Моделирование процесса загрязнения воздуха Ковальчук П І Моделювання

Моделирование процесса загрязнения воздуха Ковальчук П. І. Моделювання і прогнозування стану навколишнього середовища: навч. посібник. – К. : Либідь, 2003. – С. 64 -89.

Моделирование процесса загрязнения воздуха промышленными источниками •

• Однако загрязнение воздуха в городе, который описывается уравнением: (1) в случае без инверсионного состояния воздушного бассейна (рис. а) может быть незначительным и не требует особых мер для защиты населения. • Другая ситуация возникает при неблагоприятных метеорологических условиях (температурных инверсий при слабом ветре и штилевой погоды). • Учет неблагоприятных метеорологических условий относится к малоисследованным вопросам.

При возникновении инверсий температура воздуха в приземном слое возрастает (рис. б), а не падает, как в случае устойчивой термической стратификации атмосферы. Безинверсионный (а) и инверсионный (б) состояния воздушного бассейна города Перемешивание происходит слабо, и нижняя часть инверсионного слоя играет роль экрана, от которого частично или полностью отражается факел загрязняющих веществ, и в приземном слое возрастает концентрация вредных примесей до значений, опасных для здоровья и жизни человека.

• Цель прогноза – найти сценарии загрязнения воздушного бассейна, что позволит архитекторам-проектировщикам рационально разрабатывать генеральные планы реконструкции и застройки.

• Теоретические модели расчета загрязнения атмосферного воздуха не отражают множества всех факторов, влияющих на загрязнение от промышленных источников в экстремальных условиях, и есть только приближенные модели, которые требуют сложных дополнительных исследований (теоретических и экспериментальных) для определения коэффициентов моделей и параметров процесса в случае их использования на практике.

• Экстремальные условия вследствие загрязнения, возникающие из-за приземных инверсий в атмосфере и отсутствия развитого турбулентного обмена, описываются частным случаем общего уравнения диффузии. • Но именно такие условия являются самыми опасными для здоровья человека и должны быть объектом гигиенических прогнозов при планировании взаимного размещения селитебных зон и промышленных предприятий.

• Для осуществления этой цели возникает необходимость построения уравнений прогноза (в конечно-разностной форме) на принципах самоорганизации, что имеет следующие преимущества: • структуру уравнения прогноза и коэффициенты моделей алгоритма находят по данным натурных (подфакельних) наблюдений концентрации загрязняющих веществ в соответствующих (экстремальных) условиях, что обеспечивает значительное уточнение модели; • используется теоретическая информация о классе операторов, а конечные формулы расчета в виде конечно-разностных операторов являются простыми и позволяют определить санитарнозащитные зоны предприятий.

• Согласно данной методике сначала определяют теоретические модели в виде дифференциальных операторов и их полуэмпирические аналоги с использованием данных подфакельных наблюдений, а затем проверяют их адекватность при расчете концентраций по данным, которые не принимают участия в идентификации. • Адекватность модели и ее точность во многом зависит от правильности выбора списка входных переменных, полноты данных натурных наблюдений.

Теоретической моделью распространения примесей от единичного источника является уравнение диффузии в цилиндрических координатах. div (k grad U)-αU = -f(r, φ, z) (2) k- коєффициент обмена α – коэффициент, определяющий изменение концентрации за счет преобразований примесей

•

•

•

Пример. Синтез уравнения для прогнозирования максимального уровня загрязнения воздуха пылью •

•

• По данным наблюдений Киевского научноисследовательского института общей и коммунальной гигиены (КНДИЗи. КГ) в г. Днепродзержинске, г. Днепропетровске и других городах Украины были аппроксимированы непрерывные кривые наблюдений подфакельних загрязнений. • Для идентификации модели с шагом Δr 1 = 0, 5 км получены 72 точки, из них 36 точек составили учебную последовательность, 36 остальных – проверочную последовательность.

•

• Проверку модели осуществляли по данным натурных наблюдений предприятий, которые не использовали на этапе идентификации модели. • Начальные условия: U 1 = 1 мг/м 3; U 2 = 1, 8 мг/м 3; Н = 100. • Найденную модель прогнозирования загрязнения пылью можно применять для отдельных промышленных источников с выбросами на высоте 100. . . 150 м. • Дальнейшая экстраполяция модели (при Н<100 м и H> 150 м) требует получения данных в соответствующем диапазоне измерений и уточнения модели.

Фактическая Uф и прогнозная Uпрогн концентрации пили на контрольном объекте, мг/м 3 Расстояние от Концентрация источника, Uф Uпрогн 1500 — 2, 42 2000 2, 60 2500 — 2, 50 3000 1, 80 2, 28 3500 — 1, 80 4000 — 1, 48 4500 — 1, 22 5000 1, 25 1, 02 5500 — 0, 84 6000 — 0, 70 6500 — 0, 63 7000 0, 53 0, 57 м

Пример 2. Синтез уравнения прогноза загрязнения воздуха оксидом углерода (II) •

•

• Проверка модели загрязнения воздуха оксидом углерода (II) осуществлялась на объекте, который не принимал участия в идентификации. • Были использованы данные наблюдений (подфакельних измерений в виде одномерного поля) за два года с интервалами в пространстве Δr = 500 м на расстояние до 7000 м. Количество измерений колебалось от 1 до 6. . . 9 в отдельных пунктах. • Прогноз максимальных разовых концентраций оксида углерода (II) осуществлялся по модели при начальных условиях на расстоянии 500 и 1000 м. Здесь начальные значения концентраций, соответственно, на этих расстояниях составляют 14, 3 и 112, 4 мг/м 3 – это максимальные разовые концентрации оксида углерода.

Фактическая Uфакт и прогнозированная Uпрогн концентрация оксиду углерода (II) на объекте в разные годы исследований, мг/м 3 Расстояние от Первый год Второй год источника, м Uфакт Uпрогн 500 14, 3 — 1000 107, 8 — 112, 4 — 1500 137 — 148 2000 56 134 78, 4 143 2500 — 118 — 126 3000 137, 2 101 98 109 3500 — 86 — 94 4000 — 74, 5 — 81 4500 — 64, 5 — 70 5000 103, 6 56, 2 54, 6 61 5500 — 49 — 53 6000 — 43 — 46 6500 47, 6 37 — 45

Моделирование процесса загрязнения воздуха автотранспортом • Основными критериями, которые являются следствием интенсивного развития автотранспорта и которые нужно минимизировать для улучшения среды проживания людей в городах - это концентрация оксида углерода (II), а также уровня шума.

Входные факторы Фактор Обозначения Общая интенсивность движения а/т потоков, автомобилей/год x 1 Часть грузовых автомобилей и автобусов в общем потоке, % x 2 Уклон вдоль проезжей части, % x 3 Кол-во этажей N уличных строений х4 = N +1 Ширина улицы в застройке, м x 5 Ширина проезжей части, м x 6 Средневзвешенная скорость движения автомобилей в потоке, км/год x 7 Линейная плотность в уличных строениях x 8 Температурный показатель Т, 'С х9 = Т +16 Коэффициент неоднородности состава автотранспортных потоков x 10

•

• Между переменной х5 (ширина улицы в застройке) и переменной х6 (ширина проезжей части) существует естественная связь х5> х6 + а, что отражает тот факт, что улица в застройке шириной больше или такая же, как и проезжая часть, на некоторую постоянную а. • Согласно строительным нормам и правилам для проектируемых улиц рекомендуется подбирать а = 15 м, для улиц старой застройки – а = 3 м.

Задачу оптимизации состояния окружающей среды на основе полученных критериев можно рассматривать в двух постановках: • оптимизировать критерии при фиксированных параметрах планирования за счет оптимизации транспортного движения и • оптимизировать критерии при переменных вариантах планировки в условиях фиксированных (и переменных) параметров движения

Lmin, д. Б Uco , мг/м 3 Зависимость оптимальных уровней эквивалентного шума Lmin (а) и оптимальных концентраций оксида углерода (II) Uco (б) от оптимальной ширины улицы в застройке х5 опт: 1 - Шестирядное непрерывное движение, 2 - шестирядное регулируемое движение 3 - четырехрядное регулируемое движение, 4 - двухрядное регулируемое движение обозначения линий для разной линейной плотности уличной застройки: 1, 0; 0, 7; 0, 5; 0, 3; 0, 1

Построение теоретической модели переноса загрязнения от автотранспорта • Чаще всего встречаются схемы проведения натурного эксперимента при наличии зеленых насаждений различных типов в таком виде а: 1 – высокие деревья; 2 — густые низкие кусты; З — високие кусты; 4 — застройка; 5 — экспериментальные точки; б: 1, З — фактические и 2, 4 — расчетные значения содержания оксида углерода (ІІ) при разных начальных условиях (при отсутствии озеленения)

•

•

•

•

• • Параметрами при построении моделей были выбраны: η 1, - плотность низкого насаждения (высотой до 1, 5 м) ; η 2 - плотность высокого насаждения (высотой 1, 5. . . 20 м). Данные натурных наблюдений было отобрано по схеме на трех объектах. После аппроксимации сглаживающей непрерывной кривой данных натурных наблюдений дискретизация совершалась с шагом Δх = h= 3 м.

•

•

•

• При проектировании жилого массива необходимо сначала минимизировать U 0, т. е. концентрацию загрязнений в непосредственной близости от автомагистрали, исходя из ширины улицы в застройке, интенсивности автотранспортного потока b и т. д. • Дальнейшие расчеты на основе уравнения (16) дают возможность оценить ряд вариантов типов озеленения выбрать из них оптимальный. • Выбранный вариант озеленения должен удовлетворять условию, чтобы концентрация загрязнений в непосредственной близости от жилого массива не превышала заданного значения.

• Если, кроме автотранспорта, загрязнение поступает от промышленных предприятий, то следует рассмотреть суммарное воздействие с учетом максимально возможных концентраций каждого из источников.