Хмельницький нацiональний унiверситет 
 Моделювання i прогнозування стану довкiлля
Лабораторна робота: Створення програми прогнозу забруднення одним джерелом на алгоритмічних мовах програмування

Теоретичні відомості

Аналіз розсіювання в атмосфері шкідливих речовин нагрітих промислових викидів є одним з основних завдань екологічної служби підприємства. Для оцінки заходів для захисту атмосфери проводять порівняння очікуваних приземних концентрацій шкідливих речовин в повітрі (у шарі заввишки до двох метрів) з їх гранично допустимою концентрацією (ГДК). При цьому концентрація шкідливих речовин не повинна перевищувати ГДК.

Основним документом, що регламентує розрахунок розсіювання і визначення приземних концентрацій викидів промислових підприємств, є «Методика розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, що містяться у викидах підприємств. ОНД-86».

Гранично допустима концентрація (ГДК)– така кількість шкідливої речовини в одиниці об’єму (в мг на 1 м3повітря, 1 л рідини чи 1 кг твердої речовини) окремих компонентів біосфери, періодичний чи постійний, цілодобовий вплив якої на організм людини, тварин і рослин не викликає відхилень у нормальному їх функціонуванні протягом усього життя нинішнього та майбутніх поколінь.

Максимально разова концентрація (ГДКмр)– це найвище значення забруднюючих речовин у повітрі (мг/м3), отримане завдяки аналізу багаторазово відібраних проб; встановлюється для відвернення рефлекторних реакцій у людини через подразнення органів дихання за короткочасного впливу (до 20 хв.) атмосферних забруднень. Поняття ГДКмр використовується при встановленні науково-технічних нормативів обсягів викидів (гранично допустимих викидів – ГДВ) забруднюючих речовин. В результаті розсіювання шкідливих домішок у повітрі на межі санітарно-захисної зони підприємства концентрація шкідливої речовини в будь-який момент часу не повинна перевищувати ГДКмр.

Рівень небезпеки забруднення атмосферного повітря викидами промислових підприємств визначається за максимальною розрахованою величиною приземної концентрації шкідливих речовин m, мг/м³), яка може встановлюватись на деякій відстані від джерела викиду (Х, м) і відповідає найбільш несприятливим метеорологічним умовам (НМУ), тобто коли швидкість повітря досягає небезпечного значення.

Максимальна концентрація домішок у приземному шарі атмосфери прямо пропорційна продуктивності джерела (масі шкідливих речовин, які викидаються за одиницю часу) і обернено пропорційна квадрату його висоти над землею. Концентрація забруднень у повітрі біля земної поверхні, обумовлена викидами промислових підприємств, не є постійною в часі та змінюється залежно від метеорологічних умов, рельєфу місцевості, характеру викиду (температури газоповітряної суміші (ГПС), висоти джерела викиду, витрати ГПС).

У промислових викидах з низьких джерел (заводських труб) найбільше забруднення спостерігається при слабких вітрах в межах 0...1 м/с. У викидах з високих джерел максимальні концентрації забруднення спостерігаються при швидкостях вітру в межах 3...6 м/с залежно від швидкості виходу газоповітряної суміші з отвору джерела.

Для того щоб концентрація шкідливих речовин в приземному шарі атмосфери не перевищувала гранично допустиму максимальну разову концентрацію, викиди ГПС піддаються розсіюванню в атмосфері через високі труби. Технологічні гази і вентиляційне повітря після виходу з труб або вентиляційних отворів, підкоряються законам турбулентної дифузії. На рис. 1 показаний розподіл концентрації шкідливих речовин в атмосфері під факелом організованого високого джерела викиду.

Рисунок 1 – Схема розподіл концентрації шкідливих речовин в атмосфері під факелом організованого високого джерела викиду

У міру видалення від труби у напрямі поширення промислових викидів можна умовно виділити три зони забруднення атмосфери :

1) зона перекиду факела викиду, яка характеризується відносно невисоким вмістом шкідливих речовин в приземному шарі;

2) зона задимлення із максимальним вмістом шкідливих речовин в приземному шарі атмосфери;

3) зона поступового зниження рівня забруднення.

Зона задимлення найбільш небезпечна для населення і має бути виключена із селітебної забудови. Розміри цієї зони залежно від метеорологічних умов знаходяться в межах 10..40 висот труби.

