1.6. Перемещение загрязняющих веществ в атмосфере

Расчет рассеивания выбросов (основные положения ОНД86)

При рас­четах распространения выбросов необходимо решить две важнейшие про­блемы:

1) расчет ожидаемого загрязнения атмосферы от одного или более ис­точников в данном регионе (ровная или пересеченная местность);

2) расчет оптимальной высоты дымовой трубы для нового источника загрязнения атмосферы с учетом существующего фона загрязнений, осо­бенностей территории и окружающих строений.

Расчет ожидаемого загрязнения базируется на работах Саттона и Пир­сон (1932  1936). Формула Саттона (гауссовская теория рассеивания) по­зволяет определить концентрации веществ, загрязняющих атмосферу, С (мг/м³) в точке с координатами х, у, z при эффективной высоте дымовой трубы h (м):

, (6)

где М  количество загрязняющего вещества, выбрасываемого из источника в единицу времени, г/с; _у и _z  стандартные отклонения в распределе­нии частиц по размерам соответственно вдоль осей у и z (в зависимости от турбулентности среды);  средняя скорость ветра у верхнего среза дымо­вой трубы.

Для расчета в настоящее время в мире создано большое количество сложных математических моделей, просчитываемых на современных ком­пьютерах. Однако усложнение расчетов не гарантирует получения более надежных результатов, поскольку чем больше данных, тем больше вероят­ность того, что на результате скажется неточность данных. Чем проще мо­дель (при условии сохранения основных свойств атмосферы), тем ближе к реальным уровням загрязнений долговременные средние расчетные по­казатели.

Таким образом, вместо сложных расчетов по загрязнению воздуха, как правило, применяются простые вычисления, выполняемые обычно по но­мограммам. Вычисления распространения выбросов на основе номограмм нашли широкое применение в Германии, США, Англии и других странах.

Основным документом, регламентирующем расчет рассеивания и оп­ределение приземных концентраций выбросов промышленных предпри­ятий в РФ является «Методика расчета концентраций в атмосферном воз­духе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД86. Методика разработана на базе ряда упрощений и усреднений. В ней от­дельные факторы объединены в усредненные группы и численно учиты­ваются комплексными обобщенными коэффициентами.

Генеральные формулы для расчета максимальной приземной концент­рации, создаваемой одиночными источниками:

 для нагретых выбросов; (7)

 для холодных выбросов, (8)

где А  коэффициент, характеризующий температурную стратификацию атмосферы; М  масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, г/c; F  безразмерный коэффициент, учитывающий ско­рость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; т и п  коэффи­циенты, учитывающие условия выхода факела из устья источника выбро­са; H  высота источника над уровнем земли, м; К_м  безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности; T  разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, °С; Q  расход выбрасываемой смеси, м³/с.

Для газообразных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю, F = 1. Понятие «мелкодисперсный аэрозоль» является в значительной мере условным. В разных литературных источниках мелкодисперсными считаются части­цы 2 мкм и менее, 5 мкм и менее; даже 20 мкм и менее. Различия объясня­ются тем, что скорость оседания частицы зависит не только от ее размера, но и от ее плотности и коэффициента формы (морфологии). Из практики известно, что некоторый качественный скачок в поведении частиц наблю­дается при их размере 3  4 мкм и менее. Очевидно, для пылей высокой истинной плотности (610³  810³ кг/м³) есть смысл считать граничным раз­мер 3  5 мкм, для более легких пылей увеличивать его до 8  10 мкм. В соот­ветствии с F для взвешенных веществ определяется отношением скорости оседания (витания) частиц v_ч к опасной скорости ветра и (скорость ветра, при которой приземная концентрация достигает своего максимума). Ско­рость витания рассчитывается по закону Стокса. За расчетный диаметр при определении F принят диаметр d_ч удов­летворяющий условию, что частицы большего, чем d_ч размера составляют 5 % от общей массы частиц. Если значение v_ч /и < 0,015, то F = 1; при 0,015 < v_ч /и < 0,03 принимают F = 1,5. В случае v_ч /и > 0,03 при степени очи­стки дымовых газов не менее 90 % принимают F = 2; при 75  90 % F= 2,5; при отсутствии очистки F = 3.

