CC BY
82
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ОКРЕСТНОСТЯХ НОВОСИБИРСКОГО ЭЛЕКТРОДНОГО ЗАВОДА
Василий Васильевич Коковкин
Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 3, старший научный сотрудник, тел. (383)316-56-32, email: basil@niic.nsc.ru
Владимир Федотович Рапута
ИВМиМГ СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 6, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Сергей Евгеньевич Олькин
ГНЦ ВБ «Вектор», 630559, пос. Кольцово, Новосибирская обл., заведующий лабораторией, тел. (383)336-74-79, e-mail: olkin@vector.nsc.ru
Сергей Владимирович Морозов
Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 9, заведующий лабораторией, тел. (383)330-66-62, e-mail: morozov@nioch.nsc.ru
В рамках кинематической схемы описания процесса распространения в атмосфере тяжёлой полидисперсной примеси предложена модель количественной интерпретации данных маршрутных наблюдений полей выпадений в окрестности точечного источника. На примере Новосибирского электродного завода выполнен численный анализ данных экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова пылью, ПАУ, ионными компонентами. Показано, что наиболее значительные выпадения измеренных компонентов происходят в ближней окрестности высотной трубы завода в составе крупных фракций частиц.
Ключевые слова: моделирование, источник выбросов, снежный покров, аэрозоль, выпадение, бенз(а)пирен.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF SNOW COVER CONTAMINATION IN THE ENVIRONS OF NOVOSIBIRSK ELECTRODES-MAKING PLANT
Basil B. Kokovkin
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS, 630090, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, tel. (383)316-56-32, e-mail: basil@niic.nsc.ru
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru
Sergey E. Olkin
SRC VB VECTOR, 630559, Koltsovo, Novosibirsk region, tel. (383)336-74-79, e-mail: olkin@vector.nsc.ru
Sergey V. Morozov
Novosibirsk Institute of Organic Chemistry SB RAS, 630090, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 9, tel. (383)330-66-62, e-mail: morozov@nioch.nsc.ru
In the framework of kinematic scheme description of distribution in atmosphere of heavy poly-disperse admixture process, a model was proposed for quantitative interpretation of routs observations of fallout fields in the environs of point-type source. On the example of Novosibirsk electrodes-making plant, the numerical analysis of experimental investigations of snow cover contamination by dust, PAH, ionic components data was done. It was shown that the mostly large fallouts of measured components are occurred the close-in high-rise plant chimney for large-scale particles fraction content.
Key words: modeling, pollution source, snow cover, aerosol, presipitation, benzo(a)pyrene.
Введение
Закономерности распространения в атмосфере и выпадения на земную поверхность тяжёлых примесей представляют значительный интерес для решения многих практических задач и изучения турбулентных свойств атмосферы [1, 2]. Движение в атмосфере облака тяжёлых частиц определяется в основном двумя факторами: действием силы тяжести в сочетании с силами сопротивления со стороны воздуха и полем ветра. Следует также отметить, что по мере увеличения скорости осаждения частиц происходит убывание коэффициентов турбулентного обмена. При скоростях оседания порядка 0.5 - 1 м/с вполне пригодна для использования кинематическая схема выпадения частиц на поверхность земли. При описании распространения более мелких фракций аэрозольных примесей следует учитывать эффекты турбулентного перемешивания в атмосфере [3].
При проведении численного моделирования и интерпретации данных экспериментальных исследований распространения тяжёлых примесей требуется также информация о функции распределения спектра размеров частиц, которая, как правило, отсутствует. В этом случае возникает необходимость учёта дополнительных априорных сведений о возможных описаниях функции распределения спектра размеров и постановках соответствующих обратных задач переноса примеси в приземном и пограничном слоях атмосферы [4].
Экспериментальные исследования
Новосибирский электродный завод (НЭЗ) расположен в равнинной местности в 50 км южнее Новосибирска. Основное производство основано на технологии пиролиза графита, изготовленного из антрацита Горловского разреза, кокса, каменноугольного пека, кубовых остатков нефтехимии. Полиароматические углеводороды (ПАУ) составляют значительную часть выбросов завода в атмосферу. Выброс смолистых веществ, включающих бенз(а)пирен (БП) и другие ПАУ, формируется в основном в цехе обжига и в настоящее время осуществляется через одну 180 метровую трубу.
Отбор проб снега в окрестностях НЭЗ проводился в начале марта 2010 г. по двум радиальным относительно трубы маршрутам, направленным на север и северо-восток. Основные выпадения примесей в зимнее время происходят в
основном в северо-восточном секторе [5]. Схема отбора снеговых проб представлена на рис. 1. Точки пробоотбора на маршрутах размещались с учётом предварительной информации об источниках выброса ПАУ, условий местности, системе дорог, размещения населённых пунктов и лесных насаждений, состояния снежного покрова, климатических характеристик повторяемости и скорости ветра в зимнее время и т.д. Наличие двух маршрутов позволяет повысить контроль точности оценивания полей загрязнения снежного покрова.
