CC BY
25
ЭКОЛОГИЯ
УДК 504.3.054:001.573
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА ОТ МЕТЕОУСЛОВИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ
ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2004 г. Н.С. Бузало, А.Н. Никифоров
Под понятием «промышленный регион» понимается территория с линейными размерами от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Пространственная область с таким основанием и высотой до двух километров в специальной литературе называется мезометеорологическим пограничным слоем атмосферы [1, 2]. Данный слой характеризуется тем, что явления, протекающие в нем, формируются под влиянием подстилающей поверхности и могут значительно отличаться от глобальных (фоновых) метеополей. Тип подстилающей поверхности (снег, вода, культивируемые земли, и т.п.), а также время года, суток, метеорологическая обстановка определяют установившуюся под действием солнца температуру земной поверхности. Колебания этой температуры приводят к образованию восходящих и нисходящих потоков воздуха. Поэтому состояние верхних слоев почвы может оказывать существенное влияние на приземную концентрацию примеси.
В используемых в настоящее время практических методиках расчета загрязненности атмосферы региона поле скорости движения воздуха или задается априорно, или рассчитывается на основе достаточно грубых предпосылок. При этом не учитываются данные о влиянии температуры атмосферы и поверхности Земли на рассеивание примеси (или учитывается только тип стратификации атмосферы), а также пренебрега-ется сезонным и суточным характером распространения загрязняющих веществ. Для того чтобы оценить, в каких случаях возможно использовать упрощенные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере региона, выполнен численный анализ зависимости концентрации примеси от метеоусловий и температуры подстилающей поверхности.
Вычислительные эксперименты проведены на основе достаточно полной трехмерной нестационарной математической модели, полученной в [3, 4]. Модель представляет собой краевую задачу, основанную на законах сохранения количества движения, массы, энергии воздуха, энергии в почве, влагосодержания и компонент примеси, и позволяет одновременно учитывать химические трансформации примесей, орографическую неоднородность подстилающей поверхности, горизонтальную и вертикальную неоднородность турбулентно-диффузионных свойств воздуха (в частности, слоистость атмосферы), влияние конвективно-стратификационных процессов и влажности на распространение примеси.
Для решения задачи разработан численный ко-нечно-разностностный метод расщепления по физическим процессам решения связанной системы уравнений количества движения, несжимаемости, энергии в атмосфере, энергии в почве, концентрации компонентов примеси и влагосодержания в трехмерной области сложной конфигурации и переменными коэффициентами турбулентности. Алгоритмы численного решения построенной краевой задачи, свойства получаемых разностных схем и методы решения сеточных уравнений описаны в [3, 5]. С помощью пакета программ «У1ТЕСО№>, реализующего данные численные алгоритмы, проведено исследование процесса распространения загрязняющей примеси в мезометеорологи-ческом слое атмосферы при неоднородной температуре подстилающей поверхности.
Оценка влияния неоднородности температуры атмосферы и подстилающей поверхности на распространение загрязняющего вещества в воздушной среде
Вначале рассмотрим краткосрочный прогноз переноса загрязняющей примеси в приземном слое атмосферы (для интервала времени 0 < t < 5000 с) на двумерной задаче. Температура подстилающей поверхности считается стационарной. Ширина области 30 км, высота 1,04 км. Источник газообразной примеси мощностью Qc=1 г/м2-с расположен в точке х = 15 км, высота источника варьируется от 0,04 до 0,4 км.
Пусть температура поверхности земли одинакова во всей области. Проведено сравнение результатов расчетов концентрации загрязняющего вещества случаев: 1) температура поверхности земли ниже температуры атмосферного воздуха на высоте 1 км на 10 °С, 2) температура поверхности земли и воздуха одинакова, 3) температура поверхности земли выше, чем у атмосферного воздуха на высоте 1 км на 10 °С. Численные решения краевых задач с соответствующими начальными условиями обозначим Сь С2, С3. Также рассмотрим функцию 8Сг, ] (х) = |сг. (х) - С] (х)|/С, (х) при С, Ф 0 . Начальные
условия для скорости движения воздуха и концентрации однородные. Геострофический ветер отсутствует
V, = 0.
В первом случае в расчетной области формируются нисходящие потоки воздуха, что приводит к существенному увеличению приповерхностной концентрации примеси. В третьем случае образуются восходящие потоки, снижающие концентрацию. При перепаде температур на поверхности земли и на высоте 1 км в 10 °С отклонение приповерхностной концентрации составляет 70 % относительно варианта с отсутствием конвекции (рис. 1, 2). Этот результат стабилен при любой высоте источника.
с, мг/м2
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2' 0,1 0
А / \ \
/ » \ С1
/ /
1 / » \
1 1 » \
/ С2 / ;
# # / \ V
/ / / / / \ \ \
/ / /С3 \ \ » \
■ 1
12
13
14
15
16
17
Рис. 1. Зависимость концентрации примеси от координаты х при t = 5000 с
С %
85 80 75 70 65
60 55
......•....... 8С / ,2
..... ** <
—Г"
10
—Г"
12
—Г"
14
16
—Г"
18
Рис. 2. Зависимости ЪCi j (х) в момент времени t = 5000 с
Пусть имеется температурная неоднородность подстилающей поверхности. Рассмотрим, как влияет ее размер на значения концентрации примеси при различной величине геострофического ветра и различной высоте источника (Н = 400 м, Н = 40 м). Источник загрязнения находится над центром тепловой неоднородности. Начальные условия для скорости движения воздуха, температуры и концентрации однородные.
При неоднородной температуре подстилающей поверхности максимальные положительные значения вертикальной составляющей скорости движения воздуха наблюдаются не над центром температурного источника, а ближе к области с нисходящим движением (рис. 3). Полученный качественный результат совпадает с опытными данными Л.Т. Матвеева [1, 2].
—in и
*{VIVkkl11111 н '' l f^VkUUllii^i ¡kniHüii* H HiunKШ {tlllllH'i itkiuiUt MiiuiiH ttiiiiiiH itUiiiuH tbiiiiK)
.tbiuiiM i Ниши*
j.fbinuU,,
W^iuiikttli
W'iiuiikltb fiN'lllllU"^ //'"iillllkl^Ä
""///у/11 nvvvvw V v' k-v-
"rrfHHJJ/"/
" " " чи'Ш
-xwvvww.....
' ......
- - .^-wwwwvvv«.^
f^'liCvVVVV^
Рис. 3. Поле скорости движения воздуха при t = 5000 с: а -при отсутствии геострофического ветра и ширине тепловой неоднородности на поверхности (области повышенной на 10° С температурой) 10 км; б - при отсутствии геострофического ветра и ширине тепловой неоднородности на поверхности 2 км; в - при иа =10 м/с и и ширине тепловой неоднородности на поверхности 10 км
Численные эксперименты показывают, что влияние теплового источника на распространение газообразной примеси в воздушной среде велико. Отклонения значений приповерхностных концентраций от значений концентрации при отсутствии тепловых неоднородностей подстилающей поверхности превышают 80 %. Особенности приповерхностного поля концентрации имеют сложный характер и зависят от протяженности тепловых неоднородностей, от высоты
а
x, км
z, км
0 . 8
0 . 6
0 . 4
0 . 2
x, км
0 . 0
в
расположения источника примеси и от наличия геострофического ветра. Естественное предположение о том, что увеличение ширины теплового источника приведет к снижению концентрации примеси на поверхности земли, так как увеличивается зона восходящих движений воздуха, справедливо только для высокого источника загрязнения (Н = 400 м) при отсутствии геострофического ветра (рис. 4а). При низком источнике загрязнения или геострофическом ветре (рис. 46) бризовые и волновые эффекты в движении воздуха приводят к образованию зон повышенной концентрации.
с, мг/м2.
0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0
с, мг/м2 0,08
0,07 0,06
0,05 0,04' 0,03 0,02 0,01 0
С
1
4 /
•
_
-
-
С2
/ *
4 4 * % / / 4 •
. / С3 ч _
/ „
V
> к S.
_.
12 3 1 4 a 15 16 17 , км
С1
/
/ С2
(/ г < /
/ ы s С3
1. t
¡1
Г ¡ll
i/'
Í
/
—1
16
18
24
26
20 22
б
Рис. 4. Зависимость концентрации примеси от координаты х при источнике загрязнения высотой Н = 400 м, (t = 5000 с): а - иа =0 м/с; б - иа =10 м/с; С1 - температура подстилающей поверхности однородна, С2 - тепловой источник шириной 2 км, С3 - тепловой источник шириной 10 км
Влияние суточных колебаний радиационного баланса поверхности земли на распространение примеси в атмосфере в зависимости от времени года
На радиационный баланс поверхности земли существенно влияет снежный покров. Поэтому была проведена серия вычислительных экспериментов по изучению суточного хода концентрации загрязняющего вещества в мезометеорологическом слое атмосферы при наличии снега и его отсутствии на культивируемых землях. Условия вычислений предполагают
постоянно действующий источник и слабый постоянный геострофический ветер (5 м/с) при ясной погоде.
