забруднення атмосфери

6.1 Аналіз режиму вітрів

6.1.1 Рівень забруднення атмосфери в районі розташування джерел викидів промислових домішок і на відстані від них суттєво залежить від швидкості та напрямку вітру.

Для кожного джерела існує деяка небезпечна швидкість вітру u_м, при якій спостерігаються максимальні концентрації домішок у приземному шарі атмосфери [9]. Небезпечна швидкість пропорційна параметру v_м.

Для нагрітих викидів

v_м = 0,65 , (6.1)

де ∆T - різниця між температурою суміші, що викидається, і температурою навколишнього повітря, ^ОС; H - висота джерела викидів над рівнем землі, м; N - кількість труб приблизно з однаковими параметрами викидів, шт; V - сумарний об'єм газоповітряної суміші, що викидається в атмосферу усіма джерелами, визначається як: V = V₁ · N,

де V₁ - витрата газоповітряної суміші одним джерелом, м³/с.

Приблизно приймається, що

при v_м < 2 м/с u_м = v_м,

при v_м > 2 м/с u_м = v_м (1+0,12 ) f = 10³(ω_о² · D _о) / (H² · ∆T),

де ω_о - середня швидкість виходу димових газів з устя джерела викиду, м/с, яка визначається як ω_о = 4 · V₁ / π · D _о ².

Для холодних викидів

v_м = 1,3 · (ω_о · D) / H, (6.2)

де ω_о = 4 · V₁ / π · D _о ².

Приблизно приймається, що

при v_м < 2 м/с u_м = v_м , при v_м > 2 м/с u_м =2,2 v_м.

Для довідки:

Для нагрітих викидів промислових підприємств (ТЕС, металургійні підприємства та інші) значення небезпечної швидкості найчастіше знаходяться у межах u_м = 2÷7 м/с, для джерел із відносно холодними викидами (хімічні та машинобудівні підприємства) значення u_м знаходиться в межах від 0 до 4 м/с.

Після визначення значення u_м студенту необхідно порівняти його із значенням середньомісячної швидкості вітру v_В за досліджуваний період:

- якщо значення u_м відрізняється від v_В менше ніж на 0,5 (у той чи інший бік), то реальна швидкість вітру у досліджуваний період є небезпечною для даних джерел викидів й відноситься до НМУ, що призводить до погіршення їх розсіювання в атмосфері й сприяє більш швидкому осіданню в приземний шар;

- якщо значення u_м відрізняється від v_В більше ніж на 0,5 (у той чи інший бік), то реальна швидкість вітру у досліджуваний період не є небезпечною й не перешкоджає розсіюванню домішок у верхніх шарах атмосфери;

6.1.2 Безпосереднім фактором, що визначає ступінь забруднення атмосфери, є напрямок вітру. Аналіз повторюваності різних напрямків вітру у різні періоди року (див. рис. 3.1), особливо із боку підприємства-джерела викидів, проводиться з урахуванням відстані між підприємством і житловою забудовою, ураховуючи наступне:

Ø для низьких джерел викидів (Н_тр < 50м) ̶ максимум концентрацій шкідливих речовин створюється на відстані, кратній 10-20 висотам труб;

Ø для високих джерел викидів (Н_тр ³ 50м) ̶ максимум концентрацій шкідливих речовин створюється на відстані, кратній 20-40 висотам труб.

Таким чином, визначається зона можливого (прогнозованого) максимального забруднення приземного шару атмосфери х_max на певній відстані від джерела викидів в атмосферу.

Враховуючи задану (за завданням) відстань від джерела викидів до населеного пункту (чи житлової забудови) та варіант, коли переважний напрям вітру у досліджуваний період співпадає з напрямом розташування населеного пункту від джерела викидів, студенту рекомендується зробити висновок:

- щодо вірогідності формування зони максимального забруднення приземного шару атмосфери на території заданого населеного пункту (чи житлової забудови);

- щодо вірогідності суттєвого підвищення забруднення повітря в межах населеного пункту.

6.2 Аналіз стратифікації атмосфери

До основних факторів, що впливають на рівень забруднення атмосфери належать її стратифікація (усталеність атмосфери).

Для проведення аналізу впливу стратифікації (усталеності) на ступінь забруднення атмосфери використовуються дані розділу 1 й проводять додатковий розрахунок ефективної висоти труби.

Ефективна висота труби складається з фактичної висоти джерела Н_тр та величини початкового підняття домішок в атмосфері ∆Н [9, 10]:

Н_еф = Н_тр + ∆Н, (6.3)

де ∆Н – висота підняття газової суміші за рахунок ω_о.

