Объясните, как турбулентное состояние земной атмосферы влияет на приземные концентрации вредных примесей.

Распространение в атмосфере выбрасываемых из труб и вентиляционных устройств промышленных выбросов подчиняется законам турбулентной диффузии. На процесс рассеивания выбросов существенное влияние оказывают состояние атмосферы, расположение предприятий и источников выбросов, характер местности, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота источника, диаметр устья и т.п. Горизонтальное перемещение примесей определяется в основном скоростью ветра, а вертикальное - распределением температур в вертикальном направлении.

Свойства атмосферы. Одна из важнейших характеристик атмосферы - ее устойчивость, т.е. способность препятствовать вертикальным перемещениям воздуха и сдерживать турбулентное перемешивание. Это непосредственно связано со степенью рассеивания загрязнителей. Чтобы оценить способность атмосферы рассеивать загрязнители антропогенного происхождения, необходимо знать степень ее устойчивости. Если атмосфера устойчива, в ней отсутствуют значительные вертикальные перемещения и турбулентное перемешивание. В такой атмосфере антропогенные загрязнители остаются в том месте, где они выброшены, т.е. вблизи поверхности Земли. На перемешивание в приземных слоях атмосферы оказывает влияние большое количество факторов, основными из которых являются температурный градиент и турбулентная диффузия.

Отметим три варианта устойчивости атмосферы:

1. Устойчивое состояние, когда некоторый объем воздуха, сместившийся из своего исходного положения по высоте под действием каких-то сил (например, температурного градиента), стремится вернуться обратно.

2. Неустойчивое состояние, при котором объем воздуха, получивший импульс движения, не возвращается в исходное положение, а с ускорением движется в направлении первоначального смещения.

3. При нейтральном (безразличном) состоянии смещенный объем воздуха, попав в слой с такой же температурой, остается неподвижным.

Изменение температуры с высотой, как указывалось выше, характеризуется температурным градиентом. При подъеме воздушных масс вследствие уменьшения давления объем воздуха увеличивается, а температура снижается. И наоборот, опускающийся воздух в объеме уменьшается, а температура растет. При сверхадиабатическом процессе градиент температуры отрицателен, что отражает неустойчивость атмосферы. Если же градиент температуры положителен, то атмосфера устойчива. Когда градиент температуры равен нулю, атмосфера нейтральна. При инверсии состояние атмосферы весьма устойчиво, температурный градиент имеет относительно высокое положительное значение. Инверсия может просуществовать несколько дней, что приводит к опасным для здоровья людей последствиям. Такие случаи в больших городах известны достаточно давно. Различают два вида инверсии: инверсия оседания и радиационная. Они могут существовать одновременно.

На рассеивание загрязнителей в атмосфере влияет конвективное и турбулентное перемешивание. Высота слоя перемешивания по высоте зависит от времени года, суток, топографии района. Чем больше слой перемешивания, тем ниже концентрация загрязнителей в атмосфере.

Высота конвективного слоя перемешивания определяется тепловой подъемной силой. Под воздействием солнечной радиации воздух у поверхности Земли нагревается и приобретает подъемную силу. Чем выше разница температуры воздуха по высоте (температурный градиент), тем больше ускорение, приобретаемое воздухом за счет подъемной силы. Значительное загрязнение атмосферы в приземном слое наблюдается при высоте конвективного слоя перемешивания менее 1,5 км.

Достаточно точно оценить степень рассеивания загрязнителей в атмосфере можно, изучив распределение скорости и направления ветра. Эти параметры переменны, однако для каждой местности их можно усреднить. Такое усреднение может быть представлено в виде таблиц и графиков. Результаты распределяют по восьми основным и восьми дополнительным направлениям. Графическая форма изображения дается в полярных координатах частоты наблюдаемых направлений ветра. Распределение скоростей ветра вдоль каждого направления показывают длиной отрезков радиусов по этим направлениям (роза ветров).

На рассеивание загрязнений в атмосфере влияют средняя скорость ветра и атмосферная турбулентность. Последняя зависит не только от естественных потоков, но и от механической турбулентности, которая является результатом ветрового сдвига. Тепловые вихри чаще наблюдаются в солнечные дни, когда скорость ветра мала. Механические вихри преобладают в период ветреных ночей. Механическая турбулентность определяется движением воздуха надземной поверхностью, на нее оказывает влияние рельеф местности и здания (сооружения).

Источники выбросов в атмосферу бывают точечные (труба, автомобиль и т.п.), линейные (газопроводы) и поверхностные. Попадать в атмосферу вредные вещества могут на разных стадиях производства (добыча, транспортирование, дробление, измельчение, помол и т.п.), различным образом: из-за негерметичности оборудования, при погрузочно-разгрузочных работах, с открытых складов, т.е. специально неорганизованным способом. Такие выбросы соответственно называются неорганизованными. К неорганизованным промышленным выбросам относят открытые склады минерального сырья, карьеры, хранилища твердых и жидких отходов, места загрузки и выгрузки железнодорожных вагонов, автомашин, негерметичное оборудование, транспортные эстакады и т.п. В ряде случаев неорганизованные источники являются наземными.

