85380

Распространение загрязняющих веществ

Доклад

Экология и защита окружающей среды

Если выбрасываемые в воздух примеси состоят из крупных частиц то распространяясь в атмосфере они под действием силы тяжести начинают спускаться с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса. Естественно что почти все примеси в конечном итоге осаждаются на поверхности земли причем тяжелые осаждаются в основном под действием гравитационного поля а легкие в результате диффузионного процесса. Поскольку наиболее опасны для окружающей среды примеси газообразного вида типа окислов то именно таким легким соединениям...

Русский

2015-03-24

64 KB

4 чел.

4

15. Распространение загрязняющих веществ.

Предсказание распространения ЗВ в атмосфере.

Перенос веществ на большие расстояния, например, из северного полушария в южное, т.е. из мест наиболее интенсивной промышленной деятельности в места относительно менее нагруженные, происходит с воздушными потоками – ветрами. Ветра обусловлены общей циркуляцией атмосферы под действием разогрева воздуха солнцем. Определенный вклад в движение атмосферы вносит и вращение земли (кориолисово ускорение). Точность детального предсказания глобальных течений (предмет метеорологии) остается до сих пор невысокой.

В экваториальной области  происходит «встреча» воздушных потоков северного и южного полушарий. Возникает внутритропическая зона конвергенции (ВЗК), где сталкиваются пассаты, дующие всегда в сторону экватора, что затрудняет распространение ЗВ из северного полушария в южное. Вот почему северное полушарие загрязнено больше, чем южное, особенно короткоживущими веществами (время жизни менее 1 года).

Одно предприятие не может функционировать без выбросов в атмосферу или сбросов в водоемы иди водотоки. Попадая в эти текучие Среды, вещества должны быть как можно быстрее и тщательнее перемешаны с принимающей средой, чтобы концентрация в регламентируемых точках не превышала нормативные (допустимые) значения. При этом используется свойство текучих сред переносить вещество и момент количества движения во всех направлениях ( в т.ч. и против основного потока). Такое свойство движений, если они упорядочены, связано с конвекцией, а при больших интенсивностях в случае потери дальнего порядка - с турбулентностью.

Существуют три механизма, приводящие к уменьшению концентрации загрязняющих веществ в атмосфере:

1) уже названное выше рассеяние (путем конвективного и турбулентного) перемешивания выбросов в атмосфере;

2) деградация (трансформация), в результате химических и биохимических процессов;

3) иммобилизация, т.е. потеря подвижности 3В в результате физико-химических процессов адсорбции или биохимических процессов поглощения.

Известны три механизма рассеяния 3В в атмосфере:

• молекулярная диффузия;

• конвективная диффузия;

• турбулентная диффузия.

Молекулярная диффузия - самостоятельный вид переноса массы. Этот способ переноса может существовать и без конвекции или турбулентности. Он проявляется только на очень малых расстояниях. Поэтому можно с уверенностью сказать, что молекулярная диффузия в «чистом виде» не представляет интереса для описания переноса веществ от источников на расстояния, рассматриваемые при мониторинге.

Считается, что в переносе доминирует турбулентное движение и турбулентная диффузия ЗВ. Поэтому важной является  характеристика процессов стратификации атмосферы величиной критерия Ричардсона Ri, который есть отношение факторов, стабилизирующих горизоньальное движение, к факторам, детабилизирующим его.

Процесс распространения выбросов в атмосфере происходит за счет адвективного их переноса воздушными массами и диффузии, обусловленной турбулентными пульсациями воздуха. Если наблюдать за дымовым факелом из заводской трубы, то, во-первых, замечается увлечение дымового факела потоком воздуха и, во-вторых, постепенное разбухание этого факела по мере удаления от источника вследствие мелкомасштабной турбулентности. В результате факел имеет форму вытянутого конуса, расширяющегося в направлении движения воздушных масс. Увеличиваясь под влиянием крупномасштабных турбулентных флуктуаций, факел распадается на изолированные вихревые образования, увлекаемые на большие расстояния от источника.

Если выбрасываемые в воздух примеси состоят из крупных частиц, то, распространяясь в атмосфере, они под действием силы тяжести начинают спускаться с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса. Естественно, что почти все примеси в конечном итоге осаждаются на поверхности земли, причем тяжелые осаждаются в основном под действием гравитационного поля, а легкие - в результате диффузионного процесса. Гравитационный поток тяжелых частиц оказывается намного больше диффузионного, тогда как для легких примесей он практически несуществен. Поскольку наиболее опасны для окружающей среды примеси газообразного вида типа окислов, то именно таким легким соединениям следует уделять наибольшее внимание. Наряду с мелкомасштабной диффузией, размывающей факелы примесей, большое значение в теории распространения загрязнений имеют флуктуации скорости и направления ветра за длительный период времени (около года). За такой период воздушные массы, увлекающие примеси от источника, многократно меняют направление и скорость.

Итак, перенос загрязняющих субстанций в атмосфере осуществляется ветровыми потоками воздуха с учетом их мелкомасштабных флуктуаций. Осредненный поток субстанций, переносимых воздушными массами, как правило, имеет адвективную и конвективную составляющие, а осредненные флуктуационные их движения можно интерпретировать как диффузию на фоне основного осредненного движения, связанного с ним.

На рис. приведены случаи, возникающие при рассеянии шлейфов дымовых выбросов, в зависимости от характера плотностных и температурных стратификаций.

1. Нададиабатические условия расширения

 газа ( Ri <0) на всех высотах, полная устойчивость,

стабильный шлейф типа веера, когда рассеяние

по горизонтали происходит намного более интенсивно,

чем по вертикали.

2. Приподнятая инверсия над слоем нейтрального

состояния, шлейф имеет тенденцию прижиматься

к земле, создавая устойчивое загрязнение

в приземных слоях.

3. Неустойчивая стратификация или ветровая

турбулентность  (задымленность или фумигация

приземного слоя).

4. Нейтральная стратификация во всем приземном

слое (конический шлейф), рассеяние происходит

с равной вероятностью  как по вертикали, так и

по горизонтали.

5. Условия, когда в нижней части приземного слоя

Ri<0; выше нейтральной стратификации Ri=0 или

сверхадиабатические условия Ri>0; рассеяние вверх

происходит легче, чем вниз.

Предсказание распространения ЗВ осуществляется на основе моделирования процессов рассеяния веществ от источников:

Различают два вида моделирования: 1)физическое; 2)математическое.

Первое из названных требует создания физической модели – макета и изучения особенностей воздушных течений (обдувка макета в аэродинамической трубе). Хотя данный метод дает довольно точную картину распространения воздушных потоков и рассеяния примесей, он в последнее время используется редко, поскольку обладает двумя главными недостатками: 1)требует больших материальных затрат и времени; 2) не обеспечивает многовариантности без дополнительных существенных затрат. Последнее означает, что метод не позволяет исследовать простым путем влияние антропогенной эволюции ландшафтов на рассеяние загрязняющих веществ -

В последнее время наибольшее распространение получило математическое моделирование. Методы математического моделирования можно разделить на:

• детерминистические, предполагающие использование причинно-следственных уравнений, например, уравнений турбулентной диффузии;

• стохастические, основанные на применении методов теории вероятности, например, гауссовских распределений;

• комбинированные, когда используются детерминистические уравнения, а входящие в них величины вычисляются из вероятностных моделей (например, используется уравнение (1) с коэффициентами турбулентного переноса, ведущими себя в пространстве как случайные величины, подчиняющиеся распределению Гаусса).

                                                                                                                                           (1)

где   С – концентрация примеси;  ui  - компоненты скорости перемещения воздуха по координатам (i = x,y,z); xi  -  координаты, в зависимости от i, принимающие  смысл x, y или z; Аi коэффициенты турбулентного переноса (обмена); k – константа скорости химической реакции или процесса, в котором расходуется примесь.  

