CC BY
104
УДК 621.833
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ ЗА ПРЕДЕЛЫ САНИТАРНО-ЗАЩИТНОЙ ЗОНЫ ХВОСТОХРАНИЛИЩ ПРЕДПРИЯТИЙ
А.Н. Огородник
Спрогнозировано распространения загрязнителей за пределы санитарнозащитной зоны хвостохранилищ предприятий. Использованы модель Гаусса и модель градиентного переноса при расчете рассеяния примесей в условиях развитого турбулентного обмена. Осуществлен прогноз объемной концентрации поллютантов в приземном слое атмосферного воздуха за счет дефляционных процессов. Предложена технология пылеподавления хвостохранилищ предприятий.
Ключевые слова: прогнозирование, хвостохранилища, дефляция, поллютант, экологическая безопасность.
Общее антропогенное давление на окружающую среду в последние годы имеет тенденцию к уменьшению, уровень техногенного воздействия на него остается высоким, а экологическая ситуация близка к кризисной. Более четверти сбросов сточных вод в поверхностные и подземные водные объекты Украины остаются загрязненными, пятая часть вредных веществ, выбрасываемых из стационарных источников, поступает в виде газов и аэрозолей непосредственно в атмосферу, почти две трети образующихся
твердых и жидких отходов попадают в окружающую среду. [3, 5, 6].
На сегодняшнее время не предложено единой физикоматематической модели, которая способна объяснить и учесть многочисленные аспекты проблемы атмосферной диффузии. Существуют два основных подхода к решению задач о рассеянии веществ в подвижных жидких или газообразных средах в зависимости от тех или иных факторов, характеризующих среду и источник, - это теория градиентного переноса (или полуэмпирическая теория диффузии) и статистическая теория диффузии (методика Пасквилла-Брайанта [11]). Полуэмпирическая теория основана на свойствах движения примеси относительно системы координат, фиксированная в пространстве, и предполагает пропорциональность потока примеси градиенту ее концентрации в воздухе. Статистическая (гауссова) теория рассматривает диффузию, как турбулентность в переменных Лагранжа. Между этими подходами существует близкая связь, они описывают одно и то же явление, но области их применения не всегда одинаковы. Существует ряд задач атмосферной диффузии, где рассмотрение возможно лишь на основании одной из этих теорий. Так, гауссова модель предназначена для определения рассеивания примесей в атмосфере при мгновенных, кратковременных (от 20 минут до нескольких часов) и непрерывно действующих их выбросах. Модель градиентного переноса используется при
расчете рассеяния примесей в условиях развитого турбулентного обмена и определения только разовых двадцатиминутных концентраций. Это нужно учитывать при постановке и решении задач по оценке процессов рассеивания выбросов в атмосферном воздухе.
Однако общий вид прогнозируемой объемной концентрации веществ в воздухе на определенном расстоянии x от источника выброса примесей можно представить в общем виде для обеих моделей формулой:
Cx = Gx (V, t, h) • q, (1)
где Сх - объемная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое атмосферного воздуха на расстоянии х от источника выброса, (г/м ); Gx (h, V, t ) - фактор метеорологического разбавления на расстоянии х от источника выброса, (с/м ), зависит от параметров (линейность, объемность и др.) и вида (высокое, низкое, наземное и др.) источники выброса - переменная h, от скорости ветра v , продолжительности диффузии t от источника выброса; q - интенсивность выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух от источника выброса, (г/c).
Фактор метеорологического разбавления Gx (h, V, t ) определяется исходя из поставленной задачи с гауссовой или градиентной модели переноса примесей в воздухе. В случае вынесения в атмосферу поллютантов хвостохранилищ предположено, что хвостохранилище представляет собой объемный наземный источник выброса. Учтено, что для таких источников максимум приземной концентрации находится непосредственно в районе расположения источника, и значение максимума является тем больше, чем слабее является вертикальное и горизонтальное рассеивание, т. е. чем больше устойчивость приземного слоя атмосферы и уменьшилась скорость ветра V.
