Метод оценки антропогенного загрязнения атмосферы крупных промышленных городов

Э.М. Соколов, А.А. Горюнкова, Ю.Н. Пушилина, Н.А. Телегина, О.А. Дабдина
ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»,
г. Тула


Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П619 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по теме «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.

Для учета экологических параметров при управлении технологическим процессом на производстве, необходимо получать достоверную информацию о значении концентрации выбросов в атмосферу и ее влиянии на здоровье людей, проживающих в непосредственной близости с предприятием.

Достоверность оценки параметров загрязнения окружающей среды напрямую зависит от расположения датчиков. При расположении датчиков важно не допустить как потерю информации, так и завышение концентрации вредных веществ. Такие ситуации возможны в случаях неправильного расположения постов производящих замеры. Для определения точек, в которых на которых необходимо размещать посты наблюдения предлагается следующий метод:

1. На первом этапе необходимо определить значение максимальной приземной концентрации по формуле, предложенной в методике [1]:

(1.1)

где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М (г/с) – масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; R – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; т и n – коэффициенты. учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса; H (м) – высота источника выброса над уровнем земли; h – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; (°С) – разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв; V13/с) – расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле:

(1.2)

где D (м) – диаметр устья источника выброса; w0 (м/с) – средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.

Максимальное значение концентрации необходимо найти для минимальной и максимальной производственных мощностях, то есть учесть условия:

и (1.3)

2. Необходимо определить расстояния, на которых достигается максимальное значение концентрации для условий (1.3). Для этого необходимо воспользоваться выражением (14) из методики ОНД-86 [2]:

(1.4)

где R – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ; H – высота источника выброса над уровнем земли, d – безразмерный коэффициент, учитывающий объем и скорость выхода вещества (рис. 1).

Из рисунка видно, что при различных производственных условиях расстояние от источника до точек, в которых концентрация достигает максимума, будет меняться в пределах между и .

Рис. 1. Зависимость концентрации вредных веществ от расстояния до источника

3. Затем, необходимо определить расстояния, на котором достигается значение ПДК (cПДК). Так как вещества, значения концентраций которых меньшие ПДК не воздействуют на здоровье человека и производить замеры в таких точках не эффективно.

При опасной скорости ветра uм приземная концентрация вредных веществ с (мг/м3) в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях х (м) от источника выброса определяется по формуле:

с = s1 cм (1.5)

где s1 ­– безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения x/xм и коэффициента R.

Приняв, получится выражение

(1.6)

После чего, в зависимости отношения x/xм необходимо будет решить следующие уравнения:

(1.7)

(1.8)

(1.9)

. (1.10)

Найти решения данных уравнений можно с помощью численных методов, а именно методом Ньютона. Получив значение l= , определяться координаты двух точек на оси ОХ, на которых достигаются значения большие ПДК.

4. После определения и , необходимо, используя методику из предыдущего пункта, при той же мощности выброса, но вместо взять ( – значение концентрации, равное значению нижней границы шкалы прибора, – значение концентрации, равное значению погрешности прибора), определить расстояние, за пределами которого, приборы не смогут измерить концентрацию вещества (выход за пределы шкалы прибора) (рис. 2).

Рис. 2. Расположение первого датчика

На расстоянии и будет расположен первый датчик.

Затем, используя выражения из шага 3 данного алгоритма, необходимо определить параметры выброса, при которых достигается условие ( – расстояние на котором достигается концентрация равная погрешности прибора), но расстояние на котором достигается максимум концентрации меньше расстояния , т.е. , после чего определиться расположение второго датчика (рис. 3). Необходимо повторять данный шаг до тех пор, пока датчик не будет установлен так, чтобы фиксировать распределение максимально возможной концентрации ().

Таким образом, можно эффективно расположить датчики по горизонтали.

Рис. 3. Расположение последующих датчиков

5. После определения координат датчика по оси OY необходимо провести расчет минимальной ширины облака. Для этого используется следующая формула из методики с учетом максимально возможной скорости ветра

сy = s2 c. (1.11)

где s2 – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра и (м/с) и отношения у/х по значению аргумента ty:

(1.12)

(1.13)

по формуле

(1.14)

Для получения ширины облака (d) необходимо из приведенного выражения с помощью численных методов отыскать y.

. (1.15)

Ширина облака определяется, как d = 2y.

1. Следующим шагом является определение угла a(рис. 4), который

определятся выражением.

Рис. 4. Определение угла a

6. После того как определен угол a, необходимо расставить датчики по всей окружности радиуса x. Для этого, необходимо взять такое ближайшее целое число b меньшее , на которое делилось бы без остатка число 360.

После чего, необходимо разделить окружность на секторы с углом b. В точках пересечения окружности с прямыми, проведенными через центр под углом bи будут расположены посты, производящие замеры.

После чего, необходимо разделить окружность на секторы с углом b (рис. 5).

Рис. 5. Расположение датчиков по оси OY

В точках пересечения окружности с прямыми, проведенными через центр под углом b и будут расположены посты, производящие замеры.

Благодаря разработанному методу определения эффективного расположения постов проводящих замеры концентраций вредных веществ, автоматизированная система будет фиксировать результаты непрерывных замеров концентрации и отображать наиболее полную картину загрязнения, воздуха прилегающих к производству территорий.

Список литературы

1. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. – М.: Госкомгидромет РФ, 1986. – 76 с.

2. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. – Взамен СН 369-74; введ. 1987-01-01. – Л: Гидрометеоиздат, 1987. 


Назад к списку