CC BY
14
УДК 551.506+551.510.41+551.510.42
ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДАЛЬНЕГО ПЕРЕНОСА И ТРАНСФОРМАЦИИ ПРИМЕСЕЙ В ШЛЕЙФЕ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Денис Валентинович Симоненков
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, e-mail: simon@ioa.ru
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Борис Дмитриевич Белан
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1, доктор физико-математических наук, зам. директора, тел. (3822)491-406, e-mail: bbd@ioa.ru
Предложены модели оценивания регионального переноса активных и пассивных примесей от площадного источника. Проведена апробация моделей на данных самолетного зондирования загрязнения атмосферы Норильского промышленного района. Показан активный переход газ ^ частица, наблюдаемый на удалении 60-100 км от источника выбросов.
Ключевые слова: атмосфера, модель, параметр, оценка, трансформация примеси.
NUMERICAL ANALYSIS OF THE LONG-RANGE TRANSPORT PROCESSES AND THE TRANSFORMATION OF POLLUTANTS IN EMISSIONS PLUME OF THE INDUSTRIAL DISTRICT.
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Denis V. Simonenkov
V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 1 Academician Zuev square, Ph. D., researcher, e-mail: simon@ioa.ru
Tatyana V. Yaroslavtseva
FBSI «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko, Ph. D., researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru
Boris D. Belan
V. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 1 Academician Zuev square, D. Sc., Deputy Director, tel. (3822)491-406, e-mail: bbd@ioa.ru
The models for regional transport evaluating of active and passive impurities from the area source were proposed. The approbation of models using data from the airplane sensing of the atmosphere pollution of Norilsk industrial region has been spent. Active transition of the gas ^ particle, which has been observed at a distance of 60-100 km from the emission source was revealed.
Key words: atmosphere, model, parameter estimation, the transformation of impurities.
Введение. Описание процессов переноса примесей в пограничном слое атмосферы на больших удалениях от источников выброса может быть существенно упрощено [1]. В этом случае зависимость концентрации примеси от расстояния определяется сравнительно небольшим числом параметров. В их число входит интенсивность выброса примеси, высота слоя перемешивания, средняя скорость ветра, поперечная дисперсия, коэффициенты трансформации, оценка которых проводится в агрегированном виде по данным наблюдений.
В ноябре 2002 г. в Норильском промышленном районе проводилось комплексное зондирование атмосферы с использованием самолета-лаборатории Ан-30 «Оптик-Э» с целью определения степени и характера воздействия Норильского горно-металлургического комбината на состояние воздушного бассейна прилегающих и отдаленных территорий региона. Основным источником загрязнения воздуха района являются выбросы от добычи и переработки сульфидных руд цветных металлов. В результате обжига руды сульфидная сера окисляется до газообразного сернистого ангидрида, на который приходится до 96 % в общем массовом балансе выбросов. Таким образом, основная часть выбросов в виде кислотных оксидов, главным образом, серы, выносится из города в газовой фазе. Химические процессы трансформации серы, согласно теоретическим представлениям [2 - 4], идут по пути ее окисления до высшей валентности VI и нейтрализации: H2S ^ SO2 ^ H2SO3 ^ H2SO4 ^ M(HSO4)m ^ M2(SO4)m, где Mm+ - катион какого-либо металла.
Модели оценивания полей концентраций в шлейфе выброса. В основу моделей оценивания полей концентраций по данным наблюдений положены соотношения баланса массы пассивной и химически активной примеси, поступающей из стационарного точечного источника в пограничный слой атмосферы, и асимптотик решений полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии. Исходя из особенностей переноса пассивных примесей на значительных удалениях от площадного источника, для описания в направлении сноса поля концентрации по оси шлейфа примеси, была использована следующая модель реконструкции [1]:
q (г, е) = е/ г,
0 = М/2nuH, М = jjm(£, л)d^d^,
(1)
(2)
s
где г - расстояние от источника; М - суммарное поступление примеси с территории 5; т(£, - эмиссия примеси из точки (£,, , принадлежащей 5; и и Н - средняя скорость ветра и высота слоя перемешивания.
Модель (1), (2) описывает асимптотическое поведение концентрации примеси, начиная с определенных расстояний от площадного источника. В самом источнике и для близких расстояний она не пригодна.
Для оценивания суммарной концентрации активной примеси в поперечном шлейфу направлении использовалась следующая двухпараметрическая зависимость [1, 3]
С(г,0) = 01ехр(02г),
(3)
описывающая процесс трансформации примеси от стационарного источника.
Предполагается, что удаление от 5 составляет более 7-10 км. Следует также отметить, что функция т(<^, , как правило, неизвестна. Оценка параметров 6, 6Ь 62 в зависимостях (1), (3) проводится по данным наблюдений методом наименьших квадратов.
Экспериментальные исследования. Маршрутный отбор газовых и аэрозольных примесей выполнялся по основному направлению сноса воздушной массы на удалении от 20 до 140 км от Норильска. Полет происходил 10 ноября 2002 г. в светлое время суток согласно схеме, изображенной на рис. 1.
84
69,4 69,2
го
& 69,0 о.
