Модели и методы контроля аэрозольных выпадений примесей в окрестности автомагистрали Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© В.В. Коковкин, В.Ф. Рапута, С.В. Морозов, 2009

УДК 551.511.61+551.578.46

В.В. Коковкин, В. Ф. Рапута, С.В. Морозов

МОДЕЛИ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ АЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫПАДЕНИЙ ПРИМЕСЕЙ В ОКРЕСТНОСТИ АВТОМАГИСТРАЛИ

Разработана малопараметрическая модель оценивания выпадений полидис-персной примеси от линейного источника. Проведена апробация построенной модели на данных маршрутных наблюдений аэрозольного загрязнения снегового покрова полиароматическими углеводородами, макрокомпонентами и тяжелыми металлами.

Ключевые слова: малопараметрическая модель, линейный источник, численное моделирование.

А

втомобильный транспорт является одним из основных загрязнителей воздушной среды крупных городов. Характерными загрязняющими веществами являются оксиды серы и азота, тяжелые металлы, в частности, свинец, органические продукты неполного сгорания компонентов топлива, например, полиарома-тические углеводороды (ПАУ). Также нельзя недооценивать и выбросы пыли, поднимаемой автомобилями с поверхности дорог.

Модель оценивания аэрозольных выпадений полидисперсной примеси. Для априорного описания распределения вещества примеси по скоростям оседания w в атмосфере воспользуемся следующей двупараметрической функцией [1]

ят+1 т

N (w ) = —------wme-а* , т >-1, а =-, (1)

^ ' Г(т +1) wm

где параметр wm характеризует скорость преобладающей по количеству частиц фракции примеси, т - степень одно-родности распределения частиц примеси по скоростям w , Г(т) - гамма-функция Эйлера.

Исходным моментом для расчета поля выпадений полидис-персной примеси от точечного источника является соотношение [1, 2]

да

Р = |wqwN(w)dw , (2)

0

где qw - поле концентрации монодисперснои примеси.

Аналитическое решение уравнения турбулентной диффузии

для невысоких источников имеет вид [2]

/ ч Мс“ / с у2 ч

а,Дх,у) =---------¡=---------------ехр(------------). (3)

2(1 + п)у/^к0Г(1 + ю)х15+ш х 4к0х

Здесь ось х ориентирована в направлении ветра, М - мощность источника примеси, к0, к1 - параметры турбулентного об-

Н1+П

w

мена в направлении осей у,х , с = —:—-—, ш =--------------, Н - вы-

(1 + п)2к/ к1(1 + п)

сота источника.

С учётом соотношений (1), (3) выражение (2) для случая бесконечного линейного источника при поперечном направлении ветра приводится к виду

^1 с С2 ехр(-03ю) ( с

'1 | иш ,

(4)

РлиДх) == ^ехр(- 1)Г‘ еХр(~^ |°| иш ,

™ х х-0 Г(1 + ш) {х)

в =-----МЯ--------- , = т +1 , в = К .

1 (1 + п)аГ(1 + т) 2 3

Оценка неизвестных параметров в1 , в2 , в3, входящих в соотношение (4) проводится методом наименьших квадратов с использованием данных измерений плотности выпадений примеси в точках отбора проб. Следует также отметить, что величина с соответствует расстоянию, на котором достигается максимальная приземная концентрация лёгкой примеси [2].

Полевые и химико-аналитические исследования. Объектом изучения являлось Советского шоссе г. Новосибирска. Маршрутная снегосъемка проводилась в конце зимнего сезона 2007-2008 гг. в окрестностях участка автотрассы, расположенного перпендикулярно ветрам юго-западного направления. Схема отбора снеговых проб представлена на рис. 1, а. С наветренной стороны дороги были отобраны пробы в 8 точках, с подветренной стороны — в 2 точках. На рис. 1, б представлена зависимость снегонакопления на маршруте исследования. Содержание снега по данным рис. 1б варьируется в диапазоне 90 г 150 и в среднем составляет 116 кг/м2.

а)

б)

100

0

1 23456789 10

Номер точки отбора проб

Рис. 1. Схема маршрутного пробоотбора снега (а), данные по влагозапасу (б)

После топления проб использовали две схемы пробоподготов-ки в зависимости от природы определяемых компонентов. Перед определением неорганических компонентов растопленную пробу фильтровали через фильтры: бумажный (диаметр пор 0 2 мкм) и мембранный (0 0,45 мкм). Анализу подвергали и осадки, и фильтрат. В фильтрате определяли следующие макрокомпоненты: №+, К+, Са2+, Mg2+, СГ, N0^, ЄОЛ Основными микроэлементами, определяемыми в осадках и фильтратах были РЬ, Си, 2п. Органические компоненты (ПАУ) определяли методом хромато-масс-спектрометрии после экстракции в дихлорэтан из всего объема пробы, осушения, упаривания растворителя и растворения сухого остатка в ацетоне.

12000

а

9000 Д

V

X о

6000

зооо/- •Ч.

. * 0 * о

-60 -30 0 30 60 90 120 150

М

10

-60 -30 0 30 60 90 120 150

М

Рис. 2. Измеренные и восстановленные по модели (4) концентрации в снеге суммы ПАУ (а) и сульфатов (б) О- опорные, • - контрольные точки наблюдения

Численный анализ результатов экспериментальных исследований. Согласно рис. 1 участок автотрассы, в окрестности которой проводился отбор снеговых проб, направлен с юго-востока на северо-запад. Это позволило использовать для проведения оценивания полей аэрозольных выпадений примесей упрощенную модель (4), поскольку среднезимняя повторяемость ветров южного, юго-западного и западного направления составляет около 70%. Соответственно ветра северного, северо-восточного и восточного направлений составляют всего лишь 14%, что условно позволяет выделить “подветренную” и “наветренную” стороны и определить доли выноса примеси по обе стороны от автотрассы как 5:1.

На рис. 2 приведены результаты оценивания на основе модели (4) полей выпадений суммы компонентов ПАУ и сульфатов. Результаты численного восстановления поля концентрации вполне согласуются с данными измерений в контрольных точках. Некоторое расхождение измеренных и вычисленных значений в точках №№ 2-4, на наш взгляд, обусловлено заметным отклонением от среднего уровня влагозапаса (рис. 1б), а также наличием большого градиента поля концентрации. Учёт полидисперсности состава примесей позволяет проводить в рамках единой модели интерпретацию результатов экспериментальных исследований в значительном диапазоне расстояний.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16.4, ИП СО РАН № 84.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прессман А.Я. О распространении в атмосфере тяжелой неоднородной примеси из мгновенного точечного источника // Инж.-физич. журнал. 1959. Т.2. Вып.3. С. 78-87.

2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гид-

рометеоиздат, 1985. 272 с. ШИН

Kokovkin V. V., Raputa V.F., Morozov S. V.

MODELS AND METHODS OF AEROSOL ADMIXTURE DEPOSITION CONTROL IN THE MOTORWAY VICINITIES

The low parametric model for estimation of polydisperse admixture deposition from linear source was worked out. The model approbation was done on the data of snow cover contamination by polyaromatic hydrocarbons, macrocomponents and heavy metals.

Key words: low parametric model, linear source, numerical calculation.

— Коротко об авторах ----------------------------------------------------

Коковкин Василий Васильевич - кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН; E-mail: [email protected];

Рапута Владимир Федотович - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН; E-mail: [email protected];

Морозов Сергей Владимирович - кандидат химических наук, заведующий лабораторией Новосибирского института органической химии СО РАН, НиОх СО РАН, E-mail: [email protected]