Закономерности распространения загрязняющих веществ в атмосфере

Оглавление

Основные обозначения

Введение

Глава I. Физическое описание распространения атмосферных примесей

1.1 Общие сведения о загрязнении атмосферы городов автотранспортом

1.2 Основные факторы, влияющие на распространение загрязняющих веществ

1.3 Закономерности распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Особенности атмосферной циркуляции

.4 Влияние ветра на распространение загрязняющих веществ

.5 Гауссова модель распространения примеси для различных источников загрязнения

.6 Численное решение гауссовой модели рассеяния примеси в атмосфере

.7 Выведение загрязняющих веществ из атмосферы с осадками

.8 Сухое выпадение загрязнений на подстилающую поверхность

1.9 Количественная оценка выбросов вредных веществ автомобильным транспортом

.10 Уточненная постановка задачи исследования

Глава II. Исследование динамики загрязнений в г. Кисловодск

.1 Эколого-ландшафтное описание г. Кисловодск

.2 Конкретизация гауссовой модели для линейного непрерывного источника загрязнения (автотрассы)

.3 Численное решение конкретизированной модели Гаусса в случае линейного источника загрязнения

.4 Анализ динамики загрязнения воздушной среды в городе Кисловодске за период с 2002 по 2006 годы

Заключение

Используемая литература

Основные обозначения

- скорость течения жидкости или газа,

- характерный масштаб длин

- кинематический коэффициент молекулярной вязкости

g - ускорение свободного падения

- температура (жидкости, газа) в К

 - сухоадиабатический градиент

 - вертикальный градиент скорости ветра

q (t,x,y,z)- функция, характеризующая значения концентрации примеси в точке в момент времени t.

- координаты источника примеси;

Q - мощность источника

 - средние квадратичные отклонения частиц примеси в момент времени t соответственно вдоль координатных осей OX, OY, OZ

V_x - коэффициент, характеризующий скорость ветра;

h - высота приземного слоя.

- абсциссы начала и конца источника соответственно;

 и - ординаты начала и конца источника соответственно;

и - аппликаты начала и конца источника соответственно.

Е⁺ - трехмерное евклидово пространство

K_x, K_y, K_z - коэффициенты турбулентной диффузии вдоль осей OX, OY, OZ

K₀ - значение коэффициентов диффузии примеси вдоль осей OX и OY при z=1

K₁ - значение коэффициента диффузии примеси вдоль вдоль оси OZ при z=1

N- количество автомобилей

М - знать массу топлива одного автомобиля при прохождении 1 км трассы

- плотность топлива

 - объем расходуемого топлива при прохождении

Введение

Проблемы атмосферных загрязнений стали особо актуальными с середины 20 века в связи с ростом промышленного потенциала и транспорта. В частности, широко обсуждаются вопросы парникового эффекта, выбросов вредных веществ и т.д. Эти проблемы также обсуждаются на правительственном уровне, подтверждением чего является подписание Киотского протокола.

Проблемы атмосферных загрязнений затронули и курортные города, одним из которых является Кисловодск. В связи с тем, что промышленные предприятия вынесены за городскую черту, основным источником загрязнений здесь является автомобильный (преимущественно) и железнодорожный транспорт [1].

Физическая сторона рассматриваемой проблемы связана с анализом эмиссии распространения и поглощения загрязняющих веществ. Большая теоретическая работа в этом направлении была проведена Берляндом. В его монографии [3] построены основные модели распространения загрязняющих веществ от точечных, линейных и площадных источников как непрерывного, так и мгновенного действия. Работы по распространению загрязнений также проводятся и в Ставропольском госуниверситете [17], [24].

Однако построенные указанными исследователями модели имеют общий характер и требуют уточнения применительно к конкретным условиям. Кроме того, возникает необходимость апробации данных моделей на основе известных данных экологических и метеорологических наблюдений в г. Кисловодск.

Целью дипломной работы является численное моделирование и статистический анализ динамики загрязненности атмосферы в г. Кисловодск при наличии линейного источника загрязнения.

Задачами дипломной работы являются:

·   анализ известных физических и математических моделей эмиссии, распространения и поглощения загрязняющих веществ в атмосфере;

·   конкретизация гауссовой модели распространения загрязнений от линейного источника непрерывного действия (автотрассы);

·   численное исследование конкретизированной модели;

·   статистическая обработка известных данных наблюдений загрязнения атмосферы в г. Кисловодск за 2002-2006 годы и выявление корреляционной связи с основными физическими параметрами атмосферы;

·   апробация результатов численного моделирования на основе имеющихся данных наблюдений.

В соответствии с перечисленными целью и задачами исследования предложена следующая структура дипломной работы.

Первая глава работы носит теоретический характер и посвящена физическому анализу эмиссии и распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Особое внимание уделено линейным источникам загрязнения. Рассмотрено влияние на распространение атмосферных загрязнений ветра, влажности, количества выпавших осадков, температуры воздуха, атмосферного давления. Также рассмотрено выведение атмосферных примесей за счет осадков сухого выпадения. Кроме того, рассмотрены основные виды загрязнений, их количество и состав. В конце первой главы уточнена постановка задач исследования.

Вторая глава носит практический характер и посвящена уточнению гауссовой модели распространения примеси от линейного источника загрязнения и численному исследованию этой модели. Кроме того, здесь приведены результаты статистического анализа динамики загрязнения воздушной среды в «верхней части» города и в центре города за период с 2001 по 2006 гг.

эмиссия загрязняющий атмосфера циркуляция

Глава I. Физическое описание распространения атмосферных примесей

.1 Общие сведения о загрязнении атмосферы городов автотранспортом (линейный источник загрязнения)

Источники загрязнения различаются по мощности выбросов (мощные, крупные и мелкие), по высоте выбросов (низкие, средние, высокие), по температуре отходящих газов (нагретые, холодные).[13]

Под низкими источниками понимают такие, в которых выброс осуществляется на высоте ниже 50 метров, под высокими - выше 50 метров; нагретыми условно называют выбросы, температура которых выше 50º С, при более низкой температуре выброс считается холодным.

Источники загрязнения атмосферы классифицируются:

по назначению

а) Технологические, содержащие хвостовые газы после улавливания на установках продувки аппаратов, воздухозаборников и.т.д. Для них характерны высокие концентрации вредных веществ и малые объемы удаляемого воздуха.

б) Вентиляционные - местные отсосы от оборудования и обще обменная вытяжка.

по месторасположению.

а) Незатененные (высокие) потоки. К ним относят высокие трубы и точечные источники, удаляющие загрязнение на высоту, превышающую высоту здания в 2,5 раза.

б) Затененные (низкие), расположенные на высоте в 2,5 раза меньше высоты здания.

в) Наземные, находящиеся вблизи земной поверхности. К ним относятся, открыто расположенное технологическое оборудование, колодцы производственной канализации, промывные токсичные вещества, разбросанные отходы производства.

по геометрической форме

б) Линейные - близко расположенные вытяжные шкафы и факелы.

в) Площадные - промплощадки, города, поля с внесенными ядохимикатами.

по режиму работы.

а) Непрерывного или периодического действия.

б) Залповые и мгновенные. В случае залповых выбросов за короткий промежуток времени в атмосферу поступают объёмы выбросов с большой концентрацией загрязняющих веществ. Залповые выбросы производятся при авариях, при сжигании быстрогорящих отходов на площадках утилизации.