Рис. 1. Схема отбора снеговых проб в районе Новосибирского электродного завода ^ - основной источник выброса бенз(а)пирена
Предварительный анализ данных экспедиционных и химикоаналитических исследований показал, что концентрация БП в снеге, несмотря на значительную высоту трубы, с удалением от источника быстро уменьшается. Характер изменения концентрации БП с удалением от завода позволяет утверждать, что в данном случае вклад доли относительно мелких частиц, содержащих БП, в ближней зоне выпадений (до 3 км) относительно не велик.
Таким образом, основные выпадения БП в зоне до 3 км от трубы связаны с крупными композитными частицами и обусловлены спецификой протекающих технологических процессов. К северу, в непосредственной близости от завода в соответствии с направлениями преобладающих в течение зимы ветров сформировалась область очень высоких концентраций.
Постановка обратной задачи переноса полидисперсной примеси
Результаты проведённых экспедиционных и химико-аналитических исследований позволяют предположить, что выпадение БП в исследуемой зоне происходит в составе аэрозольных фракций, обладающих весьма значительными скоростями оседания в атмосфере. В данном случае для описания процесса выпадения БП на снеговой покров ограничимся
кинематическим приближением, которое можно выразить следующим соотношением
Н х
~ = й. (1) w и
Здесь Н - высота источника, w - скорость оседания определённой фракции частиц, х - расстояние от трубы, на котором происходит выпадение рассматриваемой фракции на подстилающую поверхность, и - средняя скорость ветра в слое оседания.
Распределение аэрозольной примеси в источнике по скоростям оседания w удобно задавать в виде следующей двухпараметрической функции [4]
N (w) =
а
п+1
п - aw
^ е
п > -1
п
а =
w„
(2)
Г (п +1)
где параметр wm характеризует скорость преобладающей по количеству частиц фракции примеси, п - степень однородности распределения частиц примеси по скоростям w, Г(п) - гамма-функция Эйлера.
С учётом (1), (2) количество полидисперсной примеси, выпадающей на расстоянии х для заданного направления и скорости ветра за время Т , можно оценить с помощью соотношения
гин ^
(3)
Р( х) = 0 • Т • N
х
где 0 - производительность источника. Тогда концентрация примеси в функциональной зависимостью
в) = вх х02 ехр еОТап+1 (ин)'
в.
\
V
снеге опишется следующей
(4)
в
в
п
в= аин
(5)
проводится по данным
Г (п +1)
с - коэффициент разбавления примеси в снеге.
Оценка неизвестного вектора параметров в наблюдений с использованием метода наименьших квадратов.
Численное моделирование
Для оценки трёх параметров в (4) необходимо использовать наблюдения не менее, чем в трёх точках по маршруту отбора снеговых проб. Их выбор проводился с использованием методов и алгоритмов построения локально оптимальных планов наблюдения. На рис. 2 приведены результаты восстановления поля концентрации БП по трём опорным точкам измерений в северо-восточном направлении от источника. Из анализа рис. 2 вытекает удовлетворительное согласие измеренных и вычисленных концентраций различных инградиентов примеси в контрольных точках наблюдений.
НовЭЗ С-В (бензапирен)
НовЭЗ С-В (сульфаты, -ЕЕ фон=1,1 мг/л)
км
км
НовЭЗ С-В
НовЭЗ С-В
км
км
Рис. 2. Численно восстановленные концентрации бенз(а)пирена, сульфатов,
нитратов, пыли в снеге на северо-восточном маршруте пробоотбора. о -опорные точки, • - контрольные точки наблюдений
Максимум приземной концентрации достигается на расстоянии менее 0,5 км от трубы, что указывает на весьма высокие скорости оседания выбрасываемых частиц.
Заключение
В рамках кинематической схемы оседания крупных частиц примеси в атмосфере разработана малопараметрическая модель реконструкции поля выпадений в полидисперсном приближении, что позволяет проводить численный анализ данных наблюдений в диапазоне расстояний до 3-4 км от источника. Апробация модели показала вполне удовлетворительное согласие с данными экспериментальных исследований загрязнения снегового покрова в зоне влияния высотного источника выброса крупнодисперных фракций примеси. При построении модели оценивания существенную роль играют априорные сведения о характеристиках дисперсного состава примеси. Значительные выпадения примесей в ближних окрестностях электродного завода происходят в составе крупных фракций частиц, что указывает на практическое отсутствие очистки выбрасываемых в атмосферу примесей.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 4.4.
1. Юдин М.И. К теории рассеяния тел конечных размеров в турбулентной атмосфере // ДАН СССР, 1945. - Т. 49. - № 8. - С. 584-587.
2. Смит Ф.Б. Турбулентное рассеяние облака тяжёлых частиц / Атмосферная диффузия и загрязнение атмосферы. М.: ИЛ, 1962. С. 217-235.
3. Бызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 279 с.
4. Прессман А.Я. О распространении в атмосфере тяжёлой неоднородной примеси из мгновенного точечного источника // Инженерно-физический журнал. 1959. - Т. 2. - № 3. - С. 78-87.
5. Климат Новосибирска. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 221 с.
© В.В. Коковкин, В.Ф. Рапута, С.Е. Олькин, С.В. Морозов, 2012
