Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Воздушная среда города

181

сей у земли. Эта концентрация убывает и при очень сильных ветрах, однако

это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном на-

правлении. В результате наибольшие концентрации примесей в приземном

слое формируются яри некоторой скорости, которую называют "опасная".

При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень

загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (и> = 0—1 м/с) вслед-

ствие скопления примесей в приземном слое. Прямое влияние на загрязне-

ние воздуха в городе оказывает направление ветра. Существенное увеличение

концентрации примеси наблюдается тогда, когда преобладают ветры со сто-

роны промышленных объектов.

Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые

струи воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются хо-

лодные. Такие условия называются конвективными.

Если вертикальный градиент температуры будет отрицательным (темпе-

ратура возрастает с высотой), то вертикально поднимающийся поток стано-

вится холоднее окружающих масс и его движение затухает. Такие условия

называются инверсионными.

Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхно-

сти земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высоты над

поверхностью земли — приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный

воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере.

Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представля-

ет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т.е. ситуация "за-

стоя воздуха".

Туманы на содержание загрязняющих веществ в атмосфере влияют сле-

дующим образом. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи

подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных

слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в

слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях

тумана приводит к образованию серной кислоты.

Осадки очищают воздух от примесей. После длительных интенсивных

осадков высокие концентрации примесей в атмосфере практически не на-

блюдаются.

Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфе-

ре с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более

токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбро-

сов. Таким образом, происходит окисление сернистого газа с образованием

сульфатных аэрозолей.

В крупных городах формируется свой микроклимат, существенно ме-

няются аэродинамические, радиационные, термические и влажностные ха-

рактеристики атмосферы. Выделение в городах большого количества теп-

ла, изменение газового и аэрозольного состава воздуха приводят к повы-

шению температуры воздуха и образованию так называемых "островов

182

Экология города

тепла" (см. разд. 4.7). Повышение температуры над крупным городом по

сравнению с температурой окружающей местности может наблюдаться до

высоты в несколько сотен метров.

Основы прогноза загрязнения атмосферного воздуха. Развитие методов про-

гноза основывается на результатах теоретического и экспериментального изу-

чения закономерностей распространения примесей, выбрасываемых источ-

никами загрязнения атмосферы.

Основное направление изучения распространения примесей состоит в

разработке теории атмосферной диффузии на основе математического опи-

сания процесса с помощью уравнения турбулентной диффузии. Оно позво-

ляет исследовать распространение примесей от источников различного типа

при разных характеристиках среды.

В общем виде задача прогноза загрязнения воздуха математически может

быть описана дифференциальным уравнением при определенных начальных

и граничных условиях:

dq v dq v d . dq ,, ,

i=l • i=i < <

где t — время; х. — координаты; и. — составляющие средней скорости пере-

мещения примеси; k

— составляющие коэффициента обмена; i — 1, 2, 3 —

направления осей координат; а — коэффициент, определяющий изменение

концентрации за счет превращения примеси.

Применив декартову систему координат, обозначим горизонтальные оси

х, и х

через х и у, вертикальную ось х

через z, соответственно скорости

иj — и; и

= у; и

— w; коэффициенты обмена к, = к

; к

= k

; к

= k

Тогда уравнение (4.1) приобретает вид:

dq dq dq dq d , dq d , dq d , dq

При решении практических задач вид уравнения (4.2) упрощается.

Если ось х сориентирована по направлению средней скорости ветра, то v = 0.

Вертикальные перемещения в атмосфере над горизонтальной однород-

ной поверхностью малы и можно считать w = 0, если примесь легкая и не

имеет собственной скорости перемещения.

Если рассматривается тяжелая примесь, постепенно оседающая в атмо-

сфере под воздействием гравитационных сил, то w представляет собой ско-

рость осаждения, которая входит в уравнение со знаком минус.

При наличии ветра можно пренебречь членом с к

, учитывающим диф-

фузию по оси х, поскольку в этом направлении диффузионный поток приме-

си значительно меньше кпнве.кгтиннпгп

Раздел 4. Воздушная среда города

183

Изменения концентраций в атмосфере со временем носят обычно квази-

стационарный характер и поэтому можно принять dq/dt = 0.