При мгновенных выбросах загрязняющие вещества выделяются за доли секунд и иногда на достаточно высокие расстояния. Они происходят при взрывных работах и аварийных ситуациях.[13]

На распределение загрязняющих веществ в атмосфере города влияют множество факторов. При постоянных параметрах выбросов уровень загрязнения атмосферы существенно зависит от климатических условий, характерных для данной территории, к ним относятся: направление и скорость ветра, условия переноса и распространения примесей, интенсивность солнечной радиации, количество и продолжительность атмосферных осадков.[16]

Влияние метеоусловий вблизи источника загрязнения проявляется по-разному. При нагретых или холодных выбросах из высоких и низких труб концентрации примесей в приземном слое атмосферы под факелом дымовых и вентиляционных труб на разных расстояниях от источника распределяются следующим образом: вблизи источника при отсутствии низких и неорганизованных выбросов концентрация примесей мала, она увеличивается и достигает максимума на некотором расстоянии от трубы. Максимум и характер концентраций с расстоянием зависит от мощности выброса, высоты трубы, температуры отходящих газов и скорости выбросов, а также от метеоусловий. Чем выше источник выброса, тем больше рассеивается выброс, прежде чем он достигнет подстилающей поверхности.[18] Наибольшие значения концентраций достигается на расстоянии 10-40м высот труб. На промышленных площадках загрязнение приземного слоя воздуха может быть повышенным за счет неорганизованных выбросов. Рассеивающая способность атмосферы зависит от вертикального распределения температуры и скорости ветра. Если температура с высотой падает, то создаются условия для постоянного интенсивного турбулентного обмена.[14]. Если температура с высотой растет (температурная инверсия), то рассеивание примесей ослабевает. В случае мощных и длительных приземных инверсиях при низких и неорганизованных выбросах приземные концентрации могут существенно возрастать. В случае приподнятых инверсий приземные концентрации зависят от высоты расположения источника загрязнения по отношению к нижней границе температурной инверсии. Если источник расположен выше слоя приземной инверсии, то примесь к земной поверхности поступает в незначительных количествах. Если источник распложен ниже, то основная часть примесей концентрируется вблизи поверхности земли. Скорость ветра способствует переносу и рассеиванию примесей, так как с усилением ветра возрастает интенсивность перемешивания воздушных слоёв.[17] При слабом ветре в районах высоких источников концентрации примесей количество загрязняющих веществ уменьшается за счет увеличения подъёма факела и перемещению примесей вверх. Подъём примесей особенно значителен при нагретых выбросах. При сильном ветре начальный объём примесей уменьшается, но возрастает скорость переноса примесей на значительные расстояния[23].

Максимальные концентрации обычно наблюдаются при опасной скорости ветра, которая зависит от параметров выбросов.[14] Для мощных источников с большим перегревом дымовых газов, например для ТЭС, опасная скорость 5-7 м/с [22]. Для источников со сравнительно малым объёмом выбросов и низкой температурой отходящих газов опасная скорость составляет 1-2 м/с. Неустойчивое направление ветра способствует усилению рассеивания примесей по горизонтали и, концентрируясь у земли уменьшаются. Солнечная радиация способствует протеканию фотохимических реакций и формированию различных вторичных продуктов загрязнения, которые часто обладают более опасными токсическими свойствами, чем исходные вещества. В результате фотохимического эффекта в ясные солнечные дни в атмосфере формируется фотохимический смог.

При туманах концентрация примесей может сильно увеличиваться. С туманами связаны, смоги, при которых в течение длительного времени удерживаются высокие концентрации вредных примесей [21].

На распространение примесей влияют упорядоченные вертикальные движения, обусловленные неоднородностью подстилающей поверхности. В условиях пересеченной местности на наветренных склонах возникают восходящие движения, а на подветренных склонах нисходящие; на водоёмах летом - нисходящие, а в прибрежных районах восходящие потоки. При нисходящих потоках приземные концентрации увеличиваются, а при восходящих приземные концентрации уменьшаются. В некоторых формах рельефа (например, котловинах) воздух застаивается, что приводит к накоплению загрязняющих веществ вблизи подстилающей поверхности, особенно низких и неорганизованных источников.

1.2 Основные факторы, влияющие на распространение загрязняющих веществ

Основными процессами, сопровождающими распространение атмосферных примесей, являются диффузия и физико-химическое взаимодействие примесей между собой и с компонентами атмосферы [2].

Примеры физического реагирования: конденсация паров кислот во влажном воздухе с образованием аэрозоля, уменьшение размеров капель жидкости в результате испарения в сухом теплом воздухе. Жидкие и твердые частицы могут объединяться, растворять газообразные вещества [12].

Некоторые процессы химических преобразований начинаются непосредственно с момента поступления выбросов в атмосферу, другие - при появлении для этого благоприятных условий - необходимых реагентов, солнечного излучения, других факторов [13].

Углеводороды в атмосфере подвергаются различным превращениям (окислению, полимеризации), взаимодействуя с другими загрязнениями прежде всего под действием солнечной радиации. В результате этих реакций образуются пероксиды, свободные радикалы, соединения с NO_x и SO_x.

Соединения серы поступают в атмосферу в виде SO₂, SО₃, H₂S, CS₂. В свободной атмосфере SO₂ через некоторое время окисляется до SО₃ или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами, в свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях. Конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде[26].

Уровень приземной концентрации вредных веществ в атмосфере от стационарных и подвижных объектов промышленности и транспорта при одном и том же массовом выбросе может существенно меняться в атмосфере в зависимости от техногенных и природно-климатических факторов [12].

Под техногенными факторами будем понимать интенсивность и объем выброса вредных веществ; высота расположения устья источника выбросов от поверхности земли; размер территории, на которой осуществляются загрязнения; уровень техногенного освоения региона.

К природно-климатическим факторам распространения загрязняющих веществ обычно относят:

·   режим циркуляции атмосферы, ее термическую устойчивость;

·   атмосферное давление, влажность воздуха, температурный режим;

·   температурные инверсии, их повторяемость и продолжительность;

·   скорость ветра, повторяемость застоев воздуха и слабых ветров (0¸1 м/с);

·   продолжительность туманов;

·   рельеф местности, геологическое строение и гидрогеологию района;

·   почвенно-растительные условия (тип почв, водопроницаемость, пористость, гранулометрический состав почв, состояние растительности, состав пород, возраст, бонитет);

·   фоновые значения показателей загрязнения природных компонентов атмосферы;

·   состояние животного мира

Рассмотрим перечисленные факторы более подробно. В природной среде непрерывно меняются температура воздуха, скорость, сила и направление ветра. Поэтому распространение энергетических и ингредиентных загрязнений происходит в постоянно меняющихся условиях. Процессы разложения токсических веществ в высоких широтах при малых значениях солнечной радиации замедляются. Осадки и высокие температуры, наоборот, способствуют интенсивному разложению веществ. Более высокая температура у поверхности земли в дневное время заставляет воздух подниматься вверх, что приводит к дополнительной турбулентности. Ночью температура у поверхности земли более низкая, поэтому турбулентность уменьшается. Это явление приводит к уменьшению рассеивание отработавших газов [5].

Способность земной поверхности поглощать или излучать теплоту влияет на вертикальное распределение температуры в приземном слое атмосферы и приводит к температурной инверсии (отклонение от адиабатности). Повышение температуры воздуха с высотой приводит к тому, что вредные выбросы не могут подниматься выше определенного «потолка». В инверсионных условиях ослабляется турбулентный обмен, ухудшаются условия рассеивания вредных выбросов в приземном слое атмосферы [12]. Для приземной инверсии особое значение имеет повторяемость высот верхней границы, для приподнятой инверсии - повторяемость высот нижней границы.

Сочетание природных факторов, определяющих возможный уровень загрязнения атмосферы, характеризуется метеорологическим и климатическим потенциалом загрязнения атмосферы, а также высотой слоя перемешивания, повторяемостью приземных и приподнятых инверсий, их мощностью, интенсивностью, повторяемостью застоев воздуха, штилевых слоев до различных высот [13].

Уменьшение концентраций вредных веществ в атмосфере происходит не только вследствие разбавления выбросов воздухом, но и из-за постепенного самоочищения атмосферы. Явление самоочищения сопровождается следующими основными процессами

·   седиментация, т.е. выпадение выбросов с низкой реакционной способностью (твердых частиц, аэрозолей) под действием силы тяжести;

·   нейтрализация и связывание газообразных выбросов в открытой атмосфере под действием солнечной радиации

Определенный потенциал самовосстановления свойств окружающей среды, в том числе и очищения атмосферы, связан с поглощением водными поверхностями до 50% природных и техногенных выбросов СО₂. В водоемах растворяются и другие газообразные загрязнители воздуха. То же происходит на поверхности зеленых насаждений: 1 га городских зеленых насаждений поглощает в течение часа такое же количество CО₂, которое выдыхают 200 человек.

Химические элементы и соединения, содержащиеся в атмосфере, поглощают часть соединений серы, азота, углерода. Гнилостные бактерии, содержащиеся в почве, разлагают органические остатки, возвращая CО₂ в атмосферу.

