Моделирование расчета мощности выброса, соответствующего заданному значению максимальной концентрации

2.  Распределение загрязнений в атмосфере

     Атмосфера, как и вся природная среда  в целом, обладает способностью к самоочищению. Вредные вещества, поступающие в атмосферу от техногенных источников, оседают на поверхности растений, почвы, вымываются атмосферными осадками или переносятся на значительные расстояния от места выброса. Все эти процессы происходят с помощью ветра и зависят от температуры воздуха, солнечной радиации, атмосферных осадков и других метеорологических факторов.

     Влияние температуры воздуха на условия  переноса и рассеивания примесей.

     Перенос примесей в верхние слои атмосферы  определяется характером распределения температуры в атмосфере с высотой. Степень изменения температуры с высотой характеризуется вертикальным градиентом температуры ( ) на единицу высоты от поверхности земли, обычно на 100м.

     Состояние атмосферы бывает равновесным, устойчивым и неустойчивым. Степень устойчивости атмосферы определяет поведение воздушной частицы, выведенной из первоначального положения в выше- или нижележащий слой атмосферы.

     Если  градиент температуры в сухой  атмосфере равен 1 ^оС на 100 м, то воздух на любой высоте будет находиться в равновесии. В таком случае говорят, что атмосфера находится в состоянии безразличного равновесия, или что наблюдается равновесная стратификация. В естественных условиях влажного воздуха равновесное состояние наблюдается при меньшем градиенте температуры (примерно 0,6 ^оС/100 м).

     В соответствии с законами физики частица  теплого воздуха поднимается  вверх, холодного - опускается вниз.

     Выбросы загрязняющих веществ, отходящие от источников, как правило, имеют более  высокую температуру и поэтому поднимаются вверх постепенно охлаждаясь и рассеиваясь.

     При вертикальном градиенте температуры, значительно большем 1 ^оС/100 м, в приземном слое атмосферы создаются неупорядоченные движения воздуха - атмосферная турбулентность. Это приводит к нарушению закономерности распределения температуры воздуха с высотой.

     Возрастание температуры с высотой называется инверсией температуры. Инверсия температуры  может наблюдаться как у поверхности  земли (приземная инверсия), так и  на некоторой высоте (высотная инверсия). Если инверсия встречается на небольшой высоте от земли, ее называют приподнятой. Инверсия характеризуется вертикальной протяженностью (мощностью, т. е. разностью высот от верхней до нижней границы инверсии) и интенсивностью (т. е. разностью значений температуры на верхней и нижней границах инверсии).

     Приземные инверсии возникают в результате выхолаживания воздуха над почвой. Инверсии свободной атмосферы развиваются  в результате атмосферных циркуляционных процессов (циклонов и антициклонов, холодных и теплых атмосферных фронтов).

     Если  слой инверсии располагается непосредственно  над трубой источника выбросов, то в приземном слое атмосферы могут  создаваться опасные условия  загрязнения, так как инверсионный слой ограничивает подъем выбросов, способствует их опусканию и накоплению в приземном слое.

     Слой  инверсии, расположенный ниже уровня выбросов, препятствует их переносу к  земной поверхности. В этом случае слой инверсии оказывает благоприятное  действие.

     В городских условиях при наличии  большого числа низких источников выбросов, особенно если температура выбросов близка к температуре окружающего воздуха, при приподнятых и при приземных инверсиях создаются условия накопления примесей.

     Влияние скорости ветра и розы ветров на условия переноса и рассеивания примесей в атмосферном воздухе.

     Максимум  концентрации обычно создается на расстоянии, кратном 10 - 20 высотам труб источника  выбросов. Поэтому при проектировании размещения промышленных предприятий  и жилых кварталов учитывается  повторяемость различных направлений ветра (роза ветров), особенно со стороны предприятий, и расстояние до предприятия.

     Необходимо  принимать во внимание не только направление, но и скорость ветра. Выбросы низких и неорганизованных источников скапливаются в приземном слое при слабых ветрах. Наибольшие концентрации примесей в городах часто наблюдаются при скорости ветра 0 - 1 м/с.

