CC BY
17
УДК 502.55.003.12 (203)
К ТЕОРИИ ОЦЕНКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ С ПРИВЛЕЧЕНИЕМ ИЗОПОВЕРХНОСТНЫХ МОДЕЛЕЙ ГЕОМЕТРИИ ПОТОКОВ
А.К. Курманкожаев, Т.П. Пентаев, С.Р. Оспанов
Казахская государственная архитектурно-строительная III академия
Атмосферадагы зиянды. заттардыц концентрациялык, агымда Ketjicmixmix дагы тараулыньщ теорияльщ acneKmici берйчген.
lili Изложены теоретические аспекты моделирования
пространственного распространения потоков концентрации вредного вещества в атмосфере.
Theoretical aspects of modeling of space spread of consentration stream ofharmfure substance in atmosphere are given.
В настоящее время проблема прогноза изменения экологических систем под влиянием естественных и антропогенных факторов приобретает жизненно важное значение. Исходным моментом является исследование геометрии процесса загрязнения окружающей среды вредными выбросами отходов как стационарных, так и нестационарных источников, что является частью более общей задачей сохранения внешней среды и рационального ис-
пользования природных ресурсов.
Проблема модельного описания закономерного и случайного характера распространения вредных веществ, загрязняющих атмосферный воздух и земную поверхность, являются одним из важных аспектов экологии в целом. В связи с чем рассмотрены целесобразность применения для этой цели системы изото-пографических (изогипсометричес-ких) моделей распространенных в сфере наук геометрии недр и reo-
морфологии земной поверхности.
Как установлено, при оценке геометрии распространения любого признака в пространстве объекта выделяют две его структурных составляющих аспектов: пространственного размещения и статистического распределения, с учетом соответственно закономерной и случайной изменчивости значений изучаемого признака.
В данной работе рассматривается теоретические аспекты созда-11ия рациональной модели геометрии пространственного распространения потоков концентрации вредного вещества в атмосфере, с привлечением концепции метода геометрии процессов и метода использования уравнений переноса и диффузии, веществ.
Как показывает анализ известных работ, на сегодня недостаточно решенными остаются основные задачи оценки закономерностей распространения примесей, особенностей загрязнения атмосферы и подстилающей поверхности пассивными и активными их видообразованиями. Если пассивным примесям присущи неизменяемость состава вплоть до выпадения на поверхность земли, то под активными примесями подразумевается та часть их, которые, вследствие вступления в химические реакции с водяным паром и т.д., до выпадения на землю успеет переходить из одного хи-
мического состояния в другое, т.е. претерпевают изменения.
Процесс распространения вредных выбросов в атмосфере происходит за счет адвективного их переноса воздушными массами и диффузии, обусловленной турбулент-ным-1 пульсациями воздуха, что со-здаег макромасштабные эффекты распоостранения примесей. Если выбрасываемые в воздух примеси состоут из крупных частиц (аэрозоли и т.д.), то, распространяясь в атмосфере, они диффундируют и под действием силы тяжести опускаются на землю. Характер функционирования этого процесса легко наблюдается как из видимого движения дымовых факел из заводской грубы, так и из выбросов от автотранспорта. Далее, как правило, происходит увлечение дымового факела потоком воздуха и постепенное его разбухание по мере удаления от источника вследствие мелкомасштабной турболентности в форме вытянутого конуса, которая расширяется в направлении движения воздушных масс. Далее, увеличиваясь под влиянием крупно-масштабных турбулентных флуктаций, это" факел распадается на изолирован ные вихревые образования. Тяже> лые вещества, состоящие из крупных частиц, за счет силы тяжести спускаются с определенной скоростью в соотвегствии с Законом Сто-кса и осаждаются в основном под
действием гравитационного поля, а легкие выбросы- в результате диффузионного процесса.
Оценка процесса распространения вредных тяжелых веществ может быть выполнена на базе общей теоретической задачи, формируемой в виде уравнений переноса и диффузии (движения) веществ, обеспечивающих единственность результатов решения. При этом решение задачи распространения переноса вещества из источника без учета диффузии приводит к получению единственной траектории, вдоль которой будет перемещаться изучаемое вредное вещество. Такая постановка задачи немедленно входит в противоречие с фактическими свойствами физического процесса по воздушному бассейну, ибо от точки источника, где вредные вещества выбрасываются в атмосферу, вдоль траектории, как правило, происходит некоторое его размывание, и вследствие чего получается не отдельная траектория, а целая область ненулевых значений плотности загрязняющих вредных веществ. Характеристиками такого размывания служат в первую очередь, мелкомасштабные флуктуации скорости ветра, свойственные статистической природе атмосферных движений.
Исследовательские работы по моделированию процесса распространения вредных выбросов незна-
чительны, и в основном в них для этой цели используются теоретические уравнения переноса и диффузии веществ. В них привлекаются функции, характеризующие взаимодействия вредных веществ с подстилающей поверхностью, с учетом боковой цилиндрической и полной поверхностью области (С).