1.3 Закономерности распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Особенности атмосферной циркуляции

Загрязняющие вещества поступающие в атмосферу, подвержены следующим изменениям: 1) переносу атмосферными течениями (движения ми); 2) захвату каплями облаков и туманов и последующему их вымыванию осадками; З) радиоактивному распаду (если примесь радиоактивна) и вступлению в химические реакции с другими примесями и атмосферой (если примесь химически активна) [14].

Атмосферные течения могут находиться в двух режимах: ламинарном и турбулентном. Режим движения атмосферы, при котором малые объемы воздуха перемещаются по параллельным (возможно слегка искривленным) траекториям, называется ламинарным: режим, при котором малые объемы совершают неупорядоченные, хаотические движения, принято называть турбулентным [6].

Характер режима (движения) жидкости или газа определяется двумя безразмерными числами (параметрами): 1)числом Рейнольдса

где - скорость течения жидкости или газа, - характерный масштаб длин (средний размер тел, обтекаемых потоком, расстояние между твердыми стенками-границами и т.д.), - кинематический коэффициент молекулярной вязкости. [26] При малых значениях числа Re движение жидкости или газа носит ламинарный характер; при числе Re равным критическому значению Re_кр, наблюдается переход ламинарного течения в турбулентное, пи больших значениях числа Re движение полностью становится турбулентным. [14]: 2) числом Ричардсона

где g - ускорение свободного падения, Т - температура (жидкости, газа) в К,

- вертикальный градиент температуры жидкости (газа),  - сухоадиабатический градиент,  - вертикальный градиент скорости ветра. Если число Ri меньше некоторого критического значения Ri_кр, то интенсивность турбулентного движения (кинетическая энергия турбулентных частиц) увеличивается, если Ri>Ri_кр - ослабевает. (Семенчин) Влияние ветра на распространение атмосферных загрязнений.

Примесь, попадающая в турбулентную среду, под влиянием пульсаций скорости потока начинает распространяться в ней, образуя загрязненную область. Выбор способа описания этого процесса зависит от способа поступления примеси в среду и от конечного результата, который требуется получить. Следует различать два типа диффузии в турбулентной среде [6]

В первом случае рассматривается рассеяние примеси относительно фиксированной точки - положения фиксированного (или движущегося с известной скоростью) длительно действующего бесконечно малого (точечного) источника, причем требуется определить всю область, в которой в то или иное время примесь могла находиться. В другом случае вся примесь сразу занимает некоторый начальный объем и образует облако, которое под действием турбулентных пульсаций рассеивается [10].

1.4 Влияние ветра на распространение загрязняющих веществ

В пограничном слое атмосферы скорость и направление ветра меняются с высотой, что в дополнение к действию пульсаций скорости также приводит к рассеянию облака примеси.

Огромные медленно перемещающиеся в пространстве системы высокого давления часто характеризуются такими сочетаниями значений стабильности атмосферы, ветра и ветрового сдвига, которые способствуют устойчивому состоянию загрязнения внутри этой воздушной массы. Влияние метеорологических параметров может обусловливать накопление относительно высоких концентраций загрязняющих соединений внутри системы высокого давления. Высокий уровень загрязнения воздуха может регистрироваться в такой воздушной массе в течение значительного промежутка времени (около недели) [12].

Например, внутри системы высокого давления имеются области с температурной инверсией, которые расположены на некотором расстоянии от поверхности Земли и препятствуют поступлению загрязнения в приземный слой, обусловливая, таким образом, накопление загрязнения, поступающего от источников, в самой воздушной массе [6]. Многие системы высокого давления характеризуются и низкой скоростью ветра, что также способствует накоплению загрязнения вследствие незначительного горизонтального рассеивания выбросов загрязняющих веществ, попадающих в такую систему.

Системам высокого давления свойственна также и незначительная облачность. Это увеличивает поступление солнечной радиации к земной поверхности и создает благоприятные условия для образования фотохимического загрязнения воздуха, которое в свою очередь оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Системы высокого давления и безоблачное небо не способствуют также выпадению дождей, являющихся одним из важных процессов выведения загрязняющих веществ из атмосферы [2]. По этим причинам и в связи с тем, что системы высокого давления медленно перемещаются в атмосфере, в них в течение длительного времени могут сохраняться высокие концентрации загрязняющих веществ.

Ветровой сдвиг, или изменение направления ветра с высотой, становится важным фактором при дальнем переносе загрязняющих веществ, так как он обусловливает «разбавление» воздушной массы, в которой содержатся загрязняющие примеси. Поскольку верхние и нижние слои воздушных масс, содержащих загрязнение, перемещаются в различных направлениях с разной скоростью, наличие ветрового сдвига способствует значительному рассеиванию загрязняющих компонентов атмосферы за время их переноса [26]

1.5 Гауссова модель распространения примеси для различных источников загрязнения

Загрязняющий воздух промышленный выброс воздушными потоками выносится из района расположения источника на значительное расстояние. Скорость и дальность переноса загрязнения зависит от турбулентности воздуха и существующего во время эмиссии загрязнения ветрового поля. Перенос выброса в атмосферном воздухе, как правило, относится к гауссову типу переноса, поскольку среднее сечение выброса (факела) очень сходно с видом распределения Гаусса, имеющего форму колокола. На рисунке приведен идеализированный вид факела гауссова типа.

Здесь Ф - сечение выброса перпендикулярно направлению движения, h - высота трубы, H - общая высота выброса, которая является суммой высоты трубы и добавочной высоты, на которую поднимается выброс.

Для расчета средних значений концентрации примеси в экологически значимой зоне часто используют [10,6,25,29] гауссову модель распространения примеси.

Согласно этой модели, изменения концентрации примеси от мгновенного точечного источника примеси подчиняется нормальному закону распределения:

 (1)

Где - координаты источника примеси;

Q - мощность источника;

 - средние квадратичные отклонения частиц примеси в момент времени t соответственно вдоль координатных осей OX, OY, OZ [15,75]:

, ,  (2)

V_x - коэффициент, характеризующий скорость ветра;

h - высота приземного слоя.

Используя принцип суперпозиции, из (1) легко получить формулы для расчета концентрации примеси от точечного источника непрерывного действия, мгновенного линейного источника, линейного источника непрерывного действия, мгновенного площадного источника, площадного источника непрерывного действия, мгновенного объемного источника, объемного источника непрерывного действия:

) если источник является точечным непрерывного действия, то:

, (3)

) если источник является мгновенным линейным, то

, (4)

) если источник является линейным непрерывного действия, то

) если источник является мгновенным площадным, то

, (6)

) если источник является площадным непрерывного действия, то

(7)

) если источник является мгновенным объемным, то

(8)

) если источник является объемным непрерывного действия, то

(9)

где

- координаты источника примеси;

Q - мощность источника примеси;

V_x - коэффициент, характеризующий скорость ветра в предположении, что система координат сориентирована таким образом, что OX совпадает с направлением ветра.

Если источник представляет собой более сложное чем точка тело, то и  и - абсциссы начала и конца источника соответственно;

 и - ординаты начала и конца источника соответственно;

и - аппликаты начала и конца источника соответственно.

При рассмотрении источников примеси непрерывного действия вводится параметр - время действия источника (предполагается, что источник примеси начал свою работу в момент времени (t = 0).

Расстояние, на котором регистрируется максимальная концентрация загрязнения в приземном воздухе, зависит и от условий турбулентного обмена в атмосфере. Анализируя отдельные выражения, входящие в уравнение, т.е.  можно оценить воздействие турбулентности воздуха на размывание (рассеяние) выброса загрязнения. Скорость ветра в значительной мере влияет на значения этих стандартных отклонений. Такой вывод следует из того факта, что скорость ветра связана со структурой турбулентности в атмосферном воздухе и определяет количество воздуха, которое разбавляет загрязняющие вещества в выбросе при действии процессов турбулентного обмена [17].

Главным преимуществом гауссовой модели является ее относительная простота. Несмотря на простоту данной модели, наблюдается хорошее согласование экспериментальных и расчетных данных, полученных с помощью данной модели [10,6,24,29].

Заметим, что гауссова модель рассеяния примеси была получена эмпирическим путем и теоретически обоснована только для наземных источников. Однако позднее она была перенесена без должного обоснования и для случая высотных источников, где ее применение давало результаты, значительно отличающиеся от экспериментальных [10]. Поэтому встал вопрос о создании эффективных аналитических решений более точных моделей рассеяния примеси хотя бы для некоторых наиболее часто встречающихся на практике случаев. В следующем параграфе будет рассмотрено одно из численных решений гауссовой модели рассеяния примеси в атмосфере для линейного непрерывного действия [19].

1.6 Численное решение гауссовой модели рассеяния примеси в атмосфере

Согласно гауссовой модели изменение концентрации примеси в атмосфере подчиняется нормальному закону распределения ((1)пн. 5) [10, 15, 52, 75]. Основная сложность состоит в вычислении кратных интегралов, при расчете которых аналитические методы приводят к громоздким формулам, а численные методы требуют большого времени счета даже при использовании современных быстродействующих ЭВМ. Поэтому предлагается собственный вариант численного решения гауссовой модели рассеяния примеси [17].

Для проведения численных расчетов по формулам (1), (3)-(9) покрываем  равномерной сеткой (), ()с шагами  вдоль осей OX, OY, OZ соответственно. Преобразуем (2), используя для определения K_x(z)_: K_y{z) и K_z{z) формулы степенной модели.

Особая роль отводится коэффициенту K_z, как оказывающему наибольшее влияние на процесс распространения примеси в атмосфере. При этом на небольших высотах (до 100 м) коэффициент K_z увеличивается с высотой быстрее, чем коэффициенты K_x и K_y , так как на коэффициент K_z подстилающая поверхность оказывает большее влияние, чем горизонтальные компоненты турбулентного обмена K_x и K_y [10,75]

Для определения коэффициентов K_x и K_y применима следующая формула [10,75]:

 (10)

Коэффициент  можно найти, определив  и  на границе приземного слоя экспериментально, либо исходя из иных соображений, например, на основании решения обратной задачи турбулентной диффузии по известным данным о распределении концентрации примеси в атмосфере [10,75], или проанализировав видимые очертания дымового факела от источника примеси [4]. Например,

 (11)

В результате исследований [10,15,75], было получено что K₀ = 0,1-1 м в зависимости от устойчивости атмосферы. В частности, при неустойчив стратификации K₀ = 0,5-1 м [10].

Коэффициенты V_x(z), K_z могут быть заданы в виде степенных функций аргумента z [5,24]:

,  (12)

где постоянные n и m должны быть подобраны таким образом, чтобы

,,

являлись наилучшим приближением вертикально профиля скорости и вертикальной составляющей коэффициента турбулентной диффузии. Как правило, берут [6,15].

Средние квадратичные отклонения частиц примеси в момент времени t соответственно вдоль координатных осей OX, OY, OZ пользуясь формулами (2) можно записать в виде:

, ,  (13)

, , (14)

Определив по формулам (13), (14) во всех узлах сетки () вспомогательные параметры ,аппроксимируем (1):

 (15)

Используя принцип суперпозиции, с помощью ((1)пн. 1), а значит и (15), можно найти среднее значение концентрации примеси в точках  атмосферы и для других типов источников примеси: точечного источника непрерывного действия, мгновенного линейного источника, линейного источника непрерывного действия, мгновенного площадного источника, площадного источника непрерывного действия, мгновенного объемного источника, объемного источника непрерывного действия.

В данной работе для линейного непрерывного источника изменение концентрации примеси подчиняется закону распределению [17].

(16)

В следующей главе будет конкретизирована и рассмотрена Гауссова модель распространения примеси от линейного непрерывного источника загрязнения (автотрассы), выполнен расчет распространения примеси и проведен анализ, полученных в Метеоцентре (Ставропольском центре по Гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды), состава атмосферного воздуха.

1.7 Выведение загрязняющих веществ из атмосферы с осадками

Вымывание примеси может происходить за счёт поглощения её каплями тумана или частицами осадков:

Где P(r) - количество примеси, поглощаемой каплей радиуса r;(r) - функция распределений [13].

Для газовой примеси, поглощаемой полностью на поверхности капли:

где- коэффициент диффузии примеси.

Снежинки, имеющие большой эффективный радиус r, поглощают особо сильно. Если капля или снежинка падают с заметной скоростью, то функция P(r) принимает вид:

очищающая роль дождя или снега увеличится [16].

Процесс выпадения осадков является важной стадией выведения загрязняющих веществ.

Загрязняющие соединения могут растворяться в облачных каплях в процессе образования облаков (облачное вымывание). При облачном вымывании количество загрязняющих веществ, попадающих в жидкую фазу за счет диффузии, пропорционально их концентрации внутри облака. Так как облака, как правило, находятся на относительно большом расстоянии от поверхности Земли, процесс облачного вымывания эффективен при метеорологических условиях, способствующих эффективному вертикальному перемешиванию воздушных масс в нижнем слое атмосферы, включающем и облачную массу [19]. Поэтому процесс облачного вымывания наиболее эффективен при дальнем переносе загрязняющих веществ. При таких условиях загрязняющие вещества могут попадать в высокие слои атмосферы [21].

После абсорбции загрязняющих веществ облачными каплями эти вещества могут вступать в химические реакции, подобные реакции двуокиси серы и аммиака, приводящие к образованию сульфата аммония, или другие химические взаимодействия. Облачные капли являются начальной стадией образования более крупных капель осадков. Таким образом, облачные капли с растворенными в них загрязняющими веществами трансформируются, затем в большие по размерам капли дождя [20]. Таким путем загрязнение может выводиться из атмосферы и с осадками поступать на поверхность Земли.

Облачные капли, не превратившиеся в дождевые, могут испаряться и, таким образом, эмитировать из своего объема загрязняющие вещества в атмосферный воздух, которые вновь растворяются в облачных каплях. Это приводит к повторению цикла выведения загрязнения из атмосферы, что в коечном итоге вызывает выпадение дождя .

Вторым типом выведения загрязняющих веществ из атмосферы является процесс подоблачного вымывания, при котором дождевые капли, пролетая, «захватывают» загрязняющие вещества и переносят их на подстилающую поверхность. Однако этот процесс является, как правило, относительно неэффективным вследствие низкой плотности дождевых капель в воздушной массе, содержащей загрязнения, а также незначительного времени контакта капель и загрязняющих соединений. Тем не менее, в районах с высоким уровнем загрязнения воздуха и значительным количеством осадков подоблачное вымывание может играть важную роль [26]. Возможность существования загрязняющих веществ в растворенной форме обусловливает необходимость исследований в области химии осадков.

1.8 Сухое выпадение загрязнений на подстилающую поверхность

В отсутствие осадков загрязняющие вещества также могут выпадать на подстилающую поверхность и растительность. Такой процесс выведения загрязняющих соединений из атмосферы называется сухим выпадением. Существует ряд важных процессов осаждения, приводящих к выведению из атмосферы микродисперсных частиц и газов [21]. В этом случае процессы сухого выпадения определяются коэффициентом выпадения, который называется скоростью осаждения и представляет отношение потока загрязняющих соединений к земной поверхности к концентрации этого соединения в пограничном слое атмосферы, непосредственно над подстилающей поверхностью:

 (1)

где- поток загрязнения к подстилающей поверхности;_d - скорость сухого осаждения.

Многочисленные исследования, выполненные в последние годы, показали, что скорость осаждения зависит от химических свойств вещества [5] Так, более высокую скорость осаждения имеют газообразные соединения, обладающие большей реакционной способностью. Сухое осаждение осуществляется главным образом вследствие того, что в непосредственной близости к поверхности находится тонкий слой воздуха толщиной от 10 до 100 мкм. Так как этот слой практически неподвижен, проникающие в него частицы или газы вследствие броуновского движения входят в непосредственный контакт и взаимодействие с частицами почвы или растительностью. Вследствие такого взаимодействия (химические реакции, физическая или химическая сорбция) загрязняющие вещества выводятся из указанного тонкого пограничного слоя воздуха. Влияние пограничного фиксированного слоя может быть и несущественным при протекании интенсивного турбулентного обмена в более высоких слоях воздуха, способствующего увеличению поступления газов или аэрозолей в фиксированный слой, в котором в дальнейшем происходит их убыль одним из указанных выше способов.

Таким образом, наблюдается направленный поток загрязняющих веществ из атмосферы в фиксированный слой воздуха, а затем непосредственно на подстилающую поверхность. Совокупность этих последовательных стадий является процессом сухого осаждения загрязняющих веществ [20].

Для лучшего понимания процесса сухого осаждения нижний слой атмосферы можно условно разделить на три зоны. Область атмосферы, в которой вертикальное перемещение составляющих атмосферы к поверхности осуществляется за счет турбулентного перемешивания масс воздуха, называется зоной аэродинамической турбулентности. Турбулентное перемешивание масс воздуха обусловливает относительное постоянство концентрации загрязняющих веществ в этом слое атмосферы [16].

Ниже аэродинамической зоны турбулентности находится ламинарный пограничный слой, через который примеси атмосферы перемещаются прежде всего за счет молекулярной или броуновской диффузии непосредственно к физической границе подстилающей поверхности [26]. На границе раздела подстилающей поверхности и воздуха происходит выведение примесей из атмосферы за счет взаимодействия с поверхностью [12].

Если рассматривать тяжёлую примесь - частицы аэрозоля, имеющие заметную скорость падения V, то нужно учесть, что стоксова сила сопротивления воздуха падающей шарообразной частицы равна:

 (2)

- коэффициент вязкости воздуха, равный 1.717(1+0.00288t)´10^-5 кг/м·с и не зависит от давления. При установившемся движении F уравновешивается весом частиц:

 (3)

где

- плотность вещества;

- плотность воздуха.

тогда V₀:

При плотности d = 10 кг/м³, с₀ =1.268·10⁸м^./с и V₀ почти не зависит от высоты в атмосфере. При иной d, с₀ пропорционально d-r_В.

Для крупных частиц F возрастает в отношении (1+3Re/16), V₀ будет меньше.

Для лёгкой сохраняющейся примеси (w = a = 0) при u = u₁zⁿ_, K_z = K₁z с учётом (4.1) <#"517224.files/image067.gif"> (5)

Характерной особенностью распределения наземной концентрации q по оси Х (т. е. при у = 0) является наличие максимума её q_m на расстоянии x_m от источника. Величины q_m и x_m находятся из условия Из (4.3) следует, что

 (6)

 (7)

Из (5)-(7)следует, что

 (8)

При наличии растительности выведение веществ из пограничного слоя осуществляется не только на поверхности почвы, но и в устьицах растений. Растворимые газы, такие, как двуокись серы, обладают существенно различными характеристиками осаждения, по сравнению с газами, которые менее растворимы (например, окись углерода). Наблюдаемое различие обусловлено тем, что разрушение загрязняющих веществ на подстилающей поверхности или поверхности растений во многом определяется эффективностью растворения загрязнения [19]. На влажной поверхности, например на влажной листве, водной поверхности, скорость сухого осаждения растворимых соединений выше, чем на песчаных или сухих почвах [12].

1.9 Количественная оценка выбросов вредных веществ автомобильным транспортом

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна при эксплуатации автотранспорта являются двигатели внутреннего сгорания, которые выбрасывают в атмосферу отработавшие газы и топливные испарения. В отработавших газах обнаружено около 280 компонентов продуктов полного и неполного сгорания нефтяных топлив, а также неорганические соединения тех или иных веществ, присутствующих в топливе. В городах свыше 50% всех загрязняющих веществ приходится на долю автотранспорта. Общее число веществ, выбрасываемых в атмосферу этими источниками, исчисляется несколькими сотнями [13]. Все примеси подразделяются на газообразные (окись углерода, двуокись серы или сернистый газ, окислы азота  и др.), жидкие (сернистая кислота, бензол, ртуть и др.) и твёрдые (пыль, сажа, углеводороды, свинец и др.) [2]. К загрязняющим факторам относятся также электромагнитные излучения и шумы.

Поскольку все загрязняющие атмосферу вещества (ингредиентное загрязнение) вредно действуют на человека, а также на растительный мир, то для большинства таких веществ установлены предельно допустимые концентрации (ПДК).[9]

Концентрация примесей в атмосфере и на земной поверхности зависит от метеорологических условий. Совокупность метеорологических факторов, оказывающих влияние на концентрацию примесей, распределение её по высоте и горизонтали, а также изменение во времени, принято называть потенциалом загрязнения атмосферы (ПЗА).

К числу основных загрязнителей атмосферы относятся взвешенные частицы, СО, СО₂, NO_х, соединения серы, углеводороды, свинец, ртуть, кадмий, хлорированные органические соединения, аммиак, фреоны, радиоактивные вещества. Особое место среди газовых примесей занимает углекислый газ, содержание которого увеличивается на 0,2% в год.[1]

Изменения в атмосфере связаны с естественными и техногенными факторами нарушения газового равновесия в ней (СО₂, О₃ и др.); явлением сухости климата на суше; загрязнением и химическими изменениями, влияющими на энергетические процессы перемещения воздушных масс, на закономерности формирования погоды и климата. Под влиянием транспортных загрязнений изменения в окружающей среде могут происходить как в обще планетарном, так и в региональном (локальном) масштабах [3].

Движение автотранспортных средств в составе плотных транспортных потоков отличается от движения одиночного автомобиля. Связанное с этим изменение условий движения (скоростей, ускорений) влечет изменение нагрузочно-скоростных режимов работы двигателей, значений выбросов вредных веществ, шума, расходов топлива транспортного средства.

На выбросы оксида углерода значительное влияние оказывает рельеф дороги и режим движения автомашины. При ускорении и торможении в отработавших газах увеличивается содержание оксида углерода почти в 8 раз.

Рис. 1. Зависимость выброса окиси углерода в атмосферу от скорости движения легкового автомобили

Переобогащение горючей смеси на режиме разгона ведет к увеличению выброса несгоревшего топлива, продуктов его неполного сгорания и окислов азота. Особенно переобогащается горючая смесь на режиме принудительного холостого хода, т. е. при торможении двигателем. В этом случае количество окиси углерода в выхлопных газах может достигать 12%.

На рис. 1 показана зависимость выброса окиси углерода легковым автомобилем от скорости его движения. Наименьшее выделение этого газа наблюдается при скорости движения 70 км/ч.

Для двигателя ЗИЛ-130 минимум выброса окиси углерода (1,5 кг/ч) приходится на скорость 50-53 км/ч. Увеличение скорости до 70 км/ч или уменьшение его до 30 км/ч ведет к увеличению выброса приблизительно в 2 раза (И. Л. Варшавский, Р. В. Малов, 1968). Город Кисловодск находится в котловине, окруженной горными хребтами, входящими в систему Большого Кавказа: кряжи пастбищного и Скалистого хребтов кустовой зоны Северного Кавказа. С востока Кисловодская долина ограничена Джинальским, с севера и северо-запада - Боргустанским. Юга - Кабардинским хребтами с абсолютными высотами 1200-1370 м. Вследствие этого он имеет очень сложный рельеф со спусками и подъемами, поэтому в городе средняя скорость движения 40 км/ч. А это означает, количество выбросов при такой скорости в городе в 2 раза больше, чем при скорости 50-53 км/ч, где минимум выбросов СО₂ составляет 1,5 кг/ч.

Кроме непосредственно попадающих в атмосферу загрязнителей в них могут превращаться (в ходе фотохимических реакций) и вполне безобидные вещества, содержащиеся в выхлопных газах. Например, оксид азота [6]. Соединения азота, поступающие в атмосферу от объектов АТК, представлены в основном NO и NO₂

Под действием света дает атомарный кислород

₂ + ђu = NO· + [O]

который вступает в реакцию с атмосферным кислородом, в результате чего образуется озон

[O] + O₂ = O₃

Выделяемый в атмосферу моноксид азота под воздействием солнечного света интенсивно окисляется атмосферным кислородом до диоксида азота. Кинетика дальнейших превращений диоксида азота определяется его способностью поглощать ультрафиолетовые лучи и диссоциировать на моноксид азота и атомарный кислород в процессах фотохимического смога.

Фотохимический смог - это комплексная смесь, образующаяся при воздействии солнечного света из двух основных компонентов выбросов автомобильных двигателей - NO и углеводородных соединений.

Сажа продукт частичного сгорания органического топлива. Сорбированные на ее поверхности углеводороды обладают канцерогенным действием. Из полиядерных ароматических углеводородов особенно опасен бензпирен сильное канцерогенное соединение. Он чрезвычайно стабилен и всегда присутствует в их смеси. При сжигании литра бензина образуется от 50 до 81 мкг бензпирена, а литра дизельного топлива от 2 до 170 мкг [25]. И все это поступает в атмосферу города с выхлопными газами.

