Новые методы решения задач расчета выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Математика»

Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

ми системами : сб. тр. Вып. 29. М., 2010. С. 201-213.

24. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Определение наведенных напряжений с учетом несинусоидальности токов контактной сети железных дорог переменного тока // Научные

проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. С. 315-319.

25. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация элементов системы электроснабжения железной дороги переменного тока // Вестн. РГУПС. 2013. № 2 (50). С. 37-47.

УДК 502.3 Аистов Игорь Петрович,

д. т. н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51, 8-960-984-54-48, e-mail: aistov_i@mail.ru

Баженов Владислав Викторович, к. т. н., доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51, 8-960-985-15-848, e-mail: vlad383@mail.ru

Гаглоева Анжелика Ефремовна, к. т. н., старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51,8-908-798-20-29, e-mail: anzhelika.gagloe@mail.ru

НОВЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

I.P. Aistov, V.V. Bazhenov, A.E. Gagloeva

NEW METHODS FOR SOLVING THE PROBLEM OF HARMFUL SUBSTANCES BLOW-OUT FROM OPEN WATER SURFACES

INTO THE ENVIRONMENT

Аннотация. В статье рассматриваются существующие методы решения задач расчета выбросов загрязняющих веществ с открытых водных поверхностей, анализируются проблемы, связанные с использованием этих методов. Предлагается новый способ решения данной задачи. Описана модель поступления вредных веществ в окружающую среду с открытых водных поверхностей. Приводятся результаты эксперимента.

Ключевые слова: модель, загрязняющие вещества, испарение.

Abstract. The article considers the existing methods of calculating emissions of polluting substances from open water surface, problems associated with the use of these methods are analysed. A new method of solving the problem is proposed. The model of receipt of the hazardous substances from open water surfaces is given. The results of the experiment are presented.

Keywords: model, polluting substances, evaporation.

В настоящее время вследствие увеличения численности населения, урбанизации, индустриализации и в особенности развития сельскохозяй-

ственного производства растет водопотребление. В результате увеличивается объем сточных вод, поступающих на очистку в водоотводящие системы и сооружения.

Предприятия по очистке сточных вод и во-доподготовке помимо воздействия на гидросферу также в значительной степени оказывают влияния и на атмосферный воздух вследствие выделения вредных веществ с открытых водных поверхностей.

В настоящее время при расчётах выбросов загрязняющих веществ с открытых водных поверхностей используются методики, разработанные в 80-90-е годы прошлого столетия. Как следствие, расчёты изобилуют разного рода усредняющими коэффициентами, необходимыми в основном для упрощения и ускорения проведения расчётов без использования ЭВМ. Очевидно, что подобного рода упрощения не учитывают особенностей работы технологического оборудования на предприятии, что приводит к неизбежным погрешностям в расчётах выбросов вредных веществ и, как следствие, к неконтролируемому загрязнению окружающей среды и ухудшению качества жизни населения. Кроме того, используемые в настоящее время методики по своим возможно-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

стям на порядок отстают от современного технического уровня и часто требуют для проведения расчёта данные дорогостоящих инструментальных измерений.

В результате этого наблюдается проблема: предприятие не имеет возможности чётко определить и тем более спрогнозировать на будущее свое воздействие на окружающую среду.

Следовательно, для разрешения проблемы необходимо применение нового подхода к определению выбросов вредных веществ, который с одной стороны, обеспечит получение оперативных и достоверных данных, с другой стороны, будет способен проводить прогноз воздействия на окружающую среду.

Нами была разработана модель, позволяющая определять поступление в атмосферный воздух вредных веществ в результате их выделения с открытых водных поверхностей.

Количество выделяющихся в воздух вредных веществ функционально связано с их содержанием в сточной воде, температурой воды, площадью открытой водной поверхности, температурой окружающего воздуха и скоростью ветра.

