем воздух, газы будут стремиться опуститься на землю и могут при определенных условиях растекаться по поверхности местности даже поперек или против направления ветра. Однако по мере того, как эти пары разбавляются воздухом, в некоторое время они начинают вести себя как газы, близкие по плотности к воздуху. Таким образом, рассмотрение дисперсии тяжелых газов или паров более важно для высоких концентраций вблизи источника, чем для низких концентраций, которые находятся на уровне ПДК токсических веществ.

Поведение облаков газа с меньшей плотностью, чем у воздуха

Рис. 5.2.7. Поведение облаков газа с меньшей плотностью, чем у воздуха

Влияние высоты выброса на дисперсию газов и паров. Некоторые выбросы осуществляются через трубы, выхлопные клапаны и т.п. Хотя в этом случае все другие принципы распространения применимы в такой же степени, приземная концентрация может значительно отличаться от таковой в случае источников у поверхности земли. Рис. 5.2.8. поясняет причины этого различия. Наиболее важно, что точка максимальной концентрации будет находиться на центральной линии распространения облака или шлейфа по направлению ветра. Если пар или газ легче воздуха, появление загрязнителя вблизи поверхности будет сильно зависеть от скорости ветра. Как показано на рис. 5.2.8., облако или шлейф могут подниматься быстро, медленно или не подниматься вообще, в зависимости от скорости ветра и скорости самого выброса в воздух.

Некоторые эффекты от высотных выбросов

Рис. 5.2.8. Некоторые эффекты от высотных выбросов

Влияние физического состояния загрязнителя на дисперсию облака. Важно также знать, что, помимо паров и газов, ветром вдоль его направления могут распространяться дымы, туманы, аэрозоли, а также тонкие пыли и порошки. Некоторые выбросы содержат смеси химических паров, аэрозолей и пыли. Большие по размерам и по массе капельки жидкости и твердые частицы могут «выпадать» из облаков и шлейфов на поверхность земли вблизи их источников. Мелкие же частицы проходят такие же расстояния, как и сами пары и газы

Капли летучих жидкостей могут испаряться как во время переноса ветром, так и после выпадения на поверхность земли. Они могут также заставить облако или шлейф вести себя так, как будто он тяжелее воздуха, в то время как в чисто газообразном виде они были бы легче воздуха и нейтрально плавучими. Все эти явления влияют на околоземную концентрацию загрязняющего газа, в общем приводя к последствиям сверх тех, что были предсказаны в отсутствие туманов, дымов, аэрозолей или пыли.

Влияние высокой скорости выброса на дисперсию. Пар или газ может выбрасываться в атмосферу и в виде струи под высоким давлением. Сильная струя пара или газа сначала вызывает быстрое перемешивание, приводя, таким образом, к уменьшению концентрации опасного газа или вещества. Однако далее, когда облака или шлейфы движутся по направлению ветра, это становится менее значимым.

Эти наблюдения иллюстрирует рис. 5.2.9. Практическая значимость данных наблюдений состоит в том, что определение зоны, где необходимы защитные действия в первые часы после выброса газа, основано на определении указанных выше секторов, а не на ширине выбранных изоплет концентраций.

Границы зон опасности при рассеянии пара

Рис. 5.2.9. Границы зон опасности при рассеянии пара

Влияние поверхности местности на дисперсию. Реально поверхность, на которой происходит рассеяние газа, в различных местностях не является ровной. Такие топографические особенности влияют на то, как распространяется газ или пар. В большинстве случаев степень «бугристости» способствует ускорению смешения газа с воздухом и рассеянию.

Влияние изменений в направлении ветра на масштабы загрязнения. На- правление ветра редко остается постоянным в период выброса: оно может меняться неоднократно. Такие изменения в направлении ветра называют блужданием. Практическая значимость учета этого явления состоит в том, что зоны, в которых необходимы защитные действия, оказываются больше, чем те, что предсказываются применением методов оценки дисперсии, и при аварии это может потребовать дополнительных мер по защите населения.

Установлено, что облака или шлейфы с 90 %-ной вероятностью не выходят за границы сектора 120° в условиях стабильности атмосферы А, В, С. Для более стабильных условий сектор сужается до угла 40°.

При математическом моделировании атмосферной дисперсии стабильность атмосферы необходимо выразить в следующих метеорологических параметрах или как их функцию переменных, перечень которых и пояснения к нему приведены ниже.

Вертикальный градиент температуры. Вертикальный градиент температуры является показателем скорости понижения температуры окружающей атмосферы в зависимости от высоты. Он равен

где Т - температура в градусах Кельвина,

z - высота над поверхностью земли.

Колебания направления ветра. Масштабы и периодичность колебаний направления ветра являются функциями интенсивности турбулентности (размера вихрей и т.д.). Поэтому на практике этот параметр используют для описания стабильности атмосферы. Среднее квадратичное отклонение колебаний направления ветра определяют с помощью электронной аппаратуры. Эти колебания могут быть обнаружены также в записях о направлении ветра, которые имеют различную ширину графических кривых для различных условий стабильности.

Инсоляция, облачность и скорость ветра. Тепловая турбулентность связана с тепловым потоком. Облачный покров уменьшает или увеличивает потери тепла, способствуя образованию нейтральной устойчивости. Сильные ветры, вызывающие усиленное перемешивание, также способствуют образованию нейтральной устойчивости. Ночью при ясном небе и слабом ветре атмосфера становится устойчивой, в то время как аналогичные условия в дневное время приводят к неустойчивости атмосферы. В дневное время целесообразно проводить измерения или оценки солнечной радиации для определения классов устойчивости, в ночных условиях можно использовать радиометры полного излучения; использование радиометров полного излучения может оказаться предпочтительным и в дневное время, когда коэффициент альбедо коротких волн имеет большую величину.

Число Ричардсона - Ri выражает соотношение тепловой, или конвективной, турбулентности и механической турбулентности. Оно зависит от высоты и является безразмерным параметром, определяемым формулой:

где g - ускорение силы тяжести (мс2);

Т - температура (К);

Г - адиабатический вертикальный градиент (К/м);

U - средняя скорость ветра (мс);

z - высота над уровнем земли (м).

Число Ричардсона (5.2.2) является одним из основных параметров, учитываемых в ряде экспериментов по атмосферной дисперсии. Однако, как правило, для измерения dU/3z требуется точная и чувствительная аппаратура, поэтому расчет Ri общепринятым методом может оказаться затруднительным.

Объемное число Ричардсона Rig, определяется по формуле:

где Uz - скорость ветра на среднегеометрической точке высот, на которых замерялась температура для получения температурного профиля. Параметр RiB измеряется проще, чем Ri, поскольку для его определения не требуется знания градиентов скорости ветра. На практике Uz можно определить с помощью анемометра, установленного на метеорологической башне.

При расчетах атмосферной дисперсии загрязнений различные источники обычно классифицируют по их пространственной конфигурации и продолжительности выброса. К представляющим интерес пространственным конфигурациям источников относятся точечные, линейные, поверхностные и объемные. Линейные и поверхностные источники можно рассматривать как определенный набор эффективных точечных источников. На практике источники выбросов не являются точечными источниками в строгом смысле этого слова, но для упрощения математического описания их можно считать таковыми.

В зависимости от временной продолжительности выбросы могут быть: быстротечными (длительностью от нескольких секунд до нескольких минут при времени перемещения, равном нескольким часам), краткосрочными (длительностью до нескольких часов) и непрерывными.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >