научная статья по теме ОЦЕНКА ВЕРТИКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ВЕРТИКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 4, с. 502-507

УДК 504.054

ОЦЕНКА ВЕРТИКАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ © 2015 г. Н. К. Рыжакова, Е. А. Покровская, В. О. Бабичева

Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, пр. Ленина, 30 E-mail: valentine-babich@mail.ru Поступила в редакцию 08.04.2014 г., после доработки 02.06.2014 г.

Рассмотрен способ определения вертикальных коэффициентов турбулентной диффузии выбросов промышленных предприятий в условиях сложных рельефов местности и больших времен экспозиции. Способ основан на использовании измеренного вдоль некоторого направления от точечного источника распределения загрязняющей примеси. Измерения проведены с помощью мхов-биомониторов для ТЭЦ, расположенной в городе Новосибирске.

Ключевые слова: турбулентная диффузия, математическое моделирование, выбросы, метод мхов-биомониторов.

DOI: 10.7868/S0002351515040100

Турбулентная диффузия выбросов промышленных предприятий является одним из основных механизмов переноса, определяющих пространственное распределение вредных веществ в приземном слое атмосферы. Экспериментальное изучение распространения примеси требует огромного количества датчиков, т.е. является очень трудоемкой задачей. Известным способом изучения основных закономерностей пространственного распределения загрязняющей примеси является математическое моделирование переноса частиц в атмосферном воздухе. Существующие полуфеноменологические теории переноса базируются на гипотезе стационарности и горизонтальной однородности [1—4]. Широкое признание получила диффузионно-конвективная модель переноса примеси, которая используется для решения задач массо- и теплопереноса в турбулентной атмосфере. Одним из основных параметров переноса в этой модели является вертикальный коэффициент турбулентной диффузии к^

При моделировании вертикального переноса примеси часто используется параметризация коэффициента турбулентной диффузии в виде: =

= к1 — = кпр х где к1 — коэффициент вертикаль-

71

ной диффузии на высоте Параметр кпр существенным образом зависит от шероховатости и температурной неоднородности подстилающей

поверхности, от конвективных потоков и дисперсного состава примеси [5].

Наличие неоднородностей ландшафта приводит к возникновению мезомасштабных волн, влияющих на турбулентные потоки [6—8]. Для учета влияния неоднородности поверхности в формулы для кпр вводят эмпирический коэффициент шероховатости, значения которого по данным разных авторов имеют значительный разброс даже для простых типов рельефа [1, 9, 10]. Очевидно, реальную местность, особенно урбанизированную, чаще всего нельзя отнести к какому-либо определенному типу.

Приближение стационарности, используемое в расчетах кпр [9—11], выполняется при временах экспозиции, не превышающих 2—3 мин. Обычно отбор проб воздуха производят в течение 20—30 мин, но даже при таких сравнительно небольших временах экспозиции опытные данные оказываются существенно ниже расчетных. Кроме того, учет эффекта осреднения концентрации за время экспозиции приводит к уменьшению расстояния, где достигается максимальная концентрация, изменяется зависимость максимальной концентрации от высоты трубы источника, причем расхождение возрастает с увеличением расстояния от источника [9].

Влияние продолжительности экспозиции приближенно можно учесть посредством осреднения коэффициента турбулентной диффузии и скоро-

сти ветра [9]. Реально осреднение можно осуществить для сравнительно небольших периодов наблюдения. Однако при решении некоторых важных экологических задач, когда концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе сравнительно невелики (например, концентрации 1

тяжелых металлов ), а степень опасности определяется продолжительностью воздействия, период осреднения может составлять годы.

В связи со сложностью процессов турбулентной диффузии адекватное описание вертикального переноса невозможно без привлечения моделей, основанных на экспериментальном материале. В данной работе параметр, описывающий турбулентную диффузию выбросов промышленных предприятий, предлагается определять на основе решения обратной задачи, т.е. используя измеренную вдоль некоторого направления от точечного источника функцию распределения загрязняющих веществ.

Содержание вредных веществ в атмосферном воздухе сравнительно невелико, особенно на значительном удалении от источника. В этом случае традиционные инструментальные методы измерений, основанные на прокачке воздуха через фильтры [12], малопригодны, так как для получения достоверных результатов требуются очень большие времена экспозиции. Поэтому для измерения распределения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы целесообразно использовать метод мхов-биомониторов, время экспозиции для которого определяется длиной прироста мха и составляет год и более. Этот метод на протяжении последних десятилетий широко используется для изучения выпадений тяжелых металлов (ТМ) на территориях различных стран Европы, Азии, а также США и Европейской части РФ [13—16]. Концентрации ТМ, содержащихся в выбросах предприятий и накопленных за время экспозиции во мхах, измеряют с помощью высокочувствительных ядерно-физических методов анализа. Природное содержание химических элементов во мхах измеряют в фоновых пробах, отобранных на больших расстояниях (более 50 км) от предприятий и населенных территорий.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ

ЗАГРЯЗНЯЮЩЕЙ ПРИМЕСИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Моделирование пространственного распределения промышленных выбросов, содержащих ТМ, осуществляется на основе диффузионно-конвективного уравнения переноса, которое для средних значений концентраций примеси q в приземном слое атмосферы без учета турбулентной диффузии в горизонтальной плоскости имеет вид:

и дЛ + V дЛ = д К дЛ.

дх д— д— д—

(1)

Здесь и — скорость ветра в направлении оси х; V — скорость гравитационного оседания частиц примеси.

Аналитическое решение данного уравнения при степенной аппроксимации скорости ветра и вертикального коэффициента турбулентной диффузии для точечного источника с учетом фоновых концентраций qф выглядит следующим образом [9, стр. 32; 17, стр. 80]:

4 (х) = 01х02ехр (-Х) + qф. (2)

Содержание химических элементов во мхе, отобранном на некотором расстоянии х от источника, пропорционально концентрации загрязняющей примеси на этом расстоянии q(х). Поэтому зависимости концентраций химических элементов во мхах от расстояний х могут быть описаны функцией вида (2). Характер этой функции определяется значениями параметров 92 и 93, зависящими от высоты трубы газоочистки, дисперсного состава примеси, рельефа местности и атмосферных условий. Коэффициент пропорциональности 91 зависит в основном от мощности и режима работы предприятия и при описании результатов, полученных с помощью мхов, имеет размерность мкг/г.

В работе [9, стр. 32] для параметра 93 приведено следующее выражение:

0 = иирН

1 +1

и1 (Н'Н

(1 + П )2кПр (1 + п)2 кп

(3)

пр 1 "V '""пр

где п — параметр, характеризующий изменение скорости ветра с высотой г: и = ипр(г)п = и1 ( — ) ,

—1

и1—скорость ветра на высоте г1;

Тяжелые металлы, обладающие канцерогенным действием, в значительных количествах содержатся в выбросах теплоэнергетических и металлургических предприятий. Высота трубы таких предприятий обычно превышает 100 м, поэтому мелкодисперсные фракции выбросов переносятся на расстояния до десяти и более километров.

и = и1 • к = ипН

пр пр

1 + п

и1( Н'Н

пр пр 2 2

—1 (1 + п) 0з (1 + п)20з

Н — высота трубы источника загрязнения.

Дачи Дорога

□□□□□□ □ □□

^^ (4.94 км)

6 (4.9 км)

+ 5 (4.02 км)

4 (2.4 км)

ф3 (1.8 км)

2 (1.44 км) • 1 (1.23 км)

N

SW NE

ТЭЦ-5

W ^

Е

SW V SE S

Рис. 1. Карта пробоотбора вблизи ТЭЦ-5 г. Новосибирска.

Численные значения параметра 93 можно найти методом наименьших квадратов (МНК) при аппроксимации измеренных концентраций химических элементов, содержащихся во мхах, функцией вида (2). Тогда выражение (3) можно использовать для определения кпр, используя в расчетах осредненное за время экспозиции значение скорости ветра на высоте z1.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В исследованиях использован трехлетний прирост эпифитного мха Ру1а1$1а ро1уаШка (Иг&м.) Б.8.0., который отбирали в зоне влияния ТЭЦ-5 г. Новосибирска. Эпифитный мох Ру1а1$1а ро1уаШка (Иг&м.) В.8^. имеет продолжительный жизненный цикл до 10—15 лет, высокие аккумуляционные способности, широкое распространение, высокую встречаемость в различных климатических зонах, произрастает на коре старых осин, берез и тополей, поэтому может быть отобран в зоне действия промышленных предприятий [16, 18].

Пробоотбор проводили в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска на расстояниях от одного до пяти километров (рис. 1) с коры берез и тополей на высоте примерно 1.5—2 метра от земли. Фоновые пробы отобраны на территории, удаленной от основных населённых пунктов и предприятий на расстояние более 200 км. Пробо-подготовку осуществляли в соответствии с методикой [16, 18]: после отбора пробы мха предварительно очищали от земли и различных примесей, затем производили промывку дистиллированной водой, высушивали до постоянного веса при температуре 80°—100°. После высушивания пробы помещали в бумажные пакеты. Перед измерениями изготавливали параллельные пробы, подвергали их процессу гомогенизации и прессовали в таблетки массой 0.2—0.3 г и диаметром 1 см.

Определение содержания химических элементов в пробах мха производили нейтронно-актива-ционным методом на исследовательском реакторе ИРТ-Т Национального исследовательского Томского политехнического университета. В ходе исследования подготовлено и измерено 38 проб

Fe Yb

2.0 х 107 Ь

^ 1.5 х 107

1-е

м

% 1 1.0 х 107

0.5 х 106

0

300

250

1-е

X 200

м

м 150

100

50

0

км 7п

10

2.5

2.0

х 1.5

1.0

0.5

0 Ь_

0

10

км Sc

10

10

Рис. 2. Концентрации Бе, УЬ, 2п и Sc во мхах, отобранных в зоне влияния ТЭЦ-5: сплошная кривая — результат аппроксимации функцией вида (2); горизонтал

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком