Примесей в атмосфере

Степень загрязнения воздуха у земной поверхности обусловливается не только количеством выбрасываемых загрязняющих веществ, но и их распространением в пространстве и времени, а также зависит от метеорологических условий и параметров выхода пылегазовоздушной смеси из источника выброса.

В атмосфере выбрасываемые отдельные частицы или группы частиц движутся благодаря молекулярной и турбулентной диффузии, обеспечивающей одинаковое течение процесса переноса тепла, вредных газов, мелких аэрозолей, водяных паров, количества движения и т. п.

Уравнение диффузионно-конвективного переноса, описываю щее распределение концентрации примеси С, имеет вид

.(116)

Члены, содержащие компоненты осредненной скорости u, w, v, в направлении координатных осей х, у, z, описывают конвективный перенос примеси. В правой части уравнения сгруппированы члены, описывающие турбулентную диффузию примеси: D_x, D_y, D_z - коэффициенты турбулентной диффузии по соответствующим направлениям.

Уравнение (116) есть, по сути, уравнение неразрывности потока примеси.

Приближенно полагают, что силы плавучести, связанные с наличием градиента температуры по высоте атмосферы, не порождают осредненного движения по вертикали, но оказывают существенное влияние на структуру турбулентности, т. е. на размеры и интенсивность пульсаций турбулентных вихрей. Тогда, если ось х ориентирована по направлению ветра, то для ровной местности w = 0, а если примесь пассивна, то и
v = 0. Можно также пренебречь членом, учитывающим диффузию примеси в направлении оси х, так как диффузионный перенос в этом направлении значительно слабее конвективного.

Для стационарного процесса рассеивания, в результате этих упрощений, уравнение (116) принимает вид

. (117)

Если источник интенсивностью M, г/с расположен в точке с координатами x = 0, y = 0, z = H, то граничные условия для уравнения (117) формулируются следующим образом [10]:

uC = M∙δ(y)·δ(z-H), при x = 0

С→0 при z = ∞

и при ‌y‌→∞ (118)

при z = 0,

где δ(y),· δ(z – H) – дельта функции, м^-1

Для решения уравнения (117) при граничных условиях (118) необходимо иметь информацию о распределении по высоте атмосферы скорости ветра и значений коэффициентов турбулентной диффузии.

Характер рассеивания выбросов в атмосфере в значительной степени зависит от высоты источника выбросов, поэтому обычно рассматриваются отдельно процессы рассеивания выбросов от высоких и от низких источников.

Рассеивание газовой струи, осуществляемое за счет молекулярной диффузии, незначительно. Турбулентная диффузия способствует более интенсивному переносу частиц. Перенос происходит в направлении от высокого давления к низкому. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное – распределением температур в вертикальном направлении.

Газы, выбрасываемые из трубы в атмосферу, поднимаются над верхним срезом трубы. Подъем газов обеспечивается направленной вверх скоростью, а также подъемом теплых газов, выпускаемых в более холодный окружающий воздух. Высота подъема газов зависит от турбулентности, возрастающей с увеличением скорости протекания газа в трубе, от плотности газа, уменьшающейся с ростом температуры, а также от горизонтального движения ветра, уменьшающего действие вертикальной скорости и эффекта подъема.

Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выбросов показано на
рис. 81. По мере удаления от трубы в направлении распространения выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы:

1) зона переброса факела выброса, характеризующаяся относительно невысоким содержанием веществ в приземном слое воздуха;

2) зона задымления с максимальной концентрацией загрязнений в приземном слое воздуха;

3) зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Зона задымления является наиболее опасной для населения и должна быть исключена из селитебной застройки. Размеры этой зоны в зависимости от метеорологических условий находятся в пределах 10–49 высот трубы.

Газообразные и пылевые примеси рассеиваются в атмосфере турбулентными ветровыми потоками. Соответственно, механизм переброса примесей двоякий: конвективный перенос осредненным движением и диффузионный – турбулентными пульсациями. Примеси обычно полагают пассивными в том смысле, что присутствие их не оказывает заметного влияния на кинематику и динамику движения потоков. Такое допущение может оказаться слишком грубым для аэрозольных частиц больших размеров.

Максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном слое прямо пропорциональна производительности источника и обратно пропорциональна квадрату его высоты над землей. Подъем горячих струй почти полностью обусловлен подъемной силой газов, имеющих более высокую температуру, чем окружающий воздух. Повышение температуры и момента количества движения выбрасываемых газов приводит к увеличению подъемной силы и снижению их приземной концентрации.

