Восстановление поля выпадений бенз(а)пирена в окрестностях ТЭЦ-3 г. Барнаула Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛЯ ВЫПАДЕНИЙ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ОКРЕСТНОСТЯХ ТЭЦ-3 Г. БАРНАУЛА

Владимир Федотович Рапута

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского

отделения РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru

Вячеслав Александрович Шлычков

Институт водных и экологических проблем СО РАН, Новосибирский филиал, 630090, Россия, г. Новосибирск, Морской пр., 2, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)334-34-84, e-mail: slav@ad-sbras.nsc.ru

Анатолий Александрович Леженин

Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского

отделения РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-64-50, e-mail: lezhenin@ommfao. sscc.ru

Татьяна Владимировна Ярославцева

ФБУН Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru

На основе решений уравнения переноса тяжелой неоднородной примеси предложена модель реконструкции полей ее выпадения от непрерывного высотного источника. Проведена апробация модели на данных полевых и химико-аналитических исследований загрязнения снежного покрова бенз(а)пиреном в окрестностях ТЭЦ - 3 г. Барнаула. Рассмотрено влияние эффектов поворота ветра в пограничном слое атмосферы на формирование поля длительных выпадений аэрозольной примеси.

Ключевые слова: примесь, загрязнение снежного покрова, аэрозоль, бенз(а)пирен, численное моделирование, реконструкция, пограничный слой атмосферы.

RECOVERY OF BENZOPERIN FALLOUTS IN THE VICINITY OF POWER STATION-3 IN THE CITY OF BARNAUL

Vladimir F. Raputa

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akad. Lavrentjeva, 6, leading researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: raputa@sscc.ru

Vyacheslav A. Shlychkov

Institute Water and Environmental Problems SB RAS (Novosibirsk branch), 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Morskoi, 2, principal researcher, tel. (383)334-34-84, e-mail: slav@ad-sbras.nsc.ru

Anatoly A. Lezhenin

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, senior researcher, tel. (383)330-64-50, e-mail: lezhenin@ommfao. sscc.ru Tatyana V. Yaroslavtseva

FGUN «Novosibirsk scientific research institute of hygiene» Rospotrebnadzora, 630108, Russia, Novosibirsk, Parhomenko, 7, researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: tani-ta@list.ru

A model based on a substance transport equation for the reconstruction of polydisperse substance fallout from a continuous high - altitude source is proposed. The model is put to an evaluation test with field and laboratory data on benzoperin pollution of snow cover in the vicinity of Power Station -3 in the city of Barnaul. The effects of wind direction changes in the atmospheric boundary layer on the formation of long-term aerosol substance fallout are estimated.

Key words: substance, pollution, snow cover, aerosol, benzoperin, numerical modeling, reconstruction, atmospheric boundary layer.

При проектировании размещения и режимов эксплуатации дымовых труб, достигающих высот нескольких сот метров над поверхностью земли, требуется детальный учёт вертикальной структуры поля ветра [1, 2]. Это связано с необходимостью адекватного описания атмосферного переноса при изменении вектора скорости с высотой. Наличие сил Кориолиса обусловливает правый поворот ветра с высотой. Угол поворота зависит от многих факторов, а его теоретическое значение составляет около 30°.

Применение прямых методов математического моделирования распространения аэрозольных примесей в атмосфере от высотных источников сталкивается со значительными трудностями. Так, существует неопределенность в задании характеристик дисперсного состава выбрасываемых веществ, мощности источника, режима его работы [3, 4], что приводит к необходимости решения обратных задач переноса примеси[4].

1. Экспериментальные исследования

Практически важным объектом исследования являются аэрозольные выбросы ТЭЦ - 3 г. Барнаула. Основной выброс отходящей газоаэрозольной смеси производится через трубу высотой 230 м. Отбор проб снега в окрестностях ТЭЦ - 3 выполнялся в марте 2010 г. по двум радиальным маршрутам. Для характеристики ветрового режима в пограничном слое атмосферы для зимнего периода времени использовались климатические данные аэрологической станции г. Новосибирска [5]. Результаты экспедиционных и химико-аналитических исследований содержания бенз(а)пирена (БП) в снеговых пробах приведены в табл. 1.