Это уравнение турбулентной диффузии, или уравнение турбулентного рассеяния, имеет целью предсказание полей концентраций примесей (т.е. функций С(x,y,z,t)) в пространстве.

Все многообразие возможных ситуаций  определяется начальными и граничными условиями, которые должны быть заданы заранее перед решением уравнения (1).

Уравнение позволяет при разных условиях выполнить прогноз рассеяния ЗВ в том числе и для легкой примеси, совершающей безынерционные движения совместно с элементами газового потока. С помощью уравнения можно учесть нестационарность, рассчитать поля концентраций вблизи источника особенно в условиях штиля, условия холмистой местности.

Согласно решению уравнения по рассеянию примеси из стационарного точечного источника, имеющего координаты (0,0,h), между концентраций примеси на уровне h по направлению ветра и расстоянием до источника существует обратно пропорциональная зависимость:   С х-1.  В действительности, как установлено экспериментальным путем натурных испытаний, зависимость имеет более благоприятный характер:  С х-1,8.

Основная причина несоответствия между теорией и экспериментом состоит в принятии независимости коэффициентов турбулентной диффузии от координат. Если для предсказания коэффициентов турбулентного переноса используются соотношения теории вероятности, то приходят к комбинированным моделям.

Комбинированные модели

Сэттон (1932) использовал теорему Тэйлора о поведении частицы в изотропном турбулентном потоке и предполагая, что разброс частиц подчиняется нормальному распределению Гаусса, получил следующее решение для распространения примеси от стационарного точечного источника

                                                                                                                                                  (2)

где   sy    и   sz    -  «виртуальные коэффициенты диффузии»  вдоль отмеченных  осей;  n  -  число  от 0  до  1, зависящее от профиля скорости ветра в приземном слое.

В настоящее время чаще используют следующую формулу для расчета рассеяния примеси из стационарного точечного источника:

                                                                                                                                                      (3)

где  у2, х2   - горизонтальная и вертикальная составляющие дисперсии распределения примеси.