Ветер, представляющий собой турбулентное движение воздуха над поверхностью земли, является основным метеорологическим фактором, влияющим на распространение загрязняющих веществ. Ветер не является устойчивым течением. Направление и скорость движения ветра не остаются постоянными. Зависимость концентраций загрязняющих веществ от направления ветра имеет существенное значение при решении вопросов размещения промышленных предприятий в плане города и выделении промышленной зоны. При выборе площадки для строительства предприятий необходимо учитывать среднегодовую и сезонную розу ветров, а также скорости движения ветров отдельных румбов. Повторяемость и скорость движения ветра по направлениям, атакже повторяемость штилей за январь и июль приведены в СНиП II-А.6-72 «Строительная климатология и геофизика» [23].

Средние наибольшие и наименьшие скорости движения ветра определены за январь как наибольшие из средних скоростей по румбам, а за июль – как наименьшие из средних скоростей по румбам, повторяемость которых составляет 16% и более. При построении розы ветров под ветром северного (или любого другого) направления принимается ветер, направленный с севера (или с любого другого направления).

Скорость движения ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. Скорость движения воздушного потока у земли до уровня около 20 м падает вследствие трения о шероховатости подстилающей поверхности. У поверхности земли скорость движения ветра больше днем, а на высоте – ночью. Неоднократно предпринимались попытки выявить зависимости между содержанием загрязняющих веществ в городском воздухе и скоростью движения ветра. Некоторые авторы обнаруживали в основном наибольшие загрязнения воздуха только при слабых ветрах в пределах 0–1 м/с [24]. Это относится в основном к низким источникам. При выбросах из высоких источников максимальные концентрации загрязняющих веществ наблюдаются при опасных скоростях движения ветра в пределах 3–6 м/с. Опасная скорость ветра определяется в зависимости от скорости выхода газовоздушной смеси из устья источника [25].

Температурная стратификация атмосферы также влияет на уровень приземной концентрации вредных веществ. Температурный градиент, характеризующий изменение температуры воздуха по вертикали, определяется степенью нагретости поверхности земли и прилегающего к ней слоя воздуха. Чем сильнее нагрета земля, тем интенсивнее вертикальное перемещение воздуха. Способность поверхности земли поглощать или излучать тепло влияет на вертикальное распределение температуры. В обычных условиях с подъемом вверх температура падает. Величина градиента dT/dzопределяет температурную стратификацию (расслоение) по высоте атмосферы. Если перенос тепла по вертикали отсутствует, то атмосфера находится в состоянии равновесной (безразличной) стратификации. Соответствующий такому состоянию градиент, называемый адиабатическим,равен, примерно, 1 К на 100 м высоты.

Если температура окружающего воздуха понижается с высотой так, что ее вертикальный градиент больше адиабатического (что бывает при сильно нагретой солнцем поверхности земли), то движущийся снизу объем воздуха получает ускорение. Состояние атмосферы неустойчиво, тепловые потоки способствуют развитию конвекции в вертикальном направлении и усилению турбулентного обмена. Нагретые конвекционные струи поднимаются вверх, а взамен их вниз опускаются холодные струи воздуха. Такие условия называются неустойчивыми конвективными.

Значение градиента температуры изменяется в течение суток и по сезонам и зависит от радиационного баланса подстилающей поверхности. При наличии ветра движение в случае неустойчивой стратификации будет также неустойчивым.

Если вертикальный градиент температуры воздуха близок к нулю или температура с высотой возрастает, то вертикально поднимающийся объем воздуха оказывается холоднее окружающих масс, и его движение затухает. Такие условия называются устойчивыми инверсионными.

Если градиент температуры положителен, то имеет место устойчивая аномальная стратификация, называемая температурной инверсией. Такая ситуация способствует подавлению конвективного движения и ослаблению турбулентности.

Различают приземные и приподнятые инверсии. Приземные инверсии характеризуются отклонениями температурного градиента непосредственно у поверхности земли, а приподнятые – появлением более теплого слоя воздуха на некоторой высоте от поверхности земли. Толщина инверсионного слоя может меняться так же, как и высота появления инверсий. Высота слоев приземной инверсии может колебаться от десятков до сотен метров.

В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, что ведет к ухудшению рассеивания промышленных выбросов и накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы.

Инверсии имеют локальный характер и поэтому в местностях, где они возможны, в районе предполагаемого строительства для предупреждения чрезмерного загрязнения необходимо проводить тщательные метеорологические исследования. При исследованиях определяются вероятность частоты инверсии, повторяемость, характер (приземная или приподнятая), мощность инверсионного слоя и высота его расположения. В соответствии с этими данными об инверсии должна определяться высота труб, через которые выбрасываются вредные вещества в атмосферу. Основной выброс загрязняющих веществ должен производиться выше инверсионного слоя.

Согласно натурным исследованиям ГГО им. А. И. Воейкова к наиболее опасным условиям загрязнения воздуха для высоких источников относятся:

– приподнятая инверсия, нижняя граница которой находится над источником выброса, увеличивающая максимальную приземную концентрацию на 50–100%;

– штилевой слой, расположенный ниже источника выбросов, когда на уровне выбросов скорость движения ветра в 1,5–2 раза превышает величину скорости выброса. Согласно расчетам, при наличии штилевого слоя, распространяющегося от поверхности земли до высоты 30 м, максимальная концентрация примеси от источника высотой 100–150 м увеличивается примерно на 70% по сравнению с концентрацией при отсутствии штиля.