Суточный ход радиационного баланса задается функцией
R(t) = R1 sin(п/t2 )(t- t1), t1 < t < t1 +t2; R(t) = -R0, t < tj, t > tj +12.
Здесь tj, tj +12 - время перехода радиационного баланса через нуль (R = 0) утром и вечером, Rj - амплитуда дневного хода R, R0 = Б* > 0 - эффективное излучение земной поверхности (в течение ночи при отсутствии или постоянном количестве облачности сохраняется постоянным).
В январе на широте ф°= 40° при ясной погоде и отсутствии снега: tj = 8 ч., t2= 8 ч., R0= 60 Вт/м2, Rj = =100 Вт/м2. Альбедо при свежевыпавшем снеге достигает 90 %. Альбедо культивируемых земель без снежного покрова в среднем составляет 12 %. Увеличение альбедо от 12 до 90 % сопровождается уменьшением R в 3 раза.
Оказалось, что при наличии снега поле концентрации примеси остается практически постоянным в течение светового дня. При отсутствии снега, вследствие существенного изменения во времени радиационного баланса поверхности, возникают конвективные движения воздуха (рис. 5).
0.8-
.0.4-
0 . 0
V = (u ,w Л
а*********************!!, 444*1444444444444444444/
4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 П M 4 П H M M M П M H t t t t t t t t I t t t t I t t t t t t t f t t t
5
—I—
1 0
—I
1 5
2 0
2 5 x, км
0,8-
0,6-
0 , 0
= (u ,w J^
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\Y \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\Y WWWWWWWWWWWV \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\W \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\" \\\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \\ \ \ \ \ \ H M M M M M M M M M M M M
~r
1 0
1 5
~r
2 0
2 5
б
Рис. 5. Поле скорости движения воздуха при отсутствии снежного покрова: а - t = 9 ч 00 мин, б -1 = 13 ч 30 мин
z, км -
0.6-
0.2-
0
а
z, км
0 , 4
0 , 2
0
5
x, км
В результате значения концентрации примеси вблизи поверхности земли существенно трансформируются в течение суток. Возникающие в первые часы после рассвета восходящие движения воздуха над поверхностью без снежного покрова приводят к значительному уменьшению приповерхностной концентрации примеси во всей области по сравнению со случаем снежной поверхности. Далее восходящие потоки воздуха постепенно затухают и после 12 ч наблюдаются нисходящие движения, что приводит к росту концентрации газообразной примеси в приземном слое.
В момент Г = 12 ч 30 мин значения концентрации примеси при наличии и отсутствии снежного покрова наиболее близки, особенно вблизи источника загрязнения (рис. 6а).В течение периода от 13 до 16 ч (время перехода радиационного баланса через ноль) нисходящие движения воздуха усиливаются. Это сопровождается ростом приповерхностной концентрации во всей области до 14 ч. Начиная с 14 ч концентрация вблизи источника загрязнения увеличивается и уменьшается при удалении (рис. 66, 7),что обусловлено поглощением загрязняющей примеси подстилающей поверхностью.
с, мг/м'
0,15 -
0,10 -
0,05 -
0,00
с, мг/м2
1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 0,2 0,0
1-1-1-'-1
14 16 18 20 22 24 26
х, км
----L„
—I—|—I—■—I—■—I
14 16 18 20 22 24 26 х, км
б
Рис. 6. Концентрация при наличии (¿¡) и отсутствии снежного покрова (Ь2) : а - Г = 12 ч 30 мин; б -Г = 16 ч
При Г > 16 ч нисходящие движения воздуха затухают, что сопровождается уменьшением концентрации примеси вблизи источника и ее увеличением на расстоянии от источника более 5 км. При Г = 22 ч графики концентрации газообразной примеси при отсутствии и наличии снежного покрова практически совпадают.
Таким образом, при отсутствии снега в определенные периоды суток вблизи источника образуются зоны повышенной в несколько раз концентрации, а при удалении от него пониженной по сравнению в распределением концентраций при наличии снега.