Диоксид серы (SO2) тоже попадает в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. В свободной атмосфере сернистый газ (SО₂) через некоторое время окисляется до сернистого ангидрида (SОз) или вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности углеводородами. Окисление сернистого ангидрида в серный происходит в свободной атмосфере при фотохимических и каталитических реакциях [6]. В обоих случаях конечным продуктом является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде. B сухом воздухе окисление сернистого газа происходит крайне медленно. В темноте окисления SO₂ не наблюдается. При наличии в воздухе оксидов азота скорость окисления сернистого ангидрида увеличивается независимо от влажности воздуха.

Пыль - аэрозоль с твердыми частицами дисперсной фазы размером преимущественно 10-4 - 10-1 мм. В большом количестве пыль образуется при перегрузке и перевозке пылящих грузов (цемента, угля, песка, щебня и др.), выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту подвижного состава (уборочно-моечных, шлифовальных, термических, кузнечных, сварочных, шиномонтажных, обойных, опилочных и др.).

Производственная пыль по своему происхождению бывает двух видов - органическая и неорганическая. К органической относят пыль растительную (древесную, зерновую, мучную, хлопковую), животную (шерстяную, волосяную) и искусственную органическую (резиновую, пластмассовую). Неорганическая пыль бывает минеральная (песок, асбест, стекловата) и металлическая (чугунная, медная, алюминиевая) [12]. Чем мельче частицы пыли, тем дольше они находятся в воздухе в виде аэрозоля и тем легче в процессе дыхания попадают в организм человека. В частности пыль считается легкой примесью.

1.10 Уточненная постановка задачи исследования

Как отмечено выше, свыше 50% всех загрязняющих веществ приходится на долю автотранспорта. В их состав входят окись углерода СО (угарный газ), углеводороды С_хН_у, окись азота NO_x, твердые частицы, углекислый газ CО₂, а количество выбросов может быть определено из известных эмпирических соотношений.

Концентрация и распространение загрязняющих веществ зависит от природно-климатических факторов, связанных с циркуляцией атмосферы, атмосферным давлением, влажностью воздуха, температурным режимом, рельефом местности и почвенно-растительными условиями.

Поскольку комплексное количественное исследование влияния перечисленных факторов представляет чрезвычайно сложную задачу, на первом этапе предполагается конкретизация гауссовой модели для линейного непрерывного источника загрязнения (автотрассы). и выполнить расчет распространения примеси

Следующий этап - провести анализ динамики концентраций выбрасываемых автотранспортом вредных веществ (Пыль,NO, NO₂,SO₂,Сажа) в г. Кисловодск за период с 2002 по 2006 годы. При этом для более строгого учета влияния на загрязненность метеорологических параметров планируется выполнить более подробный анализ содержания вредных веществ за 2006 год в январе, апреле, июле, октябре.

Глава II. Исследование динамики загрязнений в г. Кисловодск

.1 Эколого-ландшафтное описание г. Кисловодск

Кисловодск - один из курортных городов Кавказских Минеральных Вод. Поскольку город Кисловодск находится вдали от промышленных районов, основным источником загрязнения здесь воздушного бассейна является автотранспорт. Высокая степень износа существующего парка машин, резкое увеличении количества подержанных легковых автомобилей иностранных марок, находящихся в личном пользовании, их плохое техническое состояние, устаревшие конструкции автотранспортных средств, не отвечающие современным мировым стандартам, низкое качество бензина и дизельного топлива привело к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу автотранспортными средствами. Около 90% от всего загрязнения атмосферы приходится на автотранспорт, количество которого увеличилось в последние годы в десятки раз, следовательно, растет содержание в атмосферном воздухе вредных веществ. Это усугубляет экологическое положение города - курорта Кисловодск.

Рельеф местности и характер деятельной поверхности оказывают большое влияние на формирование климата: теплообмен между воздухом и поверхностью земли, облакообразование, ветровой режим и прочее. Кисловодск находится в районе Кавказских Минеральных Вод на 45-54⁰ с.ш. и 42-43 в.д. в котловине, окруженной горными хребтами, входящими в систему Большого Кавказа: кряжи пастбищного и Скалистого хребтов куэстовой зоны Северного Кавказа. С востока Кисловодская долина ограничена Джинальским, с севера и северо-запада - Боргустанским. Юга - Кабардинским хребтами с абсолютными высотами 1200-1370 м. Высота Кисловодска над уровнем моря 860-950м. Превышение хребтов над котловиной составляет 340-420м. Рельеф местности в радиусе 50-70км к северу в основном низкогорный, осложненный останцами гор-лакколитов, к югу и юго-западу располагается среднегорное расчлененное плато Бермамыт, вершины Скалистого хребта находятся в высокогорной зоне. Далее к югу- юрская депрессия с современным оледенением.

Климат Кисловодска типичен для континентальных низкогорных районов с пониженным атмосферным давлением, что имеет громадное значение для лечения больных сердечнососудистыми и легочными заболеваниями.

Солнечная радиация. Очень важно для климатического лечения то, что в Кисловодске, в течение всего года, высокая солнечная радиация (прямая и рассеянная). В среднем 5,8 часа в день над Кисловодском сияет солнце, а за год 2106 часов солнечного сияния.

Среднегодовое давление воздуха в Кисловодске приблизительно на 70 мм ниже, чем на уровне моря, и составляет 690,7 мм. Объясняется это расположением курорта на высоте 817-1 062 метров над уровнем моря.

Близость Главного Кавказского хребта с Эльбрусом во главе создает большое движение воздуха в верхних слоях, и в то же время гряда Джинальских и Боргустанских гор, подступивших непосредственно к курорту, защищает его от восточных и северо-восточных ветров, движущихся в нижних слоях атмосферы, значительно их ослабляет и превращает в приятный фен.

Ветровой сдвиг, или изменение направления ветра с высотой, становится важным фактором при дальнем переносе загрязняющих веществ, так как он обусловливает «разбавление» воздушной массы, в которой содержатся загрязняющие примеси. Поскольку верхние и нижние слои воздушных масс, содержащих загрязнение, перемещаются в различных направлениях с разной скоростью, наличие ветрового сдвига способствует значительному рассеиванию загрязняющих компонентов атмосферы за время их переноса.

Для холмистой местности характерны горно-долинные ветры. Характер этих ветров: днем они дуют вверх по долинам и склонам - долинные ветры, ночью - в обратном направлении - горные ветры. Суточная периодичность наиболее выражена в сезоны с ослабленной общей циркуляцией, т. е. осенью и летом. Зимой и весной в связи с усилением градиентных ветров местная циркуляция проявляется гораздо слабее. Ночной горный ветер северных склонов вследствие меридиональной ориентировки долин имеет южное или юго-западное направление, долинный ветер северо-восточное и восточное. Роза ветров Кисловодска показывает хорошо выраженную суточную периодичность направления ветра в течение всего года. В соответствие с положением розы ветров вытянуты по оси долины, а долинные имеют составляющие, параллельные основному направлению Черных гор и вообще имеют округлую форму гор, показывая тем самым почти одинаковую вероятность долинных ветров всех румбов северной половины горизонта. Таким образом, в пункте выражена циркуляция между равниной и долиной.

В долинах котловинного типа в дневные часы на одном склоне, нагретом солнцем, происходит подъем теплого воздуха, над противоположным, затененным, склоном могут развиться компенсационные токи. Поэтому ветер в котловинах нередко меняется в течение дня по часовой стрелке от восточного направления утром через южный на западный. Горный ветер в 50% не прослеживается выше 300 м, долинные проявляются и в слое выше 800 м.

При общем зональном движении воздуха в тропосфере с запада на восток, вследствие развитой в ней вихревой циркуляции, ветры в нижних слоях могут быть любых направлений. В течение всего года над регионом преобладает широтная циркуляция. Средняя по территории повторяемость восточных ветров составляет 31.2, западных - 16.8, северных - 4.5, южных - 4.0 %. Таким образом, повторяемость широтное направленных ветров почти в шесть раз выше повторяемости ветров, ориентированных меридиональное.