Таким образом, уравнение (4.2) можно свести к виду:

•

dq dq d , да д , dq

и — w = к -=Л- + к ~— aq.

dx dz dz

dz dy

dq d , dq d , dq

В случае легкой примеси: и -=•— = — к 1- — к aq.

dx dz

dz dy

При рассмотрении сохраняющейся консервативной примеси:

dq d , dq d , dq

и -=г— = — к + — к

dx dz

dz dy

При прогнозе загрязнения воздуха основной интерес представляет опре-

деление ожидаемых концентраций в приземном слое И — 1,5—2 м.

Как показали исследования, в приземном слое воздуха до уровня z — h

коэффициент обмена возрастает пропорционально высоте; скорость являет-

ся логарифмической функцией высоты.

При z — 0 (на уровне поверхности земли) можно приближенно принять в

качестве предельного значения к, = v — коэффициент молекулярной диффу-

зии для воздуха.

Аналитическое решение уравнения диффузии можно записать для слу-

чая, когда и и k

заданы степенными функциями от z (и = u

z!", k

= k,z) для

легкой сохраняющейся примеси (w — а = 0).

Наземная концентрация (при z = 0):

и J Н

» у

М (1+п)

кх 4 к

q = , е ,

2(1 - п)к,л1 як

х>

где М— выброс вещества от источника в единицу времени мг/с; Я — высота

источника выброса, м.

Характерной особенностью распределения наземной концентрации q по

оси х является наличие максимума ее q

на расстоянии х

от источника.

Он находится из условия: dq/dx = dq/dy = 0.

Результаты расчета распределения концентрации примесей от одиночно-

го точечного источника можно проиллюстрировать графически (рис. 4.5).

184

Экология города

q, мг/м

X, м

Рис. 4.5. Распределение концентраций примеси в воздухе от одиночного точечного

источника различной высоты Н. Н, < Н

< Н

Расчеты показывают, что при одинаковых параметрах выбросов макси-

мальная приземная концентрация примеси от более высокого источника мень-

ше и наблюдается на большем расстоянии от источника.

Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных ве-

ществ, содержащихся в выбросах предприятий. Методика предназначена

для решения практических задач, связанных с прогнозом загрязнения

атмосферного воздуха. Она позволяет производить расчеты рассеивания

примесей, выбрасываемых в атмосферу одиночными точечными, линей-

ными и группой источников, с учетом влияния рельефа местности, опре-

делять предельные концентрации загрязняющих веществ в двухметровом

слое над поверхностью земли, а также вертикальное распределение кон-

центраций.

Степень загрязнения атмосферного воздуха определяется наибольшим

расчетным значением концентрации, соответствующим неблагоприятным

метеорологическим условиям, опасной скорости ветра.

При одновременном присутствии в атмосферном воздухе нескольких ве-

ществ, обладающих суммацией вредного действия, рассчитывается суммар-

ная концентрация q в долях ПДК:

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С

, мг/м

при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круг-

лым устьем достигается при неблагоприятных метеорологических условиях

на расстоянии х

и определяется по формуле:

q = С

/ПДК

+ С

/ПДК

+ ...+ С

/ПДК

AMFmm/

(4.3)

л/ VjtT

где А — коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмо-

сферы; М — масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в едини-

Раздел 4. Воздушная среда города

185

цу времени, г/с; F — коэффициент, учитывающий скорость оседания вред-

ных веществ в воздухе; т, п — коэффициенты, учитывающие условия выхода

газовоздушной смеси из устья источника выброса; Н — высота источника вы-

броса над уровнем земли, м; (для наземных источников принимается Н— 2 м);

т\ — коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности (в случае рав-

ной или слабопересеченной местности с перепадом высот меньше 10 м/км

принимается ц = 1); V, — объемный расход газовоздушной смеси, м

/с; А Т—

разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси и темпе-

ратурой окружающего воздуха, °С.

Максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном слое

атмосферы прямо пропорциональна массовому расходу загрязняющего ве-

щества М и обратно пропорциональна квадрату высоты источника Н

Повышение температуры и момента количества движения струи выбра-

сываемых газов приводит к увеличению высоты дымового факела и сниже-

нию приземной концентрации загрязняющих веществ.