Предлагаемая модель определения количества загрязняющих веществ, выделяющихся с открытых водных поверхностей, основывается на методе теплового баланса, с помощью которого рассчитывалась масса испаряющейся жидкости. Согласно [1]:

Wz= Rn ± H ± Le • E ± G,

(1)

Rn = Q -1

ef '

(3)

где Rn - радиационный баланс, Вт;

Q - суммарная солнечная радиация, Вт;

Ief - эффективное излучение поверхности водоема (разность длинноволнового излучения воды и встречного излучения атмосферы).

Согласно [3], количество солнечной энергии, поступающей на водную поверхность, определялось по формуле

zahod

Q = S • K • S0 • J(coscosHc • cosф- cos5 +

где - суммарное теплосодержание водной

массы;

Rn - радиационный баланс;

Н - турбулентный теплообмен водной поверхности с атмосферой;

Le ■ E - затраты тепла на испарение воды;

О - теплообмен между водными слоями.

Теплозапас водной массы вычислялся по измеренным значениям температуры воды в начале и в конце расчетного периода, теплоемкости и плотности воды и средней глубины объекта исследования:

Wт=p■ C • Т3 • Н^ • 5 , (2)

где р - плотность воды, кг/м3;

С - теплоемкость воды, Дж/кг-К;

Т - температура воды, К;

Н,,г - средняя глубина объекта, м;

8 - площадь объекта, м2.

Радиационный баланс - это сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой [2]:

voshod

+ sin ф- sin S)dt, где S0 - солнечная постоянная Земли, равная 1365 Вт/м2 [3];

K - коэффициент, учитывающий часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере.

Эффективное излучение поверхности водоема вычислялось по формуле [4]:

Ief = Iv - Ia , (4)

где Iv - интенсивность излучения воды, Вт;

Ia - встречное излучение атмосферы, Вт.

Согласно закону Стефана - Больцмана интенсивность излучения воды прямо пропорциональна четвертой степени температуры излучаемого тела [5]:

Iv = S-o-T4v - S , (5)

где S - поглощательная способность воды; о - постоянная Стефана - Больцмана, Вт/м - К ; Tv - температура воды, К.

Встречное излучение атмосферы, зависящее от температуры окружающего воздуха, влажности и балла облачности, вычислялось по формуле:

Ia = 8 a -О-T'voz - (1 + Cig - П2) - S , (6) где Tvoz - температура окружающего воздуха, К;

n - балл облачности;

C1g - коэффициент, зависящий от температуры воздуха;

8a - коэффициент, зависящий от парциального давления.

Согласно [6], теплообмен между водными слоями определялся по закону Фурье как плотность теплового потока прямо пропорциональна градиенту температуры:

G = -1-gradTv • S = -1-- S, (7)

dn

где 1 - коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

Tv - температура воды, К.

Согласно [7] турбулентный теплообмен поверхности озера с атмосферой определялся как

Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

Н = ра • ср • А, Т - То)V

(8)

где ра - плотность воздуха, кг/м3; ср - теплоемкость воды, Дж/кг-К; А, - коэффициент турбулентности;

V - скорость ветра, м/с.

После определения необходимых составляющих испарение (масса) загрязняющих веществ, выделяющихся с открытой водной поверхности, вычислялось по формуле

Е = Яп ± Н ± о

(9)

Определив массу вредных веществ, испарившихся с водной поверхности в единицу времени, в дальнейшем представляется возможным использование этих данных при расчёте воздействия объекта исследования на атмосферный воздух с использованием методики ОНД-86 [8].

Для верификации предлагаемой модели был проведен эксперимент на очистных сооружениях. Измерения проводились четыре раза в день с 9:00 до 18:00.

При проведении эксперимента фиксировались следующие метеорологические параметры: атмосферное давление, относительная влажность

воздуха, температура окружающей среды и скорость ветра. Данные о погодных условиях представлены в табл. 1.

