CC BY
14
I
SCIENCE TIME
I
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ФОРМИРУЮЩИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА ТЕХНОГЕННО НАГРУЖЕННОЙ ТЕРРИТОРИИ
Костылева Людмила Николаевна, ЦНИИ ВВС (Минобороны России), г. Воронеж
Е-mail: [email protected]
Аннотация. Проведен анализ факторов, оказывающих существенное влияние на скопление загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха урбанизированных территорий.
Ключевые слова: окружающая среда, загрязнение, атмосферный воздух, источник выбросов.
Проблема защиты окружающей среды - одна из важнейших задач современности. Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоемы и недра на современном этапе развития достигли таких размеров, что в ряде районов земного шара, особенно в крупных промышленных центрах, уровни загрязнений существенно превышают допустимые санитарные нормы.
Главную опасность представляют собой загрязнения атмосферы. Загрязнение воздушного бассейна представляет угрозу здоровью человека и всей окружающей среде.
Вредные вещества, попадая в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, рассеиваются и вымываются из атмосферы. Степень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от того, будут ли эти вещества переноситься на большие расстояния от источника или скапливаться в районе их выброса [1; 3].
Для того чтобы обеспечить научно обоснованное управление качеством воздуха, необходима информация о выбросах вредных веществ, об уровнях загрязнения, их изменениях в течение длительного периода, а также о метеорологических условиях распространения примесей в атмосфере. Совместное рассмотрение этих сведений позволяет установить правильный диагноз состояния загрязнения воздушного бассейна и прогнозировать его на длительный период.
При постоянном режиме выбросов вредных веществ колебания уровня загрязнения происходят под влиянием условия переноса и рассеивания примесей в атмосфере.
1 SCIENCE TIME 1
Повышение концентраций примесей в конкретном районе зависит от определённых сочетаний метеорологических параметров. Чем точнее установлено это сочетание, тем с большей надёжностью будут осуществляться предупреждения о возможном накоплении примесей в атмосфере.
При выбросах от промышленных предприятий с высокими трубами значительные концентрации примеси у земли наблюдаются при так называемой опасной скорости ветра. Это вызвано тем, что выбрасываемая газо-воздушная смесь имеет определённую скорость выхода из трубы и в случае её перегрева относительно окружающего воздуха обладает плавучестью. В результате вблизи источника создаётся поле вертикальных скоростей, способствующих подъёму факела и уносу примесей в верхние слои атмосферы. При малых скоростях ветра увеличивается эффективный подъём факела и концентрации у земли снижаются. Максимальные концентрации примеси на разных расстояниях от крупного источника при скоростях ветра 3 - 6 м/с выше, чем при скоростях ветра 0 - 2 м/с [1; 2].
В случаях выброса из низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабых ветрах за счёт скопления примесей в верхних слоях атмосферы. В городах с большим количеством низких источников рост уровня загрязнения происходит при снижении скорости ветра до 1 - 2 м/с.
Термическая устойчивость атмосферы, определяющая вертикальное перемешивание воздушных масс, как и скорость ветра, различным образом влияет на формирование уровня загрязнения от высоких и низких, нагретых и холодных источников. Теоретическими исследованиями установлено, что концентрация примеси в приземном слое от выбросов высоких источников увеличивается при усилении турбулентного обмена, связанного с неустойчивой стратификацией [1; 2].
При выбросах из низких и неорганизованных источников, которых обычно много в городах, увеличение загрязнения атмосферы связано с усилением термической устойчивости атмосферы. Высокое загрязнение атмосферы не наблюдается, если Н > 0,5 км.
Увеличение концентрации примеси от высоких источников может достигать 50-70 %, если инверсионный слой располагается непосредственно над источником выбросов и ограничивает их подъём. Если слой ослабленной турбулентности расположен на достаточно большой высоте от источника, то возрастание приземной концентрации вблизи источника будет невелико. С ростом расстояния от него влияние задерживающего слоя возрастает. Слой инверсии температуры ниже устья трубы будет препятствовать поступлению выбросов вредных веществ в приземный слой атмосферы.
В городских условиях при наличии большого числа низких выбросов опасные условия скопления примесей создаются при приземных и низких приподнятых инверсиях температуры, поскольку и те, и другие указывают на ослабление вертикального обмена. При наличии инверсионного слоя над
1 SCIENCE TIME 1
городом содержание примесей в атмосфере на 10 - 60 % выше, чем при его отсутствии [1; 4].