В то же время на многих предприятиях большинство удаляемых из помещений и технологического оборудования вредных веществ выбрасывается в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы, что позволяет применить для их улавливания соответствующие установки. Такие выбросы называются организованными. К организованным промышленным источникам относят трубы, шахты, аэрационные фонари, фрамуги и т.п.

Организованные промышленные источники выбросов можно подразделить на три типа: высокие, низкие и промежуточные.

Через высокие источники осуществляется сброс в атмосферу технологических газов и загрязненного вентиляционного воздуха. К ним относятся трубы, выбросы из которых производятся в верхние слои атмосферы, выше границы промежуточной зоны, что обеспечивает их хорошее рассеивание.

Низкие источники являются наиболее распространенными для сброса вентиляционного воздуха и технологических сдувок в атмосферу.

Большое значение для оценки последствий попадания в атмосферу загрязняющих веществ имеет высота (Я) устья источника выброса. В зависимости от высоты устья над уровнем земной поверхности источники относят к одному из следующих четырех классов: высокие, Н = 50 м; средней высоты, H = 10...50 м; низкие, H = 2...10 м; наземные, H = 2 м.

На рис. 8.1 показана схема распространения загрязненной струи, истекающей из трубы при наличии сносящего ветрового потока. Действие последнего приводит к искривлению струи.

На некоторой высоте (H + ΔH) влияние сносящего потока становится преобладающим, струя разворачивается, ось ее становится горизонтальной. Факел далее приобретает форму параболоида с вершиной в точке P, в которой размещают фиктивный источник. Таким образом, реальная картина распространения загрязнений заменяется факелом от фиктивного источника, расположенным на высоте (H + ΔH). Вершина параболоида не обязательно располагается над центром трубы, однако возможное смещение не учитывают, полагая, что источник находится в точке Р (х = 0, у = 0, z= H + ΔH).

Рис 8.1. Схема газовоздушного факела в сносящем потоке: 1 - кривая распределения концентрации загрязнителя в приземном слое; 2- профили концентраций загрязнителя в сечениях факела

Превышение горизонтальной оси факела над устьем трубы зависит от условий истечения газовоздушной смеси и скорости ветра v:

(8.19)

где w - скорость истечения, м/с; D - диаметр устья трубы, м; Т = T₀ - T_ат - разность температур газовоздушной смеси на выходе из трубы T0 и атмосферного воздуха Т_ат летом, К.

Факел, расширяясь, достигает земли (точка А(х_А)), в некоторой точке М(х_м) приземная концентрация достигает максимума С_м, стремясь затем к нулю на удалении (кривая 1).

Условия истечения газовоздушной смеси должны быть такими, чтобы максимальная приземная концентрация не превышала максимальной разовой ПДК.

Значение См зависит от скорости ветра. При увеличении последней уменьшается ΔH, т.е. факел прижимается к земле, что способствует возрастанию концентраций на ее поверхности. С другой стороны, увеличение скорости ветра усиливает процесс рассеивания факела в вертикальном направлении, что приводит к уменьшению концентраций.

Рис. 8.2. Распределение концентрации вредных веществ в атмосфере от организованного высокого источника выбросов

На рис. 8.2 показано распределение концентрации вредных веществ в атмосфере над факелом организованного высокого источника выброса. По мере удаления от трубы в направлении распространения промышленных выбросов можно условно выделить три зоны загрязнения атмосферы:

переброс факела выбросов, характеризующийся относительно невысоким содержанием вредных веществ в приземном слое атмосферы;

задымление с максимальным содержанием вредных веществ и постепенное снижение 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;

зона постепенного снижения уровня загрязнения.

Максимальная концентрация 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.

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_r должна вдвое превышать опасную скорость ветра на уровне горловины трубы.

Распространение газообразных примесей и пылевых частиц диаметром менее 10 мкм, имеющих незначительную скорость осаждения, подчиняется общим закономерностям. Для более крупных частиц эта закономерность нарушается, так как скорость их осаждения под действием силы тяжести возрастает. Поскольку при очистке токсичной пыли крупные частицы улавливаются, как правило, легче, чем мелкие, в выбросах остаются очень мелкие частицы, их рассеивание в атмосфере рассчитывают так же, как и газовые выбросы.

Фоновая концентрация является характеристикой существующего загрязнения атмосферного воздуха на промышленных площадках и в населенных пунктах и представляет собой суммарное загрязнение атмосферы, обусловленное всеми источниками, в том числе и неорганизованными.

При проектировании вновь строящихся предприятий в районах, где атмосферный воздух и местность уже загрязнены вредными химическими веществами, выбрасываемыми другими предприятиями, сумма расчетной и фоновой концентраций для каждого вредного химического вещества в атмосфере не должна превышать установленных для него или рассчитанных значений ПДК.

Основным документом, регламентирующим расчет рассеивания и определения приземных концентраций выбросов промышленных предприятий, является "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86". В основу методики положено условие, при котором суммарная концентрация каждого вредного вещества не должна превышать максимальную разовую предельно допустимую концентрацию данного вредного вещества в атмосферном воздухе, т.е.

(8.20)

где С_м - максимальная концентрация загрязняющих веществ в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м ; С_ф - фоновая концентрация одинаковых или однонаправленных вредных веществ, характерная для данной местности, мг/м³.