Скорость опускания тяжелых веществ, поскольку подчиняется Закону Стокса и является величиной постоянной, предвычисляется с помощью задачи Стокса. Отсюда, в структруры уравнений переноса вредных примесей входит новое слагаемое в виде абсолютной величины вертикальной скорости веществ под действием силы тяжести. При дальнейшем преобразовании уравнения переноса и диффузии вредных веществ для случаев распространения тяжелых промышленных выбросов получается уравнение для определения количества выпавшего вредного вещества за конкретный интервал времени.
Один из основных недостатков метода оценки распространения вредных примесей, основанного на использовании теоретических уравнений переноса диффузии веществ, заключается в получении только дискретных значений вредного вещества, не раскрывая пространственного характера распространения его концентрации по окружающей среде.
Для оценки геометрии пространственного распространения вредной примеси по окружающей среде нами рекомендуется концепция использования для этой цели теории и модели геометрии потоков процессов. Объектами изучения метода геометрии потоков являются кинематика и динамика процесса формирования структур недр, течения подземных вод или процессов и т.д. Геометризация процессов, как изменение формы и свойства объекта по времени, обычно называется геометрией потока. При этом проблема геометрии потока изучается также с привлечением теории поля с использованием графического дифференцирования и интегрирования соответствующих векторно-го-пографических построений.
Геометрические операции с поверхностями являются главным содержанием геометрии потока. Особое внимание здесь уделяется поверхности топографического порядка. Любой поток слоисто-струйчатый, и соответственно этому имеется возможность всегда отобразить его геометрически линиями тока -для струй и изоповерхностями - для слоев, изменение геометрии потока отображается изменением конфигурации изолиний (изоповерхностей).
Этот процесс изменения топографических поверхностей можно отобразить серией последовательных мгновенных состояний ее
изменяющихся изолиний. Весьма существенное отличие геометрии потока от любых других геометрий состоит в отношении к числам «мнимым», т.е. к квадратным корням из отрицательных чисел. Итак, топографическую поверхность следует понимать не только в виде изолинии векторов, но V в виде действительной (вещественной) и мнимой. Мнимая топографическая поверхность столь же реальна, как и топографическая поверхность действи~ельна. Так как отличие между ними состоит в том, что в первом случае имеем дело с линиями потенциала, то во втором - с линиями потока.
Как видно, модель геометрии процессов (потоков) отображает от любого потока геометрическими линиями (тока) -для струй и изоповерхностями для слоев. Исходя из основных положений метода аналогии с учетом тождественных и других свойств, в качестве аналога величины потока принимается концентрация вредного вещества ( поток-концентрация), а также аналог «изо-поверхность-изоконцентрация». Изоповерхность пространственного контура распространения вредных веществ в атмосфере (или в почве) подразумевается как единство потоков -концентрации, состоящей из действительной ( потенциальной) и мнимой (вихревой) частей, имеющих устойчивые и неустойчивые виды. Это значит поверхность кон-
тура распространения концентрации вредного вещества может быть отображена системой двух поверхностей- потенциальной (действительной) и вихревой (мнимой) формы, тем самым не только в виде изолиний и векторов, но и в виде действительной (вещественной) и вихревой.
Важным является задача оценки интенсивности (темпа) распространения потока концентраций в атмосфере (или в почве), т.е. процесс изменения состояния поверхности концентрации, которое может быть отображена серией мгновенных состояний ее изменяющихся изолиний. При этом для оценки интенсивности изменения состояния поверхности потока концентрации вредного вещества в атмосфере рекомендуется использовать величину дивергенции с некоторым преобразованием формулы ее определения применительно к условиям формирования экологических потоков концентрации вредных веществ. Дивергенция имеет определения: объемный коэффициент расширения, отнесенный к единице времени, и скорость изменения объема, отнесенная к единице объема. Аналогично определяется дивергенция площади, длины, массы, электрозаряда и т.п. Дивергенция- величина скалярная, имеет размерность... и может быть функцией любого вида от ко-
ординат и времени. Следовательно, дивергенция может быть числом положительным либо отрицательным, действительным либо мнимым и т.д.
Таким образом, положенная концепция создания рациональной модели геометрии экологического процесса пространственного распространения потоков концентрации вредного вещества рассматривает комплексное использование метода геометрии потоков в сочетании с теоретическими методами, основанными на уравнении переноса и диффузии веществ. Необходимые исходные данные о фактических значениях изучаемого вредного вещества, фиксированных в контуре потока концентрации для построения модели геометрии поверхности, определяются на основе метода оценки переноса и диффузии веществ с привлечением их аналитических уравнений.
Изложенные теоретические аспекты моделирования пространственного распространения загрязнения атмосферы с привлечением комплекса моделей изоповерхнос-тей, геометрии потоков в сочетании с уравнениями переноса и диффузии веществ могут служить теоретико-методологической основой разработки рационального метода оценки геометрии распространения потоков концентрации вредных веществ в окружающей среде.