Для низких источников выбросов наиболее неблагоприятным является сочетание приземной инверсии со слабым ветром. Особенно опасное загрязнение воздуха имеет место, когда при холодных выбросах приподнятая инверсия, расположенная непосредственно над источником, сопровождается слабым ветром, близким к штилю.

Кроме того, состояние атмосферы характеризуется такими показателями: неустойчивость – очень сильная, умеренная, слабая; безразличное состояние; устойчивость – слабая, умеренная, сильная.

Рассеяние примеси в условиях каждого класса устойчивости атмосферы имеет свои особенности, формирующие характерный вид дымовой струи. По виду реальных струй можно получить информацию о термодинамическом состоянии нижних слоев атмосферы.

Форма струи, вытекающей из трубы, зависит в основном от вертикального температурного градиента вблизи нее. Предложена классификация форм струй дыма, которые могут наблюдаться из одиночных или более или менее изолированных труб. Схематически эти формы струй показаны на рис. 82. Образование волнообразной струи (рис. 82, а) происходит при очень неустойчивом вертикальном температурном градиенте.

Эта форма обычно наблюдается днем при хорошей погоде, при сильном нагревании земли солнцем. Конусообразная форма струи (рис. 82,б) встречается при слабом вертикальном градиенте температуры и часто наблюдается при облачной и ветреной погоде, особенно во влажном климате. Веерообразная форма струи (рис. 82, в) возникает при температурной инверсии. Ее форма напоминает извивающуюся реку, которая постепенно расширяется с удалением от трубы. Вертикальное рассеяние почти не наблюдается. Рассеяние выбрасываемого вещества зависит от скорости ветра на уровне устья трубы, величина концентрации в струе изменяется обратно пропорционально скорости ветра. Веерообразная форма струи часто наблюдается при снежном покрове, слабом ветре и чистом небе. В гигиеническом отношении (для близких расстояний) ее нельзя рассматривать как неблагоприятную, так как выбросы не приближаются к земной поверхности.

Приподнятая форма струи (рис. 82, г) чаще наблюдается ночью и обычно в течение 1–3 ч, хотя отмечались случаи, когда подобная форма струи поддерживалась в течение всей ночи. Приподнятую форму струи рассматривают как наиболее благоприятную для рассеивания выбрасываемых из трубы веществ.

Наиболее неблагоприятна в гигиеническом отношении задымляюшая форма струи (рис. 82, д), при которой падение температуры воздуха обычно начинается вблизи земли и распространяется на некоторую высоту (зимой – сильнее, летом – слабее). В этих условиях выбрасываемые из трубы вещества в большой концентрации тепловыми вихрями переносятся к земле вдоль всей струи. Задымляющая струя дает наиболее значительную среднюю наземную концентрацию вредных веществ, она принята за расчетную как наиболее неблагоприятная и дающая наибольшую приземную концентрацию.

При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ происходит главным образом под действием вертикальных потоков. Высокие скорости ветра увеличивают разбавляющую роль атмосферы, способствуя более низким приземным концентрациям в направлении ветра. Движение загрязняющих веществ вместе с воздушными массами, перемещаемыми ветром, приводит к тому, что турбулентные вихри изгибают, разрывают поток и перемешивают его с окружающими воздушными массами. Разбавление вдоль оси струи пропорционально средней скорости ветра v_m на высоте струи. Вместе с тем с увеличением v_m уменьшается высота факела над устьем трубы. Поэтому для источников выбросов вводят понятие опасной скорости ветра, при которой приземные концентрации имеют наибольшие значения. Для того чтобы предотвратить отклонение струи вблизи от горловины трубы, скорость выбрасываемого газа w_г должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

В зависимости от расположения и организации выбросов источники загрязнения воздушного пространства подразделяют на затененные и не затененные, линейные и точечные.

Точечные источники используют, когда удаляемые загрязнения сосредоточены в одном месте. К ним относят выбросные трубы, шахты, крышные вентиляторы и другие близко расположенные источники. Выделяющиеся из них вредные вещества при рассеивании в циркуляционной зоне не накладываются одно на другое на расстоянии двух высот здания (с заветренной стороны).

Линейные источники имеют значительную протяженность в направлении, перпендикулярном к ветру. Это аэрационные фонари, открытые окна, близко расположенные вытяжные шахты и крышные вентиляторы.

Незатененные, или высокие, источники свободно расположены в недеформированном потоке ветра. К ним относят высокие трубы, а также точечные источники, удаляющие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 H_зд. Затененные, или низкие, источники расположены в зоне подпора или аэродинамической тени, образующейся на здании или за ним (в результате обдувания его ветром) на высоте h < 2,5 H_зд.