У свою чергу ∆Н знаходиться за наступною залежністю:

∆Н = (1,5 · ω_о · R₀) / v_В · (2,5 + (3,3·g · R₀ · ∆Т) / І Т_a І · v_В ²), (6.4)

де ω_о –середня швидкість виходу домішок з устя джерела викиду, м/с;

R₀ – радіус устя джерела викиду, м;

v_В – середньомісячна швидкість вітру за досліджуваний період (швидкість вітру на висоті флюгеру 10м), м/с;

g – прискорення вільного падіння, що дорівнює 9,8 м/с²;

∆Т – різниця між температурою суміші, що викидається, і температурою навколишнього повітря, ^ОС;

Т_a – середньомісячна температура повітря за досліджуваний період, ^ОС, взята по модулю.

Найбільшу увагу студенту рекомендується звернути на метеорологічні умови, що характеризуються інверсійним розподілом температури в атмосфері [9,10]. До таких умов відносять приземні та піднесені інверсії й варіанти їх розташування відносно устя джерела викидів:

1) якщо шар піднесеної інверсії розташовується безпосередньо над трубою джерела викиду (на відстані не більше 100-150м для гарячих викидів, не більше 50-100м для холодних викидів), то така ситуація призводить до обмеження підіймання викидів й сприяє їх опусканню і накопиченню в приземному шарі;

2) якщо піднесена інверсія розташовується на достатньо значній висоті від устя джерела викидів, то її вплив на розсіювання домішок в атмосфері невідчутний;

3) якщо шар приземної інверсії розташований нижче устя джерела викидів, тоді в атмосфері складаються умови, що перешкоджають переносу домішок до земної поверхні. У даній ситуації:

- для гарячих домішок такі умови характеризуються як сприятливі для розсіювання у вищих шарах атмосфери;

- для холодних домішок дані умови призводять до їх флуктуації над верхнею межею приземної інверсії й переносу за напрямом вітру на значні відстані від джерела (поки не зміняться метеорологічні умови) з подальшим їх осіданням;

4) якщо домішки викидаються з джерела й потрапляють безпосередньо у шар інверсії, то створюються умови для їх утрудненого вертикального переміщення, тобто зниження ефекту розсіювання домішок в атмосфері. У цій ситуації необхідно враховувати силу інверсії та характер домішок (гарячі або холодні):

- для гарячих домішок перешкоджаючий ефект для їх підняття може мати інверсія із градієнтом понад γ > - 1,5⁰С/100м (за абсолютним значенням);

- для холодних чи слабо нагрітих домішок перешкоджаючий ефект для їх підняття може мати навіть слабка інверсія із градієнтом γ < -0,5⁰С/100м (за абсолютним значенням);

Враховуючи проаналізовану ситуацію щодо розташування інверсійного шару відносно джерела викидів в атмосферу студенту рекомендується зробити висновок стосовно впливовості інверсії на розсіювання домішок у досліджуваний період й відповідний прогноз стосовно підвищення рівня забруднення приземного шару в районі населеного пункту під впливом даних інверсійних умов атмосфери.

Дослідження за п.6.1 і 6.2 необхідно супроводити ескізом, на якому відобразити:

§ джерело викидів (Н_тр);

§ визначену висоту (∆Н),

§ ескізне відображення розподілу атмосфери за z₁ ¸ z₃;

§ відображення теплового стану атмосфери за відповідними шарами;

§ значення ω_о, v_В , u_м;

§ зону х_max;

§ відстань L від підприємства до населеного пункту (житлової забудови).

6.3 Аналіз повторюваності туманів і атмосферних опадів

На формування певного рівня забруднення атмосферного повітря суттєво впливають також тумани і опади [1, 2, 7, 8].

Студенту необхідно проаналізувати динаміку зміни рівня забруднення атмосфери в районі розташування заданого промислового підприємства на основі таких даних.

Повторюваність туманів. Зазначити фактичну кількість туманних днів у досліджуваний період року і порівняти її з середньорічною повторюваністю туманів у даній місцевості.

Якщо повторюваність туманів у досліджуваних період більша за середньорічний показник, то тумани необхідно віднести до факторів, що можуть підсилити забруднення приземного шару атмосфери.

Якщо повторюваність туманів у досліджуваних період менша за середньорічний показник, то тумани не відносяться до впливових метеорологічних умов з точки зору забруднення атмосфери.

При аналізі потрібно урахувати, що наявність туманів є лише додатковим метеорологічним фактором, підсилюючим забруднення приземного шару атмосфери при наявності впливу основних факторів (термічного та вітрового режиму).

Атмосферні опади. Порівняти значення сумарної кількості опадів, мм, що характерні для даної місцевості у досліджуваний період, із середньорічними величинами.

Якщо повторюваність опадів у досліджуваних період більша за середньорічний показник, то опади є фактором, що може зменшити рівень забруднення атмосфери.