На исследуемом объекте фиксировались следующие параметры: температура воды, концентрации вредных веществ над водной поверхностью. Температура воды за весь период составляла + 18 0С.

Отбор проб газовоздушного потока осуществлялся с помощью наиболее точного из всех существующих в настоящее время методов контроля загрязнений - газовой хроматографии. Результаты определения концентраций загрязняющих веществ представлены в табл. 2.

Далее по вычисленным данным массы вредных веществ с помощью программы «Эколог», реализующей положения методики [8], была рассчитана концентрация загрязняющих веществ в точках отбора проб. Результаты расчёта представлены в табл. 3. Расположение расчётных точек и концентрация ацетона представлены на рис. 1.

Как можно видеть по представленным выше данным, модель показала удовлетворительные результаты. При этом расчётные величины концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, полученные с использованием модели, оказались

Т а б л и ц а 1

Метеорологические условия в районе расположения объекта

Время Скорость ветра, м/с Температура окружающей среды, оС Атмосферное давление, мм рт. ст.

9:00 3 +22 747

12:00 2 +23 745

15:00 2 +23 745

18:00 2 +22 745

Т а б л и ц а 2

Концентрация ацетона, полученная в ходе инструментальных замеров

Время Концентрация ацетона в долях ПДК

9:00 0,1

12:00 0,1

15:00 0,1

18:00 0,09

Среднее значение 0,1

Т а б л и ц а 3

Концентрация ацетона, полученная в ходе расчета по предлагаемой модели

Время Концентрация ацетона, в долях ПДК

9:00 0,14

12:00 0,13

15:00 0,13

18:00 0,13

Среднее значение 0,13

-50 1401 Пропан-О 2-он (Ацетон) 50 100 150

150 к 150

и

100 100

ьо ьо

2

0 0

-50 -50

12-34-5678 ь,

-50 О 50 100 150

О 0.05 0,10 0,20

Объект: 100. предприятие; вар.исх.д. 1: вар.расч.1: пл.1 (И=2м)

Масштаб 1:1450

Рис. 1. Расположение расчётных точек и концентрация ацетона, создаваемая объектом исследования

в среднем на 15-20 % больше определенных с помощью хроматографического метода контроля. В целом же порядок полученных данных совпадает, что говорит об адекватности работы модели.

Таким образом, предложенная модель может использоваться при контроле выбросов вредных веществ от неорганизованных источников загрязнения и при этом обладает рядом преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время методиками, например: модель может быть адаптирована под автоматический расчёт с использованием ЭВМ, что в значительной степени снизит затраты предприятия на проведения экологического контроля; модель учитывает текущие погодные условия и их изменения во времени, что позволяет не только проводить расчёт текущих выбросов ЗВ с поверхностей испарения, но и прогнозировать воздействие объектов на атмосферный воздух в будущем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тихомиров А. И. Термика крупных озер. Л. : Наука, 1982. 232 с.

2. Кондратьев К. Я. Влияние облачности на радиацию и климат. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. 240 с.

3. Коган В. Б. Фридман В. М., Кафаров В. В. Равновесие между жидкостью и паром : справ. пособие. Л. : Наука, 1991. 500 с.

4. Семенченко Б. А. Физическая метеорология : учеб. для студентов вузов, обучающихся по направлению «Гидрометеорология» и специальностям «Гидрология», «Метеорология», «Океанология» М. : Аспект-пресс, 2002. 415 с.

5. Юдаев Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. М. : Высш. шк., 1988. 479 с.

6. Беляев Н. М. Основы теплопередачи. Киев : Вища шк., 1989. 343 с.

7. Ткачев П. С. Гидрофизические процессы и расчеты теплообмена, испарения и льдообразования на водных обьектах : учеб. пособие. Омск : Изд-во ОмГАУ, 2009. 67 с.

8. ОНД-86. Методика расчета в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л. : Гидрометеоиздат, 1987. 64 с.