Некоторые замечания

  •  Если рассматривать рассеяние примеси из трубы, то надо иметь в виду, что так называемая эффективная высота источника, как уже говорилось, складывается из высоты трубы h и некоторой добавки - h.  При этом величина h увеличивается с увеличением сил плавучести, т.е. с увеличением температуры выбросов, с увеличением расхода выбрасываемых газов и с уменьшением диаметра трубы при постоянном объемном расходе газов. Наоборот, эта величина уменьшается с увеличением скорости ветра и понижением слоя приподнятой инверсии.
  •  При анализе решений уравнений часто получают результат, когда скорость ветра входит в знаменатель. Скажем, концентрация на какой-то высоте оказывается обратно пропорциональной скорости ветра - С ~ u-1 .В таких случаях во избежании нереального устремления С   необходимо помнить об изменении самих исходных уравнений при устремлении u к нулю.  При этом необходимо сохранять члены, ответственные за нестационарность процесса или ограничиваться скоростями ветра не ниже 0,5 м/c, т.е. условиями, при которых пульсационные скорости становятся одного порядка с величиной u. Именно этим объясняется то, что на графиках Смах = f (u) обычно наблюдается максимум приземной концентрации в районе скорости ветра u = 0,32 м/c, (т.н. опасная скорость ветра!).
  •  В соответствии со всеми моделями между величиной мощности источника выбросов М и приземными концентрациями С (х, у, 0) наблюдается прямая пропорциональность.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53832. Строение корня. Виды корней. Корневые системы. Видоизменения корней. Лабораторная работа № 2: корень и корневые системы 80 KB
  Виды корней. Видоизменения корней. Видоизменения корней. Задачи: дать понятия корень и виды корней типы корневых систем; выработать практические умения различать виды корней и типы корневых систем; познакомить учащихся с зонами корня их строением в связи с выполняемыми функциями; определить роль корня в жизни...
53833. Косметичні проблеми підлітків 51 KB
  Три групи обговорюють між собою завдання а четвертауважно слухає відповіді та аналізує їх Слово вчителя: Як бачимо в описі кожного портрету звучали словаздорова шкіра здорове волосся. Шкіра людини має складну будову: зовнішній середній і внутрішній шар. Шкіра виконує захисну видільну дихальну терморегуляторну та тактильну функції. Шкіра нормальна.
53834. Тематична композиція «Космічні світи» 43.5 KB
  Мета: ознайомити учнів з космічним живописом, навчити зображувальних прийомів передачі простору, повітряної перспективи; розвивати творчу уяву,фантазію; виховувати космополітичні почуття.
53835. Урок узагальнення та систематизації знань “Освоєння космосу” 5.55 MB
  Розвиток космонавтики; формувати знання про умови руху тіла по навколоземній і навколосонячній орбітах; розвивати логічне мислення учнів: уміння критично оцінювати і використовувати різноманітну інформацію; прагнення до вдосконалення знань; вміння застосовувати знання в нових ситуаціях робити самостійно висновки приймати активну участь в суспільному житті. Теорія космічних знань з космонавтики. Історія розвитку космонавтики. Застосування знань з космонавтики в земних умовах.
53836. Сценарий утренника «Дорога к звездам» 65.5 KB
  1й ученик: Взлетят ракеты к звездам в небеса. 2й ученик: Простой земной наш человек Пройдет Венеру к Марсу путь направит И на Луне сомненья в этом нет Он первым из людей свой след оставит. 3й ученик: Рассвет. 4й ученик: Живем мы на нашей планете В такой замечательный век И первый из первых в ракете...
53837. Сценарій виховного заходу для учнів 3-4 класів „Краса Космосу” 191 KB
  Вони помітили що Сонце світить набагато яскравіше ніж Місяць що зміна дня й ночі має ритмічний характер. Уранці Сонце підіймається в певному місці проходячи при цьому визначений шлях. Запитання для бесіди: Чи розглядали ви колинебудь зоряне небо Чи бачили як падають зорі Чи розглядали як світить місяць на небі Як світить сонце Які почуття вас охоплюють коли ви дивитися у небо Чому на вашу думку люди іноді надовго затримують свій погляд у небі Що вони там бачать Про що мріють І учень. Я пропоную вам доповнитит це...
53838. Космический рейс. Посвящается 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина 1.86 MB
  Почему люди тянутся к звездам Почему в наших песнях герой – это сокол Почему все прекрасное что он создал Человек помолчав называет Высоким Ведущий 2 Так кто же такой Юрий Гагарин – первый космонавт планеты Земля бесстрашный рацарь космоса. Взгляд материнский устремляя к сини Не сомневаясь в стойкости его Следила благодарная Земля За яркой трассой сына своего. Оно во все врывается края Во все сердца как ласточка влетает И мать-земля дыханье затая Полет героя-сына наблюдает.
53839. Космічна мандрівка. Відкритий урок у початковій школі. Інтегрований урок з природознавства і математики (4 клас) 63.5 KB
  Це найближча до Сонця планета її відстань до Сонця змінюється від 46 до 70 млн. Це найшвидша планета адже за рік вона оббігає навколо Сонця аж 4рази. А дізнатися що ближче до Сонця: Земля чи Меркурій і на скільки ви зможете розв’язавши задачу: Відстань від Сонця до Землі в средньому 150 млн.км а від Сонця до Меркурія 58 млн.
53840. Закрепление изученного материала. Сложение и вычитание в пределах 100 43.5 KB
  Оборудование: Интерактивная доска презентация учебник цепочка чисел. 9 7 = 16 о 30 4 = 34 а 60 20 = 80 у 70 – 1 = 69 б 12 – 7 = 5 р 28 – 20 = 8 и 96 1 = 97 т 8 6 = 14 н Чему равна сумма чисел 9 и 7 16 Чему равна сумма чисел 60 и 20 80 Чему равна разность чисел 12 и 7 5 Чему равна сумма чисел 96 и 1 97...