При исследовании влияния времени года было получено существенное различие значений концентраций примеси в приземном пограничном слое. Сопоставлены особенности распространения газообразной примеси в течение суток при ясной погоде в октябре и июле. В октябре на широте ф°=40° при ясной погоде: Г1 =7 ч, Г2 =10 ч, Е0 =70 Вт/м2, ^ =200 Вт/м2. В июле: Г1 =5 ч, Г2 =14 ч, В0 = 95 Вт/м2, Я1 = 400 Вт/м2, Хш =1,25 Вт/м2.
Качественная картина изменения во времени воздушных течений в ясной погоде одинакова для любого сезона. Однако изменяется величина вертикальной составляющей скорости движения воздуха. Осенью максимальное отрицательное значение вертикальной составляющей скорости движения воздуха =0,31 м/с (и в июле и в октябре наблюдается в
момент времени Г = Г1 + Г2), летом =0,75 м/с. Осенью максимальное положительное значение вертикальной составляющей скорости движения воздуха =0,412 м/с (наблюдается утром, приблизительно через час после перехода радиационного баланса через ноль), летом =0,734 м/с.
Наибольшая разница между значениями концентрации загрязняющей примеси в октябре и в июле отмечена в интервале 5 < Г < 7 ч и составляет более 500 % (рис. 8). Это вызвано тем, что в июле в это время наблюдаются восходящие потоки воздуха, а в октябре - нисходящие.
с, мг/м2
10 12 14 16 18 20 22 24 26
х, км
Рис. 7. Зависимости концентрации примеси от координаты х в интервале времени от 13 ч до 16 ч: С - Г = 13 ч, С2 - Г = 14 ч, С3 - Г = 15 ч, С4 - Г = 16 ч
а
L
с, мг/м2 1 ,4 1 ,2 1 ,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0
Рис. 8. Зависимость концентрации примеси от координаты x при t = 8 ч С1 - в октябре, С2 - в июле
Формирование «острова» тепла над местностью с высокой концентрацией антропогенных примесей
Сформулированная в [3, 4] краевая задача для определения концентрации примеси в мезометеорологи-ческом пограничном слое атмосферы позволяет учитывать взаимное влияние полей температуры и концентрации. Облако примесей уменьшает эффективное излучение земной поверхности и приток солнечной радиации. При этом температура поверхности и атмосферы изменяется, в результате возникают конвективные потоки, которые, в свою очередь, влияют на поле загрязненности.
Рассмотрим, как влияет наличие источника загрязнения золой мощностью Qc = 1000 мг/м2 расположенного в точке с координатами x = 15 км, г = 0,4 км на суточный ход температуры подстилающей поверхности при у0 = 0 в области шириной 30 км и высотой 1,04 км при ясной погоде в июле. Источник загрязняющей примеси начинает действовать в момент t = 5 ч. Суточный ход радиационного баланса в точке с координатами х, у задается функцией:
Я (х, у, t ) = Я (5 (х, у, t), t ) = = ((5 (х, у, t)) - Я0( 5 (х, у, t)) )х
X Б1П
(t - О, ti < t < ti + t2,
Я (х, у, t ) = Я (5 (х, у, t К ) = = -Я0(5(х, у, 0), t < t > ^ +
Здесь ^ + ^ - время перехода радиационного баланса через ноль (Я = 0) утром и вечером,
Я2 - Я0 = Я1 - амплитуда дневного хода Я, Я2 - приток
*
солнечной радиации, Я0 = В > 0 - эффективное излу-
В июле на широте ф°=40° при ясной погоде: ^ =5 ч, ^ =14 ч, Я0 = 95КВ* Вт/м2, Я2 = 400К1 Вт/м2, КВ* = 1- 0,5 5/25,4, К = 1-0,1 5/25,4.
На рис. 9 приведена температура подстилающей поверхности в различные моменты времени от «рассвета» (перехода радиационного баланса через ноль, t = 5 ч) до «полудня». В «ночное» время влияние источника загрязняющей примеси на температуру является более существенным. На рис. 10 представлены графики температуры подстилающей поверхности для интервала времени от вечернего перехода радиационного баланса через ноль ( = 19 ч) до утреннего перехода.
T, °C 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27
I
-3 1,
/ ............L 7 ......L« ..... L 5 _._.. l 4 .....L 3 --- L 2 — L 1
/
Т~Г ^_ \
-1- -1- -1- -'- -'- -1-
1 0
1 5
20
25
X, км
Рис. 9. Температура подстилающей поверхности: линия ¿1 соответствует моменту времени t = 6 ч, Ь2 - t = 7 ч, Ь 3 - t = 8 ч, Ь 4 - t = 9 ч, Ь 5 - t = 10 ч , Ь 6 - t = 11 ч , Ь 7 - t = 12 ч
T, °C
28 27 2Г 25 24 23 22 21
i i — L i - - L 2 -
i Г; i i
/ \ v .....L 3
j Ы-
L i
.'/ / / / \v
. " / »• "L V
5 10 15 20 25
X, км
чение земной поверхности,
3
S(х, y, t) = J c(x, y, z, t)dz .