Таблица 1

Измеренные концентрации бенз(а)пирена (нг/кг) в снеговых пробах к востоку _______________________и северо-востоку от трубы ТЭЦ - 3_________________________

Направление пробоотбора Восточное Северо-восточное

Расстояние, км 0.7 1.6 1.9 2.8 3.2 3.5 4 0.9 1.5 2.4 4 5.5

Концентрация, нг/кг 114 84 97 28 41 35 9 74 55 23 16 15

Предварительный анализ данных наблюдений показал, что наиболее значительные выпадения БП на снеговой покров происходят в ближней зоне (до 2-3 км). Принимая во внимание значительную высоту источника, основные выпадения БП в этой зоне возможны лишь в составе крупных фракций частиц.

2. Реконструкция полей аэрозольных выпадений Из предварительного анализа данных наблюдений вытекает, что при построении моделей оценивания поля выпадений БП вполне применима кинематическая схема распространения частиц в атмосфере. В этом случае движение частиц в поле ветра представляет собой падение с постоянной стоксовой скоростью и перенос примеси можно описать следующим уравнением

и — - = 0

дг дг

(1)

с граничным условием

д\г-о = щ( г) = QS( г - н)

(2)

где д(г, г) - концентрация примеси в плоскости (г, г), и - средняя

горизонтальная скорость ветра в направлении оси г, w - скорость оседания частиц по оси г, ось г направлена вертикально вверх, Q, Н - мощность и эффективная высота источника, 8 - дельта функция Дирака.

Перенос примеси происходит по характеристикам уравнения (1). Описание спектра размеров частиц N(w) полидисперсной примеси в источнике по скоростям оседания проводилось с использованием следующей двупараметрической функции [3]

п

wkГ(п +1)

w , w ч —ехр(—)

w,,

w,,

(3)

Тогда с использованием (3) и свойств дельта-функции плотность выпадений примеси в радиальном от источника направлении представляется в виде

а(г,в) = [wq\ =0N(w)dW = [wги8(w-Ни)N(w)dW = 91 г 02 ехр(-—)

у ' J г г т*

Ни„

03

г

где 01 =

и

/■ \п+1

' пНи'

Г (п +1)

02 = П + 2 , 03 =

пНи

w,,

п

Оценку неизвестного вектора параметров в в выражении (4) можно провести по данным наблюдений методом наименьших квадратов.

На данных экспериментальных исследований выпадений БП в окрестностях ТЭЦ - 3 г. Барнаула была проведена апробация модели оценивания (4). На рис. 1 приведено восстановленное поле концентрации БП в снеге с использованием зависимости (4) и зимней розы ветров на высоте 200 м.

ЗР—1 '—'—•—1----—1--•—1 •—• 1—'—I—•—■—•—Г-1-■—•—■—г

■3 и___*_>_1-І_і_•_і_>—1___і___I_____1—<_I_1-а_і—а_і_і_1—1

-3 -2 -10 1 2 3

КМ

Рис. 1. Восстановленное поле концентрации БП (нг/кг) в снеге за зимний сезон 2009/10 гг. ▲ указано положение трубы

Анализ рис. 1. показывает, что максимум выпадений БП находится восточнее трубы на расстоянии около 1 км и основной снос примеси происходит в восточном направлении.

3. Вертикальная структура поля ветра в пограничном слое атмосферы

Введем декартову систему координат, в которой ось х направлена по горизонтали параллельно вектору геострофической скорости, ось у - по нормали к ней, а ось і вертикально вверх. Начало координат совместим с подстилающей поверхностью. Для описания полей скорости воспользуемся уравнениями Экмана для атмосферного пограничного слоя АПС [2]

ди . д ди ду ,, л д ,,ду

— = 1у + — К —, — = -1(и - ип) + — К —

дt ді ді дt ді ді

с краевыми условиями на нижнеи и верхней границах

К — = си\и \и, К — = си\и \у при z = h, и = иа, V = 0 при z = Н . (6)

дг дг у

где t - время; и, у - компоненты скорости вдоль осей х,у; ид - геострофическая скорость; I - параметр Кориолиса; К - коэффициент вертикального турбулентного обмена, \и\ - модуль скорости, си - коэффициент сопротивления, расчитываемый по модели

квазистационарного подслоя.