Залежно від розташування та організації викидів джерела забруднення повітряного простору підрозділяють на затінені і незатінені, лінійні і точкові. Точкові джерела використовують тоді, коли забруднення, що видаляються, зосереджені в одному місці (викидні труби, шахти, дахові вентилятори тощо). Шкідливі речовини, що виділяються з них, при розсіюванні не накладаються одне на одне на відстані двох висот будівлі Нб (із завітреного боку). Лінійні джерела мають значну протяжність у напрямі, перпендикулярному до вітру (аераційні ліхтарі, відкриті вікна, близько розташовані витяжні шахти дахові вентилятори). Незатінені, або високі джерела вільно розташовані у недеформованому потоці вітру (високі труби, а також точкові джерела, що видаляють забруднення на висоту, що перевищує 2,5 Нб). Затінені, або низькі джерела розташовані в зоні підпору або аеродинамічної тіні, що утворюється на будівлі або за нею (в результаті обдування її вітром) на висоті h < 2,5 Нб. В залежності від висоти (Н) джерела викиду забруднюючих речовин поділяють на чотири види: високі джерела (Н =50 м); середні (Н = 10…50 м); низькі (Н = 2…10 м); наземні (Н =2 м).

Рельєф місцевості відіграє велику роль при розсіюванні шкідливих викидів. Навіть при наявності на місцевості порівняно невисоких підвищень вони суттєво змінюють мікроклімат та характер розсіювання забруднюючих речовин. На пересічній місцевості розповсюдження шкідливих домішок носить нерівномірний характер і в понижених місцях утворюються зони, які погано провітрюються, в них значно вища концентрація шкідливих речовин.

Метеорологічні умови мають суттєвий вплив на переміщення і розсіювання природних мас в атмосфері. Найбільший вплив здійснюють режим вітру і температури (температурна стратифікація), сонячна радіація.

Напрямок та сила вітрових потоків може по різному впливати на процес розсіювання домішок в залежності від типу джерела і характеристики викидів. Якщо вихідні гази перегріті відносно навколишнього повітря, то вони наділенні початковою висотою підйому. В зв’язку з цим поблизу джерела створюється поле вертикальних швидкостей, які сприяють підніманню факелу і переносу домішок вверх. Це підняття обумовлює зменшення концентрації домішок при землі. Концентрація зменшується і при дуже сильних вітрах, однак це відбувається за рахунок швидкого переносу домішок у горизонтальному напрямку. У результаті найбільші концентрації домішок у приземному шарі формуються при деякій швидкості, що називають «небезпечною».

Якщо температура навколишнього повітря знижується з висотою, нагріті струмені повітря піднімаються нагору (конвекція), а холодні опускаються. Такі умови називаються конвективними.

Якщо вертикальний градієнт температури буде негативним (температура зростає з висотою), то потік, що піднімається вертикально стає холоднішим від навколишніх мас і його рух згасає. Такі умови називаються інверсійними. В інверсійних умовах ослаблюється турбулентний потік, який призводить до погіршення розсіювання промислових викидів і накопичення шкідливих речовин в приземному шарі.

Сонячна радіація обумовлює фотохімічні реакції в атмосфері з утворенням різних вторинних продуктів, що володіють часто більш токсичними властивостями, ніж речовини, що надходять від джерел викидів.

Розрахунок забруднення атмосфери викидами одиночного джерела

Максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини с (мг/м) при викиді газоповітряної суміші (ГПС) з одиночного точкового джерела з круглим перерізом жерла досягається за несприятливих метеорологічних умов на відстані (м) від джерела і визначається за формулою:

, (1.2.1)

де А – коефіцієнт, який залежить від температурної стратифікації атмосфери (для України приймається таким, що дорівнює 200);

М (г/с) – маса шкідливої речовини, яка викидається в атмосферу за одиницю часу;

F – безрозмірний коефіцієнт, який враховує швидкість осідання шкідливих речовин в атмосферному повітрі;

m i n - коефіцієнти, які враховують умови виходу газоповітряної суміші з жерла джерела викиду;

Н (м) – висота джерела викиду над рівнем землі (для наземних джерел при розрахунках приймається Н = 2 м);

- безрозмірний коефіцієнт, який враховує вплив рельєфу місцевості, у разі рівної чи слабо пересіченої місцевості з перепадом висот не перевищуючих 50 м на 1 км, =1;

Т (С) - різниця між температурою яка викидається газоповітряної суміші і температурою навколишнього атмосферного повітря ;

V/с) - витрата газоповітряної суміші, яка визначається за формулою:

, (1.2.2)

де D (м) – діаметр жерла джерела викиду;

(м/с) – середня швидкість виходу газоповітряної суміші з жерла джерела викиду.

Значення коефіцієнта А, що відповідає несприятливим метеорологічним умовам, при яких концентрація шкідливих речовин в атмосферному повітрі максимальна, приймається рівною 200.

Значення коефіцієнтів m і n визначаються в залежності від параметрів f, , i f :

, (1.2.3)

, (1.2.4)

, (1.2.5)

. (1.2.6)

Коефіцієнт m визначається в залежності від f за формулами:

при f < 100, (1.2.7а)

при f 100. (1.2.7б)

Коефіцієнт n при f < 100 визначається в залежності від за формулами:

n = 1 при 2, (1.2.8а)

n = 0,532- 2,31 +3,31 при 0,5<2, (1.2.8б)

n = 4,4 при <0,5. (1.2.8в)

Продовжити виконання лабораторної роботи