Рис. 10. Температура подстилающей поверхности: Ь1 - t = 4 ч; Ь 2 - t = 24 ч; Ь 3 - t = 20 ч
Проведенные исследования и анализ полученных данных позволяют сделать следующие выводы:
0
5
0
- модели, не учитывающие тепловую конвекцию или учитывающие наличие вертикальных движений воздуха через введение поправочных коэффициентов, не могут удовлетворительно описывать процесс переноса примеси в областях с температурными неодно-родностями;
- сравнение суточной динамики концентрации примеси в различное время года и при различных типах подстилающей поверхности свидетельствует о сложном нелинейном характере отличий. Это делает невозможным введение соответствующих поправочных коэффициентов при использовании более простых моделей поля загрязнения воздуха, не учитывающих изменение радиационного баланса поверхности;
- при разработке микроклиматических прогнозов погоды целесообразно учитывать взаимное влияние полей температуры и концентрации загрязняющих веществ, так как облако примесей может значительно изменять температуру подстилающей поверхности, особенно в ночное время суток.
Литература
1. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии: Физика атмо-
сферы. Л., 1984.
2.МатвеевЛ.Т. Динамика облаков. Л., 1981.
3. Никифоров А.Н., Бузало Н.С. Моделирование полей загрязненности атмосферы в мезометеорологическом пограничном слое // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2001. Спецвыпуск. С. 126-129.
4. Никифоров А.Н., Бузало Н.С. Моделирование загрязненности влажной неизотермической атмосферы при неоднородной подстилающей поверхности // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2002. Спецвыпуск: Математическое моделирование и компьютерные технологии. С. 52-59.
5. Бузало Н.С. Численное моделирование пространственного воздушного потока над подстилающей поверхностью со сложным рельефом // Математические методы в физике, технике и экономике: Сб. науч. ст. кафедры прикладной математики ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2002. С. 32-43.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) 24 ноября 2003 г.
УДК 678.744.422:628.543
ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА НЕНАСЫЩЕННЫХ
ПОЛИЭФИРОВ
© 2004 г. И.А. Неелова, О.В. Аксенова
В химической промышленности, как известно, одной из серьезных проблем является проблема утилизации и обезвреживания отходов. Данная статья посвящена исследованию состава и методов очистки реакционных вод производства ненасыщенных полиэфиров.
Реакционные воды таких производств представляют смесь растворенных дикарбоновых кислот и многоатомных спиртов и образуются при синтезе полиэфирных смол из ангидридов и гликолей по реакции
n - R - C + nHOR1 \ OH
O
- R -
\
OR1
+ n H2O
Очистка сточных вод большинства химических производств осуществляется двумя методами: регене-рационным и деструктивным [1].
К деструктивным методам обезвреживания сточных вод от органических примесей относятся термоокислительные, окислительные, электрохимические и некоторые другие.
Применение регенерационных методов очистки сточных вод позволяет наряду с обезвреживанием сточных вод извлекать из них ценные примеси и по-
вторно использовать их в производстве. Использование в производстве извлеченных примесей уменьшает потери сырья и делает процесс очистки более рентабельным. По экономическим соображениям такие методы целесообразно применять в случаях значительной концентрации примесей в сточных водах.
Химический анализ сточных вод производства ненасыщенных полиэфиров показал, что они имеют высокое содержание органических примесей и высокий показатель ХПК (табл. 1).
Из литературы известно [1, 2], что реакционные воды, содержащие в своем составе большое количество примесей (25 - 30 %) очищают регенерационным методом, применяя простую или азеотропную ректификацию.
Известно [3], что метод азеотропной ректификации заключается в использовании низкотемпературной азеотропной отгонки воды от подлежащих удалению карбоновых кислот, гликолей и их кислых эфи-ров в присутствии таких растворителей, как толуол, ксилол, которые образуют с водой азеотропные смеси в соотношении 1:4 и 1:1,5. Температурный режим поддерживается в пределах 85 - 95 °С, что предотвращает перегрев и унос растворенных органических примесей.
n