Расчет концентраций от наземных источников выполняется на основе аналитических или численных решений уравнений турбулентной диффузии. Однако учитывая особенность и невозможность этих решений при неблагоприятный метеорологических условиях (при приземной инверсии температуры и ослаблении скорости ветра до нуля), когда концентрация примесей в воздухе будет бесконечно расти на всех расстояниях от источника выброса, то определение фактора метеорологического разбавления Gx (V, t,h) выполнено по формуле, предложенной М. Берлянтом [1] при продолжительности диффузии t (t < min(7’| ,72), где Т1 - время действия вынесения поллютантов с поверхности хвостохранилищ за счет дефляции Q, ; 72 - время сохранения метеорологических условий и учитывая методику расчета выбросов от неорганизованных источников [7]. Учитывая тот факт, что к неорганизованным выбросам относят выбросы в размере не направленных потоков, возникающих, в том числе из-за недостаточной работы средств пылеподавления в местах хранения поллютантов, то есть на складах, хвостохранилищ предприятий [6] :
г _ А •1 • £1 • £2 • £3 • £5 (2)
_ 43, (2)
104•X3
где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия горизонтального рассеивания атмосфер-
2/3 0
ных примесей (с . С) (принято, А=0,16 за [2] для Украины); ? - продолжительность дефляции (принято ? =6 час. = 21600 сек), (с); £1 - коэффициент, учитывающий местные метеорологические условия; £2 - коэффициент, учитывающий местные условия, уровень защищенности хвостохранилищ от внешних воздействий, условия пылеподавления (принято £2 = 1,0 - для условий 4-х боковой пространственной открытости хвостохранилища); £3- коэффициент, учитывающий влажность материала шлама (принято £3=1,0 - для условий сухого шлама, т. е. влажность шлама не превышает 1 %); £4 - коэффициент, учитывающий профиль поверхности хвостохра-
^факт , 1
нилищ и определяется как отношение -------- (величина £3 находиться в
пределах 1,3 - 1,6 зависит от гранулометрического состава материала и уровня заполнения хвостохранилищ); £5 - коэффициент, учитывающий гранулометрический состав материала (принято £5=1,0); Fфакт - фактиче-
ская поверхность хвостохранилищ с учетом рельефа его сечения (учитыва-
& - поверхность пыления в плане,
(м2).
ется площадь, которая пылит), (м )
Расчет фактора метеорологического разбавления Гх за формулой (2) осуществлено для расстояния х=5 км (ближайший населенный пункт от хвостохранилища красных шламов Николаевского глиноземного завода в направлении преобладающего направления ветра по розе ветров - Север) для объемной концентрации пыли в приземном слое атмосферы.
В результате задача, возникающая при вычислении прогнозной объемной концентрации Сх поллютантов хвостохранилища в приземном слое атмосферного воздуха на расстоянии х от хвостохранилища сведена к определению интенсивности д выноса загрязняющих веществ в атмосферный воздух с поверхности хвостохранилища, которая является функцией дефляции Q и фактической площади пыления с хвостохранилищ:
д _ /(& Рфакт ^ (3)
где д - интенсивность выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух от источника выброса, (г/с); Q - интенсивность дефляции, (кг/(м-с));
^факт - фактическая поверхность хвостохранилищ с учетом рельефа его
сечения (учитывается площадь, которая пылит), (га).
В расчетах принято, что фактическая площадь пыления (142 га) не
превышает 10 % от общей площади хвостохранилища Fфакт = 14,2 га.
Уровень дефляции Q рассчитан для различных фракций шлама и относительным содержанием количества определенной фракции в шламе определен как интегральный показатель интенсивности дефляции красного шлама Qк.ш. (по разным фракциям):
1 3
_ г I £ ■ й ,
3 ¡_1
где Qчш- интенсивность дефляции красного шлама (по разным фракциям), (кг/(м • с)); £^ - относительный показатель количества фракций / в шламе (¡=1 3): £1 _ 0.84, £2 _ 0.14,£3 _0.02; Qi - интенсивность дефляции фракции ¡ шлама, (кг/(м- с)).
Рассчитав уровень дефляции, и учитывая зависимость ее интенсивности для легкого суглинка хвостохранилища от ширины поля [6] подставляем в (1) выражение (3), с учетом установленной величины полной пло-
2.
скостности дефляции Q для шлама в целом, г/(м . • с) [9, 10, 11]:
13
Qч.ш.(v, ^ ) _ - I£ ^ (^
3 ¡_1
и выражение (2) получим выражение для определения и прогнозирования объемной концентрации поллютантов хвостохранилища красных шламов в приземном слое атмосферного воздуха на расстоянии х от хвостохранилища:
С
х
_ А • і • кх • к2 • к3 • к5 _ ео,7-и. р
3 сі факт
Результаты прогнозирования отражено на рисунке.
ю
>
х
"С
2
еТ
V , м /с
з
Прогнозирование поля объемной концентрации пыли С, мг/м в приземном слое атмосферного воздуха
Как видно из рисунка, прогнозирования объемной концентрации пыли в приземном слое атмосферного воздуха показало, что объемная концентрация пыли составила 0,08 - 3,7 мг/м , а уровень ПДК пыли в воздухе населенных пунктов может достигаться уже при скорости ветра 6 м/с.