Описание вертикального турбулентного обмена основано на применении двухпараметрической модели для кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации в реализации [6]. В модели турбулентности считается, что АПС стратифицирован устойчиво со стандартным значением статической устойчивости.

Система (5) с граничными условиями (6) и уравнениями турбулентного замыкания решалась методом конечных разностей. Применялась неявная численная схема с матричными прогонками, интегрирование велось до выхода решения на установление. Профили и,у при геострофическом ветре ид = 5 м/с представлены на рис. 2. Высота АПС, на которой расчетные

скорости выходят на значения скоростей в свободной атмосфере, определялась по уровню затухания коэффициента турбулентности К, вычисляемого в рамках двухпараметрической модели турбулентного замыкания.

о 1 2 3 4 5

Рис. 2. Расчетная вертикальная структура компонентов скорости и,у (кривые 1,2) и спираль Экмана (кривая 3)

Из рис. 2, видно, что при заданных условиях стратификации и динамического режима высота АПС равна 1400 м. Поперечная составляющая скорости начинает сказываться ниже уровня і=1000 м, а максимум у достигается на высоте 250 м. Кривая 3 на рис. 2 построена по кривым 1, 2 и изображает спираль Экмана в плоскости годографа (и, у ).

Оценка степени деформации следа за счет вариаций скорости ветра по высоте, была проведена на основе решения уравнений

dt

—- = w - wg, dt 9

где (хс ,ус ,гс) - актуальные координаты частицы, м - собственная скорость подъема горячего аэрозоля, шд - гравитационная скорость оседания.

В начальный момент частица имела координаты хс =0, ус =0, гс =230 м с

шд =0,5 м/с. Из численного решения системы (7) вытекает, что частица

выпадет на поверхность земли примерно через 11 минут, преодолев расстояние в 2100 м от точки эмиссии. Поперечное смещение от линии геострофического потока составило 730 м. Последняя величина отражает влияние поворота ветра на высотах и является характеристикой искажения геометрии следа на подстилающей поверхности.

Заключение

С использованием данных мониторинга загрязнения снежного покрова и модельных описаний поля ветра в пограничном слое атмосферы на примере высотной трубы ТЭЦ -3 г. Барнаула показана необходимость учета сведений о повторяемости направлений ветра во всём слое распространения примеси. В данном случае информации только о приземной розе ветров в моделях прямого моделирования и для численной реконструкции поля концентрации примеси явно недостаточно. Следует также отметить, что в зимнее время доминирующий вынос БП присходит в сторону города, что указывает на неудачное размещение промплощадки ТЭЦ и в конечном итоге приводит к заметному дополнительному загрязнению атмосферы г. Барнаула.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН, проект 4.9-3.

1. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 263 с.

2. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Под ред. Ф.Т.М. Ньистада и Х. Ван Допа. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 351 с.

3. Прессман А.Я. О распространении в атмосфере тяжёлой неоднородной примеси из мгновенного точечного источника. // Инженерно-физич. журн. - 1959. - Т. 2, № 3. - С. 78-

4. Таловская А.В., Рапута В.Ф., Филимоненко Е.А., Язиков Е.Г. Экспериментальные и численные исследования длительного загрязнения снегового покрова ураном и торием в окрестностях теплоэлектростанции (на примере Томской ГРЭС-2) // Оптика атмосферы и океана. - 2013. -Т. 26, № 08. - С. 642-646.

5. Климат Новосибирска / Под ред. С.Д. Кошинского и Ц.А. Швер. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 221 с.

6. Шлычков В.А. Численная модель пограничного слоя атмосферы с детализацией конвективных процессов на основе вихреразрешающего подхода. / В кн.: Аэрозоли Сибири. Под ред. К.П. Куценогого. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - С. 372-389.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

87.

© В. Ф. Рапута, В. А. Шлычков, А. А. Леженин, Т. В. Ярославцева, 2014