Зависимость концентрации примеси от одного отдельно взятого метеорологического параметра выделить довольно трудно, поскольку влияние оказывает весь комплекс условий погоды, сопутствующий рассматриваемому параметру.
Инверсии температуры в сочетании с различными скоростями ветра могут усиливать опасность накопления примесей или создавать условия для их рассеивания. Большую опасность для городов представляют застойные ситуации, когда приземная инверсия сопровождается слабым ветром.
Накопление примесей в атмосфере усиливается в тумане. При поглощении примесей влагой могут образоваться более токсичные вещества. Например, в тумане происходит окисление сернистого газа до серной кислоты. При образовании тумана происходит увеличение концентрации примеси на 40 - 110 % по сравнению с концентрацией её до тумана [4].
Обычно источники выбросов существенно отличаются мощностью, высотой, температурой выходящих газов. Согласно широкому комплексу теоретических и экспериментальных исследований распространения примесей в атмосфере от различных типов источников, концентрации примесей в случае нагретых выбросов достигают максимального уровня по направлению господствующего ветра на расстоянии, примерно равном 20 высотам труб, а в случаях холодных выбросов на расстоянии, примерно равном 10 высотам труб. По экспериментальным данным наибольшие концентрации примесей наблюдаются на расстоянии 1 - 2 км от предприятий строительной промышленности, машиностроения и от котельных, что также соответствует расстоянию, равному примерно 10 высотам труб. Крупные химические, металлургические и нефтеперерабатывающие предприятия создают максимум загрязнения в радиусе 2 - 4 км.
Многочисленные газовые и дымовые факелы над городом перекрываются и создаются обширные зоны со сравнительно однородным распределением концентраций примесей (или фоновое загрязнение воздуха) [2, 3]. Фоновое загрязнение воздуха одновременно изменяется над значительной территорией города. Эти изменения обнаруживаются, в частности, при анализе информации о концентрации примесей в городском воздухе методом разложения на естественные ортогональные составляющие. Одновременные изменения концентраций примесей в городе составляют 40 - 90 % общей её изменчивости.
Поле концентрации различно для разных примесей и зависит от их химической активности, характера размещения предприятий на территории города и ряда других причин.
Если крупные промышленные предприятия размещены на одной промплощадке, но за чертой города, то наибольшее увеличение содержания примесей в воздухе отмечается на окраине города со стороны промплощадки. В основном характер распределения концентрации примеси формируется под влиянием предприятий, находящихся в городе. Однако общий фон загрязнения
1 SCIENCE TIME 1
дополнительно повышается за счёт поступления загрязнённого воздуха со стороны промышленного комплекса, находящегося вне города.
При выбросах через высокие трубы или при факельном выбросе в условиях безветрия рассеивание вредных веществ, происходит главным образом под действием вертикальных потоков.
Форма струи, вытекающей из трубы, зависит в основном от вертикального градиента температуры вблизи трубы. Температура нижнего слоя атмосферы может колебаться в широких пределах по высоте. Каждому типичному случаю температурной стратификации соответствует определенный характер формы струи, выбрасываемой из свободно стоящей трубы.
При падении температуры по высоте менее 1°С на 100 м состояние атмосферы устойчиво. Для этих условий в большинстве случаев газовый факел имеет форму конуса с горизонтальной осью. Расчетная концентрация загрязняющих веществ в этом случае близка к фактической. Такая форма струи наиболее часто наблюдается во влажном климате днем или ночью. Благоприятствует рассеиванию загрязняющих веществ облачная и ветреная погода. Конусная струя касается земли на большем расстоянии от трубы, чем волнообразная.
Таким образом, к факторам, формирующим загрязнение воздушного бассейна промышленных городов, относятся количество и интенсивность выбросов, степень урбанизированности территории, высота выбросов, рельеф местности, метеорологические факторы, а также архитектурная планировка.
Литература:
1. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнение атмосферы - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 242 с.
2. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометиоиздат, 1975. - 448 с.
3. Джувеликян Х.А. Экология, город, человек. - Воронеж: Воронеж. ун-т, 1996. - 104 с.
4. Захаровская Н.Н. Метеорология и климатология. - М.: Колос, 2005. - 127 с.
»
61