Понятие опасной скорости ветра неоднозначно. При малой скорости ветра увеличивается высота возвышения факела над устьем H, но факел дольше сохраняет плотную структуру и плохо размывается под действием одной только атмосферной диффузии. При сильном ветре, наоборот, роль H сводится к нулю или почти к нулю, но на факел интенсивно действует атмосферная диффузия. При очень сильном ветре вертикальные турбулен­тные флуктуации исключительно сильно искажают факел, причем иногда часть факела как бы «стекает» по подветренной стороне дымовой трубы на несколько десятков метров. Это явление объясняется особыми аэродина­мическими условиями обтекания ствола трубы высокоскоростным потоком воздуха. Эти и другие особенности поведения факела существенно влияют на все показатели его рассеивания.

В параметрах, составляющих генеральную формулу, не фигурирует прямо высота возвышения факела над устьем, хотя она играет существен­ную роль в рассеивании. В отдельных случаях (при полном безветрии и нормальной стратификации) величина H может равняться и (даже пре­вышать) H. Дело в том, что H зависит от T, Q, а также от формы и разме­ров устья. Иначе говоря, она неявно присутствует во вспомогательных формулах, по которым находятся коэффициенты т и п, т. е. в общей фор­мулировке, она определяется условиями выхода факела в атмосферу.

В методике не учитывается фактор осадков и, таким образом, он слу­жит дополнительным резервом благополучия атмосферы вокруг источни­ка выброса.

Выше говорилось о том, что дифференциальные уравнения рассеива­ния, описывающие процесс в наиболее общем виде, могли быть реализо­ваны в виде практической методики только за счет ряда упрощений и ус­реднений. До некоторой степени это проиллюстрировано на рис. 2, где число факторов, непосредственно влияющих на поведение факела выбро­са, заметно меньше.

Рис. 2. Схема факторов, учтенных в ОНД86

В методике изложен порядок определения минимальной высоты тру­бы. При ее определении необходимо выполнить условие: С  ПДК_м.р. Для веществ, для которых установлены только среднесуточные ПДК, используются приближенное соотношение между максимальными зна­чениями разовых и среднегодовых концентраций и требуется, чтобы 0,1С  ПДК_с.с.

При наличии в атмосфере нескольких вредных веществ, обладающих суммацией действия, их безразмерная суммарная концентрация не долж­на превышать единицы. При наличии фонового загрязнения атмосферы вместо С следует принимать С + С_ф . Значение фоновой концентрации определяется по специальной методике органами Росгидромета.

Для зон санитарной охраны курортов, мест размещения крупных сана­ториев и домов отдыха, а также для других территорий с повышенными требованиями к охране атмосферного воздуха ПДК следует заменить на 0,8ПДК.

При горячих выбросах (T  0) значение минимальной высоты перво­начально определяется из выражения

. (9)

Если при этом найденное значение , то оно является окончательным. В противном случае предварительное значение минималь­ной высоты определяется по формуле

. (10)

По найденному таким образом значению Н = Н₁, определяются значе­ния вспомогательных коэффициентов f, v_м, v’_м, f_e и устанавливаются в пер­вом приближении коэффициенты т = т₁, и n = n₁. Если т₁n₁  1, то по т₁ и n₁, определяется второе приближение Н = Н₂ по формуле . В общем случае (i + 1)-е приближение Н_i+1 определяется по формуле

, (11)

где т_i и п_i соответствуют Н_i, а т_i-1 и n_i-1  Н_i-1.

Уточнение значения Н необходимо производить до тех пор, пока по­следовательно найденные значения Н_i и Н_i+1 практически будут равны друг другу (с точностью до 1 м).

Генеральные расчетные формулы легли в основу формул для расчета ПДВ, г/с:

 для нагретых выбросов; (12)

 для холодных выбросов, (13)

Если для какого-либо вещества выполняется соотношение

, (14)

то в этом случае (при отсутствии необходимости учета суммации вредного воздействия нескольких веществ) использованные при расчетах значения M могут быть приняты в качестве ПДВ.