О ЗАДАЧАХ ДИФФУЗИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ

Янов Александр Юрьевич

канд. биол. наук, филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) в г. Озерске, г. Озерск Челябинской области

E-mail: Al-end@yandex.ru

ON THE PROBLEM OF DIFFUSION OF ATMOSPHERIC POLLUTANTS

Yanov Alexander Yurievich

candidate of biological Sciences, Branch of Federal State State-Financed Educational Institution of Higher Professional Education «South Ural State University» (national research university) in Ozersk,

Ozersk of Chelyabinsky region

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются экспериментальные и аналитические подходы к исследованию распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Сформулированы недостатки, присущие указанным подходам.

ABSTRACT

The article deals with the experimental and analytical approaches to the study of the spread of pollutants in the surface layer of the atmosphere. Stated drawbacks of the specified approach.

Ключевые слова: моделирование; диффузия; атмосфера; загрязняющие вещества.

Keywords: modeling; diffusion; the atmosphere; pollutants.

Выбросы загрязняющих веществ через трубы производственных предприятий оказывают вредное воздействие на окружающую среду и, в том числе, на человека — прямо или опосредованно [11].

На загрязнение воздушных бассейнов городов влияют как природные особенности, связанные с потенциалом загрязнения атмосферы и определяющими его климатическими факторами, так и особенности реализации потенциала загрязнения — наличие, мощность и характер источников загрязнения атмосферы, особенности их расположения. Рельеф может, как усиливать, так и ослаблять действие климатических и техногенных факторов. Причины неблагополучия у каждого города в той или иной степени специфичны, однако в меру их сходства города с точки зрения характера источников загрязнения могут быть подразделены на несколько групп [11].

Основными источниками загрязнения, как правило, являются промышленные предприятия. Для многих регионов характерна высокая территориальная концентрация промышленных предприятий, образующих промзоны вблизи городов и поселков-спутников. В некоторых случаях загрязняющие вещества долгое время находятся в окружающей экосистеме и продолжают наносить вред спустя десятилетия. Наиболее известны с этой точки зрения авария на Чернобыльской АЭС и Восточно-Уральский радиоактивный след.

Вследствие этого важно знать зависимость между количеством выбросов вредных примесей в единицу времени и их содержанием в воздухе на различных высотах и различных расстояниях для адекватного прогнозирования ситуации и принятия оптимального решения.

Задачи о распространении примесей в атмосфере при длительном выбросе из производственных труб рассмотрены во многих работах [2—6, 10]. При решении этих задач использовались как аналитические, так и эмпирические методы исследования.

Большой практический интерес с точки зрения защиты от вредного влияния загрязняющих веществ и прогнозирования места и времени их наибольшего сосредоточения представляют исследования аварийных кратковременных выбросов из труб (например, при разрушении фильтрующих установок) и при взрывах, управляемых и неуправляемых. Работы, посвященные анализу аварий и взрывов, носят в основном, экспериментальный характер [1, 7].

При построении моделей атмосферной диффузии используют различные подходы; одна из первых методик была предложена Фиком [3, 9] и базировалась на предположении об идентичности законов диффузии и теплопроводности. Математическая формулировка закона Фика в одномерном случае имеет вид классического уравнения диффузии:

,

где:  — коэффициент турбулентной диффузии;

 — среднее значение концентрации вещества.

Решение этого уравнения диффузии имеет вид нормальной, или гауссовой, функции распределения. Гауссовы диффузионные модели достаточно хорошо описывают наблюдаемые концентрации частиц и их чаще всего используют на практике [2, 4].

Кроме того, при изучении атмосферной диффузии используют статический подход [1, 3]. Вместо исследования потока вещества или количества движения в фиксированной точке пространства в этом случае изучают историю движения индивидуальных частиц определяют статические свойства, необходимые для описания диффузии.

При турбулентном движении в атмосфере, в отличие от броуновского движения, наблюдается сильная автокоррелированность [9]. Простейший некоррелированный диффузионный процесс, описываемый формулой:

,

в пределе при большом  соответствует фиковской диффузии.

Для многих случаев в литературе как результат обобщения экспериментальных данных [1, 2, 4] приводятся полуэмпирические соотношения, позволяющие рассчитать концентрацию примеси в приповерхностном слое атмосферы.

Методам решения уравнений Фика присущи системные недостатки: невозможность расчета концентрационных полей в непосредственной близости от источника выбросов, отсутствие аналитических решений в конечном виде и сложность учета поглощения примеси поверхностью земли. В ряде случаев не учитывается нестационарность процессов.

Таким образом, эмпирические и статистические модели массопереноса в атмосфере, приводимые в литературе, часто носят полуэмпирический характер и представлены в виде рекомендаций к расчетам. Эти методики содержат много коэффициентов, описывающих большое количество факторов, воздействующих на миграцию, и вследствие этого сложны в применении. Статистические методы, как и полуэмпирические зависимости, не дают возможности получения решения для любой точки пространства и, как правило, имеют ограниченную по параметрам область применения.

Если обратиться к аналитическим способам расчета концентрационных полей, то прямое решение уравнения диффузии приводит к сложным итоговым выражениям [5—9], не адаптированным для прямого инженерного применения. С другой стороны, применение аналитического подхода делает модели более гибкой к параметрам и обеспечивает значительную универсальность.

Уравнение диффузии в этом случае представляется в виде [8]:

.

Источник примеси заменяется на распределенный в пространстве внутренний источник:

.

Следует отметить, что используемый метод внутренних источников позволяет минимизировать количество искусственных эмпирических параметров, но требует специальных знаний в области моделирования массообменных процессов.

Список литературы:

1.Бакуров А.С. Динамика радиационной обстановки на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа / А.С. Бакуров и др. // Вопросы радиационной безопасности. — 1997. — № 4. — С. 68—74.

2.Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС / Э.С. Волков. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

3.Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы / Н.Л. Вызова. — М.: Гидрометеоиздат, 1974.

4.Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. — Л.: Гидрометиздат, 1987.

5.Пашацкий Н.В. Инженерная экология: распространение ЗВ (аварийный выброс из трубы, взрывы) / Н.В. Пашацкий, А.В. Прохоров, В.В. Мозин // Инженерная экология. — 2001. — № 5. — С. 14—20.

6.Пашацкий Н.В. Рассеяние выбросов из производственной трубы в воздушном бассейне / Н.В. Пашацкий, А.В. Прохоров, В.В. Мозин // Инженерная экология. — 2000. — № 3. — С. 30—37.

7.Поршнев А.И. Численное исследование распространения и осаждения радиоактивных аэрозолей в контейнменте при аварии на АЭС / А.И. Поршнев, В.П. Решетин // ИФЖ. — 1993. — Т. 64, № 3. — С. 363—368.

8.Прохоров А.В. Диффузионная модель распространения выбросов в атмосфере / А.В. Прохоров // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. — 2010. — № 12. — С. 61—62.

9.Прохоров А.В. Теплопроводность и массообмен в системах с приповерхностными источниками: дис. канд. техн. наук / А.В. Прохоров. — Озерск, 2003. — 122 с.

10.Рихтер А.А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций / А.А. Рихтер и др. — М.: Энергоатомиздат, 1981.

11.Стурман В.И. Природные и техногенные факторы загрязнения атмосферного воздуха российских городов / В.И. Стурман // Вестник Удмуртского университета. — 2008. — № 6—2. — С. 15—29.