Особенно хорошо выражена широтная циркуляция в холодное полугодие. Осенью преобладают ветры восточных румбов. В зоне наиболее выраженного восточного потока повторяемость этих ветров достигает 60 - 70 %. Для Ставропольского плато характерны ярко выраженные восточные ветры: их годовая повторяемость (48 %) в 1.2 раза превышает повторяемость ветров западных румбов. Далее к югу, в широтно-ориентированных долинах предгорий, повторяемость ветров восточной составляющей превышает 50 %. В меридионально-ориентированных горных долинах и на предгорных равнинах преобладают ветры с южной составляющей и сравнительно небольшой скоростью. В Кисловодске зимой наиболее часто дуют южные ветры, являющиеся для него фоновыми, на них приходится треть от числа дней с ветром за зиму. Восточные и западные ветры имеют одинаковую повторяемость - по 26%.

Зимой, когда циркуляционные процессы выражены наиболее ярко (отрог азиатского барического максимума и черноморская депрессия), преобладают восточные ветры и возрастают барические градиенты, которые, в свою очередь, являются причиной увеличения скорости ветра.

Характер этих ветров: днем они дуют вверх по долинам и склонам - долинные.

2.2 Конкретизация гауссовой модели для линейного непрерывного источника загрязнения (автотрассы)

По наблюдениям, сделанным в городе Кисловодск, основными видами транспорта являются легковые машины, автобусы, газели, грузовые машины.

Введем в рассматриваемую модель обозначения мощностей каждого из видов транспорта, что позволит рассмотреть при расчетах мощность каждой из автотранспортных единиц и как зависит от этого концентрация примесей в атмосфере воздуха на различных расстояниях от автотрассы.

Пусть автомобиль движется по автотрассе в городском режиме (). Он проходит путь S. В течение часа (t_K=1час) через определенный отрезок трассы (S) проехало N автомобилей, из них N₁ - легковых, N₂ - «Газелей», N₃ - автобусов, N₄ - грузовых машин. Предполагается, что легковые машины и «Газель» работают на бензине, автобусы и грузовые машины - на дизельном топливе.

Источник загрязнения считать непрерывным. Предполагаем, что источник начал свою работу в момент времени t=0, время действия источника t_К. Высота источника .

Прежде чем определить мощность источника, необходимо знать массу топлива одного автомобиля при прохождении 1 км трассы (кг/1 км):

 (1)

Где - плотность топлива ();

 - объем расходуемого топлива при прохождении 100 км.()

Зная объем расходуемого топлива () каждой из единиц автотранспорта, можно найти массу топлива каждого вида автомобиля при прохождении 1 км трассы (кг/1 км):

Введем 2 постоянные величины  и  соответственно для бензина и дизельного топлива. Эта величина показывает, сколько содержится вредных примесей в 1 кг топлива (кг/в 1 кг топлива). Для бензина: =0.0005 кг/в 1 кг; для дизельного топлива: =0,000052 кг/в 1 кг.

Тогда мощность одного автомобиля определяется как

 (2)

в случае, когда автомобиль работает на бензине;

 (3)

в случае, когда автомобиль работает на дизельном топливе.

Следовательно, производительность источника определяется:

 (4)

 (5)

Далее, зная мощность можно рассчитать изменение концентрации примеси в атмосфере используя выражения (2.1-2.2),(2.5), а также для нахождения в момент времени t среднеквадратичных отклонений частиц примеси  соответственно вдоль координатных осей OX, OY, OZ используя формулы (2.10-2.14).

Величины- предполагаются заранее заданными. Остальные величины ,, , , , - рассчитываются в ходе численного эксперимента при определении q(t,x,y,z).

Участок пространства, в котором рассматривается изменение концентрации, имеет форму прямоугольного параллелепипеда с длинами ребер 30 км, 30 км, 1 км вдоль осей ОХ, ОУ, OZ соответственно. Диффузия примеси происходит вдоль осей OX и OY.

Рассматриваем модель Гаусса для линейного источника загрязнения. ((5) пн. 1.5), используя ((13)-(14) пн. 1.6)

Накладываем граничное условие:

Где а=0 и b=100. Рассмотрим как меняется мощность с расстоянием от 0 до до 100м от источника.

Расход топлива предполагается: для легковых автомобилей - , для «Газелей» - , для автобусов и грузовых машин - .

км трассы в течение часа - 1 час пересекло автомобилей = 3756 из них: N₁=3105 - легковые, N₂=572 - «Газель», N₃=53 - автобусы, N₄=26 - грузовые. Используя формулу (1, пн. 2.2)

, ,

Используя формулы ((2)-(5) пн. 2.2) найдем мощность выбросов в час автомобилей, «Газелей», автобусов, грузовых машин.

, ,

.

Общая производительность источника: .

Рассмотрим как меняется концентрация примеси с расстоянием, скоростью и направлением ветра

Рисунок 1.Изменение значения концентрации с течением времени и расстоянием.

Рисунок 2.

На рисунках приведены зависимости значения концентрации примеси от расстояния до источника, скорости ветра, времени.

Нетрудно увидеть, что концентрация близка к нулю в первоначальный момент времени. Это связано с тем, что в этой части пространства загрязняющие вещества еще не достигли поверхности почвы, в то время как с увеличением расстояния от источника уровень загрязнения достигает максимального значения, а затем постепенно уменьшается при дальнейшем увеличении расстояния. Максимальная концентрация загрязнения достигается на расстоянии от источника равного 10 м.

Расстояние, на котором регистрируется максимальная концентрация загрязнения в приземном воздухе, зависит и от условий турбулентного обмена в атмосфере. На размывание (рассеяние) выброса загрязнения воздействует турбулентность воздуха.

Скорость ветра в значительной мере влияет на значения стандартных отклонений . Скорость ветра связана со структурой турбулентности в атмосферном воздухе и определяет количество воздуха, которое разбавляет загрязняющие вещества в выбросе при действии процессов турбулентного обмена.

Из графиков видно, что накоплению вредных примесей в приземном слое атмосферы способствует слабый (V= 0-3 м/с) ветер. С увеличением скорости до 10 м/с концентрация примеси значительно уменьшается.

2.4 Анализ динамики загрязнения воздушной среды в городе Кисловодске за период с 2002 по 2006 годы

Как уже отмечалось, главным источником загрязнения в этом районе является транспорт. По этой причине основное внимание уделено исследованию концентрации веществ, выделяемых транспортными средствами. В частности, рассмотрены пыль, окислы азота, двуокись серы, сажи.

По результатам измерений осуществлен сравнительный анализ среднесуточных концентраций (q_ср) этих веществ. В частности, построены динамики:

.        Изменение количества каждого из ингредиентов за 2005-2006 годы.

.        Сравнительный анализ среднегодовых и максимальных концентраций вредных веществ за 2002-2006 годы.

.        Установили зависимость содержания каждого из ингредиентов атмосферных примесей от метеорологических параметров.(на примере 2006 года).

.        Проведены исследования в статистическом плане, относящиеся к изучению корреляционной зависимости между концентрацией примеси и отдельными факторами без учета влияния других факторов (на примере 2006 года))    Изменение количества каждого из ингредиентов в течение 5 лет.

Рисунок 3.

Рисунок 4

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Рисунок 8.

Количество пыль, сажи, растворимых сульфатов(измерения показали, что в снеге при одной и той же интенсивности осадков содержится сульфатов и нитратов в несколько раз больше, чем в дождевой воде.), сернистого газа начало увеличиваются с 2004 года. Количество оксида/диоксида азота уменьшается(летом, увел. количества дождей, вымывание примесей) Наибольшее содержание примесей составляют пыли и окислы азота. Пыль имеет тенденцию увеличения ее содержания в воздухе: в 2002 году количество ее составило 38,5 мг/м³ , в 2006 г - 41,3 мг/м. Также со временем увеличивается содержание сернистого газа (SO₂), растворимых сульфатов, сажи. Содержание пыли не превышает ПДК (0,15) она составляет 0,1 мг/м³, сероводород 0,003мг/м³ (ПДК - 0,008 мг/м³).

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Рисунок 11.

Рисунок 12.

Рисунок 13.

Рисунок 14.

Проанализировав, увидим, что средняя концентрация в течение 5 лет не меняется. Средняя и за год концентрация примесей не превышала ПДК. Но максимальные уровни загрязнения весьма отличаются от средних показателей у сернистого газа (SO₂), окислов азота (NO и NO₂). Сравнивая содержание веществ в течение года замечено: в зимние периоды наблюдается более низкое содержание вредных веществ в атмосфере, по сравнению с летними месяцами, когда в данный период увеличивается интенсивность движения на дачные участки. Сажа: в 70% случаев q_мес превышала q_сред в 1,5 раза. Это связано с тем, что в зимний период содержание сажи выше, чем в летний период. Измерения показали, что в снеге при одной и той же интенсивности осадков содержится сульфатов и нитратов в несколько раз больше, чем в дождевой воде.