Таким образом, за достаточно консервативным оценкам (при пылевой поверхности всего 10 % от всей площади поверхности хвостохрани-лища и расположения населенного пункта в 5 км от хвостохранилища) прослеживается формирование опасной ситуации со стороны загрязнения пылью и полютантами хвостохранилища приземного слоя атмосферного воздуха в районе близлежащих населенных пунктов. Это является источником попадания к людям повышенной концентрации поллютантов из хвостохранилища как ингаляционным, так и через пищевую цепь вследствие оседания пыли на поверхности сельскохозяйственных угодий и дальнейшего перемещения по трофической цепи.
Это обосновывает проведение работ по разработке эффективного комплексного метода пылеподавления поллютантов на поверхности хво-стохранилищ добывающих и перерабатывающих предприятий. При разработке технологии использования комплексного метода пылеподавления поверхности хвостохранилищ можно рекомендовать средства с дернины и камышовых матов. По результатам исследований данные материалы имеют высокую способность к снижению уровня дефляции на хвостохрани-лищах при различных метеорологических условиях (длительное, многократное колебания температуры воздуха, порывы ветра до 15 м/с, замерзания пульпы хвостохранилища, затопление хвостохранилища во время дождей и таяния снега); продолжительность по пылеподавления (до 50 лет), текущий ремонт системы сохраняет не менее 95 % ее функций; возможность раскрытия отдельных участков хвостохранилищ для реализации шламов и, в дальнейшем, с восстановлением покрытия; устойчивость к метеорологическим условиям и токсичной среды хвостохранилищ, отсутствие дополнительного негативной нагрузки на технобиогеоценоз хвосто-хранилищ и биогеоценоз территорий вокруг хвостохранилищ.
Список литературы
1. Берлянд М.Е., Генихович Е.Н. К нормированию выбросов от наземных источников // Труды ГГО. Вып. 387. Л., 1997. 78 с.
2. Григорьева Л.И., Томилин Ю.А. Нормирование антропогенной нагрузки на окружающую среду: учеб. пособие для вузов. Николаев: Изд-во НГГУ, 2005. 174 с.
3. Гошовський С.В., Рудько Г.І. Екологічна безпека техногенно-природних геосистем у зв’язку з катастрофічним розвитком геологічних процесів. К.: Вид-во: ЗАТ “НІЧЛАВА”, 2002. 624 с.
265
4. Лисиченко Г.В., Забулонов Ю.Л. Природний, техногенний та екологічний ризики: аналіз, оцінка, управління. К.: «Наукова думка», 2008. 544 с.
5. Ляшенко В.И., Карпенко Б.В. Природоохранные технологии управления состоянием хвостохранилищ // Науковий вісник НГУ. №11. 2009. С. 69-76.
6. Мазур В.А., Горщар В.І. Екологічні проблеми землеробства. К.: Вид-во: Центр наукової літератури, 2010. 456 с.
7. Методическое пособие по расчету неорганизованных источников в промышлености строительных материалов / ЗАО «НИПИОТСТРОМ». Новоросийск, 2000. 32 с.
8. Монаков А. С. Разработка метода прогнозирования пылевых выбросов горно-обогатительными комбинатами в окружаюшую среду. // Ав-тореф. диссер. кандидата техн. наук. М.: Московский государственный горный университет, 2004. 22 с.
9. Огородник А.М. Дослідження інтенсивності дефляції та ефективності методів пилопригнічення масивів-шламосховищ // Екологія і природокористування: збірник наукових праць. Вип. 15. 2012. С. 38-44.
10. Розробка та впровадження системи мінімізації впливів на довкілля небезпечних виробництв та підприємств ядерного циклу України // Заключний звіт по НТП / Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України. № II-2-10. К., 2010. 65 с.
11. Pasqill F. Atmospheric diffusion. Van. Nostr. - Co. LTD L, 1982.
Огородник Анна Николаевна, канд. техн. наук, старший преподаватель, kassmail@,ukr.net, Украина, Николаев, Черноморский государственный университет имени Петра Могилы
PREDICTION OF THE POLLUTANTS BEYOND SANITARY PROTECTION ZONE TAILING THE COMPANIES
A.N. Ogorodnyk
Conducted forecast the spread ofpollutants from its sanitary protection zone of tailings enterprises. Gauss used the model and the model of gradient transfer. The forecast of the volume concentration of harmful substances in the surface layer of air through wind erosion. A technology for dust suppression tailings enterprises.
Key words: prediction, tailings, deflation, pollutant, environmental safety.
Ogorodnyk Anna Nikolaevna, candidate of technical science, kassmail@,ukr. net, Ukraine, Nikolayev, Petro Mohyla Black Sea State University