68,8 68,6
84
85
—I—
86 —I—
87
—I—
88 —I—
89
^ 800 м
' _I_I_
удинка Норильск
Апыкель--,.
600 м
400 м
85
86 87 Долгота
88
- 1200м
69,4 69,2 69,0 68,8
68,6
89
Рис. 1. Схема выполнения самолетного зондирования 10 ноября 2002 г. в шлейфе выноса примесей от Норильского промышленного района
на высоте 400 м
Горизонтальные полеты выполнялись на высотах 400, 600, 800, 1 200 м над уровнем моря равноудаленными галсами - от 3 до 6 на каждой высотной площадке. В утренние часы погоду в районе Норильска определяла центральная часть заполняющегося циклона с приземными фронтами, затем наблюдалось малоградиентное поле пониженного давления. Воздушная масса была арктическая. Измерения проводились на всех площадках. Наибольший интерес для анализа представляет площадка 400 м, где сконцентрировалась основная часть шлейфа, поскольку рассмотрение профилей 600-1 200 метров показало приближение концентраций газов к фоновым с ростом высоты.
Результаты измерений представлены в табл.
Таблица
Относительный химический состав ( %) и суммарная концентрация аэрозоля _(мкг/м3) на разном удалении от Норильска_
Компоненты примеси, % Расстояние от города, км
58 65 73 82 92
Свинец 2 3 — 4 6
Хлориды 3 8 8 9 14
Кальций 64 62 50 29 9
Сульфаты 4 15 27 43 51
Суммарная концентрация, мкг/м3 71,2 51 24,9 20,8 11,4
В приходящем из города воздухе концентрация SO2 достигала 450 мкг/м3. Ближняя граница площадки находилась на расстоянии 58 км от города, дальняя около 100 км. При этом достаточно контрастно прослеживается переход от городского шлейфа к фоновым условиям. Источником кальция изначально, по всей видимости, является известь, добавляемая при обжиге с целью обогащения медно-никелевой руды. Кальций, попадающий в атмосферу при сгорании, содержится в микродисперной фракции, в диапазоне размеров частиц 20-180 нм, и, вероятно, напрямую реагирует с оксидом серы по реакциям типа: СаО + SO2 {+ 2H2O} = CaSOз{*2H2O}, CaSOз*2H2O + 1/2а = CaSO4*2H2O [2, 4].
Численный анализ процессов переноса пассивных и активных примесей. На рис. 2 приведены результаты численного восстановления с помощью зависимости (1) концентраций свинца и хлоридов в шлейфе выброса по опорной точке, находящейся в 58 км от Норильска. Анализ рис. 2 показывает, что распространение пассивной примеси в атмосфере вполне соответствует физическим представлениям.
На рис. 3, а и б представлены результаты оценивания с помощью зависимости (1) концентраций кальция и сульфатов. Очевидно, что модель распространения пассивной примеси в данном случае мало пригодна. На рис. 3, в приведено восстановление по модели (3) суммарной концентрации кальция и сульфатов. Из анализа рис. 3, в вытекает, что в рассматриваемом диапазоне расстояний модель (3) вполне адекватно описывает процесс трансформации.
Рис. 2. Измеренная и восстановленная концентрация свинца (а) и хлоридов (б) в шлейфе выброса: о, • - опорные и контрольные точки измерений
Рис. 3. Измеренная и восстановленная по модели (1) концентрация кальция (а), сульфатов (б). Оценка по модели (3) суммарной концентрации кальция
и сульфатов в шлейфе выброса (в)
Заключение. На основе моделей оценивания полей регионального переноса и трансформации примесей выполнен численный анализ данных самолетного зондирования загрязнения зимней атмосферы Норильского промышленного района. Показано, что двухпараметрическая модель трансформации вполне адекватно описывает изменение с расстоянием полей концентраций в шлейфе выноса примесей. С учетом скорости воздушного переноса активный переход газ ^ частица, наблюдаемый на удалении 60-100 км от источника выбросов, подтверждает средние оценки времени жизни диоксида серы в реальной атмосфере. В условиях полярной атмосферы с малой влажностью зимой основным путем выведения из нее SO2, видимо, является сухая гетерогенная конденсация, основной контрагент в которой - оксид кальция, также промышленного происхождения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рапута В. Ф., Олькин С. Е., Резникова И. К. Методы численного анализа данных наблюдений регионального загрязнения территорий площадным источником // Оптика атмосферы и океана. - 2008. - Т. 21, № 6. - С. 558-562.
2. Рябошапко А. Г. Модель химических превращений и выведения из атмосферы соединений серы и азота при дальнем атмосферном переносе // Труды ИПГ. - 1988. - Вып. 71. -С. 25-32.
3. Израэль Ю. А., Назаров И. М., Прессман А. Я. Кислотные дожди. - Л. : Гидрометео-издат, 1989. - 269 с.
4. Савенко С. В. Природные и антропогенные источники загрязнения атмосферы // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер.: Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов. - 1991. - Т. 31. - 212 с.
© В. Ф. Рапута, Д. В. Симоненков, Т. В. Ярославцева, Б. Д. Белан, 2017