В летние месяцы значения концентраций загрязняющих веществ отличались от соответствующих зимних значений. В летнее время 1999г концентрация двуокиси азота было постоянным, а в конце этого же периода наблюдалось незначительное уменьшение содержания NO₂ в атмосферном воздухе.

Накоплению вредных примесей в приземном слое атмосферы способствует слабый (V= 0-3 м/с) ветер, инверсия температуры, туман. Уменьшение концентрации вредных примесей происходит при выпадении осадков. Сильный ветер также уменьшает концентрацию вредных примесей, но только в случае, когда его направление таково, что все выбросы уносятся за городскую черту.

В затишье выпадение усиливается и происходит ближе к источнику, чем при нормальной стратификации ветра.

Для объяснения описанной динамики целесообразно рассмотреть зависимость содержания количества примесей в январе, апреле, июле и октябре.

с) Январь (2006 год)

) Зависимость содержания SO₂ (мг/м³) в воздухе от влажности воздуха (%) и количества осадков (мм):

Рисунок 15.

) Зависимость содержания NO₂ (мг/м³) в воздухе от влажности воздуха (%) количества осадков (мм), скорости ветра (м/с), атмосферного давления (Па)

Рисунок 16.

Рисунок 17.

Рисунок 18.

) Зависимость содержания NO (мг/м³) в воздухе от влажности воздуха (%), количества осадков (мм), скорости ветра (м/с):

4) Зависимость содержания растворимых сульфатов (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм):

Рисунок 20.

) Зависимость содержания сажи (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм):

Рисунок 21.

Апрель.

) Зависимость содержания пыли (мг/м³) в воздухе от влажности воздуха (%), количества осадков(мм), скорости ветра:

Рисунок 22

Рисунок 23.

4) Зависимость содержания NO (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм), скорости ветра (м/с):

Рисунок 24.

) Зависимость содержания сажи (мг/м³) в воздухе от влажности воздуха (%), скорости ветра (м/с):

Рисунок 25.

Июль.

) Зависимость содержания пыли (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм), температуры воздуха (С⁰):

Рисунок 26.

2) Зависимость содержания SO₂ (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм):

Рисунок 27.

) Зависимость содержания NO₂ (мг/м³) в воздухе от температуры воздуха (С⁰), атмосферного давления (Па):

Рисунок 28.

Рисунок 29.

) Зависимость содержания NO (мг/м³) в воздухе от температуры воздуха (С⁰), атмосферного давления (Па):

Рисунок 30.

Рисунок 31.

Рисунок 32.

) Зависимость содержания сажи (мг/м³) в воздухе от, атмосферного давления (Па):

Рисунок 33.

Октябрь.

) Зависимость содержания пыли (мг/м³) в воздухе от температуры (С⁰) и влажности воздуха (%):

Рисунок 34.

2) Зависимость содержания SO₂ (мг/м³) в воздухе от температуры (С⁰) и влажности воздуха (%):

Рисунок 35.

) Зависимость содержания растворимых сульфатов (мг/м³) в воздухе от количества осадков (мм):

Рисунок 36

.

4) Зависимость содержания сажи (мг/м³) духе от температуры воздуха (С⁰):

Рисунок 37.

Проанализируем полученные результаты. Легко видеть, что существенное значение на распространение загрязняющих веществ оказывает температура окружающей среды. В то же время, имеет место и фактор увеличения источников загрязнения в летний период. Увеличение NO₂, NO наблюдается также в апреле. В зависимости концентрации SO₂ , пыли и ряда других ингредиентов наблюдается заметное падение содержания в мае и августе.

Уменьшение количества вредных примесей происходит при выпадении осадков. Сильный ветер также уменьшает концентрацию вредных примесей, но только в случае, когда его направление таково, что все выбросы уносятся за городскую черту.

Если сравнивать зимние и летние периоды, сразу можно сказать, что летом концентрации загрязняющих веществ превышают соответствующие зимние значения. Даже если летом содержание какого-либо из веществ понижается, его концентрация выше соответствующего зимнего коэффициента.

Отмеченный эффект может объясняться зависимостью концентрации загрязняющих веществ от температуры или более интенсивными транспортными потоками в летнее время.

d) Исследования в статистическом плане, относящиеся к изучению корреляционной зависимости между концентрацией примеси и отдельными факторами без учета влияния других факторов (на примере 2006 года), показали, что величина загрязнений находится в умеренной (0,3-0,5) корреляционной зависимости с количеством выпавших осадков, со скоростью ветра, влажностью воздуха; слабой (0,1-0,2) - с атмосферным давлением, температурой воздуха.

Заключение

В ходе дипломного исследования проанализированы известные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере, обосновано использование гауссовой модели для линейного источника непрерывного действия, которая была конкретизирована и численно исследована. Результаты численного моделирования частично подтверждены данными наблюдений.

Основными выводами дипломной работы являются:

. Основным источником загрязнений в г. Кисловодск является автомобильный транспорт.

. Для описания динамики загрязнений может быть использована гауссова модель с линейным источником непрерывного действия.

. При отсутствии растительного покрова загрязняющие вещества распространяются на расстояние до 30 м.

. Величина загрязнений находится в умеренной (0,3-0,5) корреляционной зависимости с количеством выпавших осадков, со скоростью ветра, влажностью воздуха; слабой (0,1-0,2) - с атмосферным давлением, температурой воздуха.

. Концентрация загрязняющих веществ предельно-допустимых значений не превышает.

Дальнейшее исследование предполагает более точно рассмотреть как меняется с высотой в скорость ветра, а соответственно и коэффициент турбулентности, в наветренных и подветренных склонах холмов. Осуществить расчет концентрации холмистой местности, контуры которой описывались бы функцией, применительно к городу Кисловодск.

Используемая литература

1. Арсенин В.Я. Математическая физика. Основные уравнения и специальные функции. - М.: Наука, 1966. 368 с.

3. Базаров И.П., Геворкян Э.В., Николаев П.Н. Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем. - М.: Изд-во МГУ, 1986. 309с.

4. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения). - М.: Наука, 1973. 632 с.

5. Берлянд М.Е. Предсказание и регулирование теплового режима приземного слоя атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 436 с.

6. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 272 с.

7.   Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

8.   Бицадзе А.В. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1976. 296с.

9.   Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 191 с.

10. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.И. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 280 с.

11. Гил А. Динамика атмосферы : В 2 т./Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. 415 с.

12. Жермен П. Механика сплошных сред. - М.: Мир, 1965. 479 с.

13. Ионисян А.С. О целесообразности использования метода Зейделя при численном решении уравнения диффузии примеси в атмосфере//Проблемы физико-математических наук: Материалы48-й научно-методической конференции преподавателей и студентов "Университетская наука - региону". - Ставрополь: Изд-во СГУ, 2003. С.76-78.

14. Ионисян А. С. Математическое моделирование процесса распространения активной примеси в свободной и облачной атмосфере .- Ставрополь: 2003. 190 с.

15. Каплан Л.Г. Локальные процессы в сплошной жидкой среде и атмосфере - Ставрополь: АСОК, 1993. 246 с.

16. Колмогоров А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости. Изв. АН СССР, сер.физ., 6, №1-2, 1942. С.56-58.

17. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 751 с.

18. Монин А.С. Теоретические основы геофизической гидродинамики. -Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 424 с.

19. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. - М.: Наука, 1977. 416 с.

20. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. - М.: Наука, 1989. 432с.

21. Семенчин Е.А. Аналитические решения краевых задач в математической модели атмосферной диффузии. - Ставрополь: Изд-во СКИ-УУ, 1993. 141с.

22. Семенчин Е.А., Ионисян А.С. Об оптимизации мощности мгновенного точечного источника примеси, действующего в экологически значимой зоне//Совершенствование методов управления социально-экономическими процессами и их правовое регулирование. - Ставрополь: Изд-во СИУ, 2000. С.73-75.

23. Яглом A.M. Диффузия примеси от мгновенного точечного источника в турбулентном пограничном слое//Турбулентные течения. - М.: Наука, 1974. С.62-64.