Якщо повторюваність опадів у досліджуваних період менша за середньорічний показник, то опади є фактором, що може посилити забруднення атмосфери (особливо при впливовості у даній місцевості в теплий період року інверсійних умов).

При аналізі потрібно урахувати, що атмосферні опади (особливо дощі) відіграють важливу роль у процесах самоочищення атмосфери.

6.4 Аналіз несприятливих метеорологічних умов (НМУ)

Для району розташування підприємства в досліджуваний період виявляються найбільш несприятливі метеорологічні умови, що обмежують розсіювання промислових викидів в атмосфері.

Студенту рекомендується скласти перелік несприятливих метеорологічних факторів (НМУ) для умов дослідження. До таких умов можуть належати:

1) наявність піднесених і приземних інверсій, що перешкоджають вертикальному переміщенню домішок в атмосфері (див. п. 6.2);

2) наявність приземних інверсій та слабких вітрів й штилів особливо у випадку холодних викидів в атмосферу (див. п. 6.2);

3) реальної швидкості вітру, що за своїм значенням близька до визначеної для даних джерел небезпечної швидкості u_м (див. п.6.1.1);

4) наявності сильних вітрів понад 5,0 м/с, що перешкоджають вертикальному підняттю домішок в атмосфері й призводять до переважно горизонтальних переміщень домішок за напрямом вітру;

5) підвищеної повторюваності туманів (див. п.6.3);

6) незначної кількості опадів (див. п.6.3).

7 Аналіз метеорологічних умов поширення домішок

Аналіз метеорологічних умов поширення домішок зводиться до визначення форми димової струмини, характерної для заданих джерел викидів, виходячи із метеорологічних умов даної місцевості [7, 9].

Найбільш типовими з існуючих форм димових факелів є:

- хвилеподібна струмина, що характеризується нададіабатичним верти-кальним градієнтом температури (γ > γ_а ), який призводить до значної неусталеності. Хвилеподібна струмина формується в умовах розвинутих конвективних атмосферних течій у ясні дні та при слабких вітрах;

- конусоподібна струмина формується в умовах слабкої конвекції та ізотермії (γ = 0¸1⁰С/100м), тобто коли небо вкрито хмарами вдень і вночі з характерними вітрами помірної сили (3¸5 м/с);

- задимляюча струмина (зрізана зверху) утворюється в умовах, коли усталений шар повітря розташовується на невеликій відстані від місця викиду, тобто струмина обмежена зверху інверсією. Таким умовам сприяють ясне небо та слабкий вітер, які найбільш характерні у літній період року. Приземні концентрації у таких умовах можуть досягати високих значень;

- піднесена струмина (зрізана знизу) формується в умовах зворотних утворенню задимляючої струмини, тобто шар інверсії розташовується нижче від точки викиду джерела. Така ситуація вважається сприятливою для розсіювання забруднювачів в атмосфері і зниженню приземних концентрацій.

- обмежена струмина формується при наявності інверсії як вище, так і нижче верхньої точки джерела викиду або коли джерело повністю розташовується в інверсійному шарі.

- віялоподібна струмина утворюється в умовах, коли на значній висоті над трубою розташовується сильна поверхнева інверсія. Ці умови забезпечують пересування струмини на приблизно постійній висоті за напрямком вітру, тому земної поверхні досягає тільки незначна кількість легких забруднювачів.

ЛІТЕРАТУРА

1. ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010. Будівельна кліматологія. – Київ, Мінрегіонбуд України, 2011. – 127с.

2. www.cgo.org.ua / Офіційний сайт Центральної Геофізичної Обсерваторії.

3. Справочник по климату СССР. Ч. 1-5. - Л.: Гидрометеоиздат,1966-1969г.

4. Навчальний атлас України. – Київ, 2002.

5. Чемерис М.П. Метеорологія і кліматологія. Практикум. – Луцьк: Вид-во "Медіа", 1999. – 151с.

6. Практикум по курсу "Метеорология и климатология" для студентов экол. спец. – Кременчуг, 1996.

7. Мислюк О.О., Мислюк Є.В. Метеорология і кліматологія: Практикум. – Черкаси: ЧДТУ, 2004. – 147с.

8. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере. Справочное пособие / Под ред. д.гегр.наук Э.Ю.Безуглой д.ф.-м.наук, проф. М.Е.Берлянда. – Л.: Гидрометеоиздат,1983. – 327с.

9. Методические указания по прогнозу загрязнения воздуха в городах / Под ред. д.ф.-м.наук, проф. М.Е.Берлянда. – Л.: Гидрометеоиздат,1983. – 78с.

10. К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н. (Институт автоматики НАН КР). Оценка эффективной высоты и потолка подъема дымового факела от высотного точечного источника выбросов вредных примесей, 2005.