     При выбросах от промышленных предприятий  с высотными трубами значительные концентрации примесей у поверхности  земли создаются при так называемой опасной скорости ветра. Из высоких труб воздушная смесь (факел) выходит с определенной скоростью. Если эта смесь имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, она поднимается вверх, и вредные примеси уносятся в верхние слои атмосферы. При слабых ветрах подъем факела увеличивается, и примеси почти не достигают земли. При сильных ветрах наблюдается перенос примесей на значительные расстояния от места выброса. Но имеется некоторая промежуточная скорость ветра, при которой факел опускается к земле (наблюдается эффект "задымления") и в приземном слое формируется наибольший уровень загрязнения. Эта скорость и является "опасной". Ее значение зависит от высоты, скорости и температуры выбросов из источника; например, для тепловых электростанций она равна 4 - 6 м/с.

     Большую опасность представляют так называемые застои воздуха, т. е. ситуации, когда приземные инверсии температуры наблюдаются при скорости ветра 0 - 1 м/с. В этой ситуации выбросы вредных веществ не могут подниматься в верхние слои атмосферы и уноситься от источника выбросов. При застоях воздуха все вредные вещества скапливаются у источника выбросов.

     Влияние туманов, осадков и солнечной  радиации на формирование уровня загрязнения атмосферы.

     При туманах загрязнение воздуха  усиливается. Капли тумана поглощают вредные вещества как вблизи поверхности, так и из вышележащих загрязненных слоев воздуха: концентрация примеси в тумане возрастает. Это связано с определенными процессами, например, при растворении в каплях тумана диоксида серы образуются капли более токсичной серной кислоты. При этом происходит возрастание массовой концентрации примеси, поскольку из 1 г двуокиси серы образуется 1,5 г серной кислоты. Аналогичным образом происходит переход двуокиси серы в серную кислоту в атмосферных осадках, что является одной из причин кислотных дождей.

     Туманы, содержащие частицы дыма и вредных  веществ, получили название смогов. С  наличием смогов связывают периоды  особо высокого загрязнения воздуха, сопровождающегося ростом заболеваемости и даже смертности населения.

     Важную  роль в процессе самоочищения атмосферы  играют атмосферные осадки. Капли  дождя либо снежинки захватывают  частицы пыли и несут их к поверхности  земли. Процесс самоочищения происходит в облаках, где облачные капли  захватывают пылинки, частицы сажи и дыма, а также при прохождении дождевых капель и снежинок через слой атмосферы. Повышение концентрации примесей редко наблюдается после дождя. Чем больше количество выпавших осадков, тем чище атмосфера. Однако осадки становятся источником загрязнения почвы, водоемов вредными веществами.

     Важную  роль в формировании уровня загрязнения  атмосферы играет солнечная радиация. При высокой интенсивности солнечного сияния, особенно в южных районах, в атмосфере происходят фотохимические реакции: окисление диоксида серы с образованием сульфатных аэрозолей. При наличии в атмосфере окислов азота и органических веществ в ясные солнечные дни возможны фотохимические процессы с образованием фотохимического смога. Наиболее вредный продукт фотохимической реакции - пероксиацетилнитрат (ПАН).

     Таким образом, в реальной атмосфере выбросы  промышленных предприятий и других источников подвергаются действию всего  комплекса метеорологических факторов, который и определяет уровень  загрязнения.

     Сочетание метеорологических условий, обусловливающих накопление в атмосфере примесей, называют метеорологическим потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА), а обусловливающих рассеяние - рассеивающей способностью атмосферы (РСА).

     Влияние различных составляющих ПЗА зависит  от расположения источников, параметров выбросов, а также от повторяемости составляющих ПЗА. Чем больше повторяемость неблагоприятных условий, тем чаще происходит накопление примесей и тем выше средний уровень загрязнения.

     Повторяемость условий, благоприятных для рассеивания  примесей, существенно изменяется в течение года и от года к году. В зависимости от вида источников и характера их размещения по территории города изменчивость концентрации примеси, обусловленная изменениями метеорологических условий, может быть весьма значительной. Роль метеорологических условий в формировании среднего уровня загрязнения иногда может превышать роль количества и состава выбросов.

     При разработке мероприятий по охране атмосферы  с особым вниманием следует отнестись  к метеорологическим условиям района, в котором расположен город. Большое значение имеет прогноз метеорологических условий и вероятности повышения загрязнения воздуха в отдельные периоды, который может составляться в одном из прогностических подразделений управления по гидрометеорологии.

     Если  прогнозируются неблагоприятные условия  рассеивания, а в воздухе города содержание примесей велико, на промышленные предприятия передается предупреждение о возможном повышении уровня загрязнения. В такие периоды  некоторые предприятия сокращают  выбросы в атмосферу вредных веществ или приостанавливают запланированные ранее залповые выбросы, не проводят профилактические работы на пылеочистных сооружениях, не отключают пылеочистные аппараты. В настоящее время прогнозирование условий рассеивания примесей осуществляется практически во всех крупных городах. Однако не всегда предприятия откликаются на эти предупреждения регулированием или снижением выбросов [2].

3.  Приоритетные загрязнители атмосферы

     Тяжелые металлы. Свинец. Яд, действующий на все живое, но вызывающий изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Активно влияет на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат.  Хром VI. В клинической картине отравления отмечается кашель, чаще сухой; объективно - бронхит. При повышенной чувствительности к Сr может развиться бронхиальная астма. Поражение легких, обычно двустороннее, интерстициальное, усложняется бронхоэктатической болезнью и пневмонией затяжного характера.

     Диоксид азота. Обладает выраженным раздражающим и прижигающим действием на дыхательные пути, особенно глубокие, что приводит к развитию токсического отека легких; угнетает аэробное и стимулирует анаэробное окисление в легочной ткани. Не исключена возможность общего действия, в том числе за счет всасывающихся в кровь с поверхности легких продуктов клеточного распада.

     Аммиак. Хроническое отравление (концентрации 0,0008-0,0036 и 0,0002-0,016 мг/дм³) вызывало жалобы на снижение трудоспособности, головные боли, плохой сон и аппетит, повышенную раздражительность. Объективно зарегистрированы значительные сдвиги высшей нервной деятельности, тенденция к гипотонии, тахикардия, эозинопения, снижение фагоцитарной активности лейкоцитов, активности пропердиновой системы крови и титра комплемента; сначала стимуляция (при стаже до года), позже угнетение (при стаже более года) гемопоэза. У рабочих химических заводов выявлены (при 0,0005-0,024 мг/ дм³) аносмия или гипосмия, неврастения, понижение биоэлектрической активности головного мозга, повышение активности глутаминопировиноградной трансаминазы и снижение уровня витамина С в крови, уменьшение выведения мочевины, увеличение потребности в витамине В₁. Повышена заболеваемость катарами верхних дыхательных путей, ангинами, тонзиллитами.

     Диоксид серы. При хроническом воздействии  ухудшается обоняние, понижается вкусовое восприятие; наблюдаются хронические заболевания дыхательных путей, сопровождающиеся астмо-подобными приступами. Реже желудочно-кишечные расстройства (хронический гастрит с нарушениями всех функций), конъюнктивиты и расстройства функции печени (дискинезия желчных путей). В крови - изменение числа эритроцитов и нейтрофилов, содержания гемоглобина. У женщин - нарушение менструального цикла.

     Сероводород. При хроническом воздействии в повышенных концентрациях приводит к нервным расстройствам, нарушениям кровяного давления, катарам верхних дыхательных путей, бронхитам. Отмечаются заболевания глаз (чувство жжения, покраснение и опухание конъюктивы), головные боли, ослабление слуха, общая слабость, частые головокружения; расстройства пищеварения, тошнота, понос, исхудание, малокровие; сосудисто-вегетативные нарушения; зеленовато-серый налет на зубах; кожный зуд, кожные высыпи, фурункулез, пониженная сопротивляемость кожи к инфекциям. В крови - увеличение числа витально-зернистых эритроцитов (позже оно падает), уменьшение цветного показателя, анизоцитоз, пойкилоцитоз, относительная нейтрофилия.