Коэффициент/1 при неблагоприятных метеорологических условиях, обес-

печивающих максимальные значения концентраций загрязняющих веществ

в приземном слое атмосферы, имеет следующие значения на территории

Украины: севернее 50° с.ш. А = 160; для источников в зоне от 50 до 52° с.ш.

А - 180; южнее 50° с.ш. - 200.

При определении А Т температуру окружающего атмосферного воздуха

принимают равной средней температуре наружного воздуха наиболее жарко-

го месяца года в 13

по местному времени.

Значения коэффициента F:

для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей, ско-

рость оседания которых близка к нулю, F = 1;

для прочих мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки газов в

пылеуловителе г| > 0,9 F = 2; при 0,75 < т| < 0,9 F = 2,5; при т) < 0,75 F = 3;

при наличии данных о дисперсном составе пыли в зависимости от соот-

ношения V/U при V/U < 0,015 F= 1; при 0,015 < V/U < 0,03 F= 1,5;

g м g м g м

/'определяется, как указано выше, для прочих мелкодисперсных аэрозо-

лей, где V — скорость витания частиц такого диаметра d

, что масса всех

частиц диаметром больше составляет 5% от общей массы частиц, м/с; U

—

опасная скорость ветра, м/с.

Для получения значений коэффициентов тип определяются следующие

промежуточные коэффициенты:

/ = \000w

D/H

A т- V

= 0,65Л/ VA Т/Н \ F/= 1,3 w

Z)/#; f

= 800(К')\

где D — диаметр устья дымовой трубы, м; w

— скорость выхода газовоздуш-

ной смеси из дымовой трубы, м/с.

186

Экология города

Коэффициент т определяется по формуле:

т = г— при / < 100; т = 1,47/ \ff при/> 100;

0,67 + 0,1^7 +0,34^7

при/</<100 при расчете т принимают, что f—f

. При f < 100 п определяется

в зависимости от V

n = 1 при F > 2;

п = 0,532^ -2,13F +3,13 при 0,5 < К < 2;

(44)

п = 4,4 F при К <0,5.

При/> 100 или А Т ~ 0 и V

' > 0,5 (холодные выбросы) при расчете С

вместо формулы (4.3) применяется:

AMFnri D 1

п определяется по формулам (4.4) с подстановкой вместо V

значений У

Аналогично при/< 100 и К < 0,5 или/> 100 и V

' < 0,5 (случаи предельно

малых опасных скоростей ветра) расчет С

вместо формулы (4.3) ведется по

формуле:

AMFmr\ ^

где

= 2 g6m

при

у<

1(Ю

у <

0j5;

при

/> юо, V '< 0,5.

М Н

^ " м

Расстояние х

, м, на котором приземная концентрация С, мг/м

, при не-

благоприятных метеоусловиях достигает максимального значения С

, опре-

деляется по формуле: х

= (5 — F)d H/4, где d — безразмерный коэффициент;

при/< 100

d = 2,48( 1 + 0,28 4f

) при Г < 0,5;

d = 4,95К (1 + 0,28л/7) при 0,5 < V

<2;

d = 7л/Т^(1 + 0,28 л/Л ) при У

> 2.

При />100 или А Т~ 0 значение d находится по формулам: d = 5,7 при

F'<0,5; J = 11,4К/ при 0,5 < F'<2; d = 16л/1^при К/>2.

Значение опасной скорости ветра И

, при которой достигается наибольшее

значение приземной концентрации вредных веществ: при/< 100: V

— 0,5 V

при

* = К при 0,5 <V

<2-U

= V

{\ + 0,12д7) при F > 2.

При/> 100 или А Г~0: £7 = 0,5К/ при К'<0,5; £/ = К/ при 0,5 < V < 2;

£/„ = 2,2 Г при Г >2.

Раздел 4. Воздушная среда города

187

При опасной скорости ветра U

, м/с, приземная концентрация вредных ве-

ществ С, мг/м

, в атмосфере по оси факела выброса на расстоянии х от источни-

ка определяется по формуле: С = S,C

, где S

— безразмерный коэффициент.

S, = 3(x/xJ

- Цх/х

У + 6(х/х

У при х/х

< 1;

0ЛЗ(х/х]у+ 1 при 1 < х/х

< 8;

х/х

- - 3,58ЫХ.Г - 35,2<х/х„> + 120 « 1,5 . х/х. > 8;

S, = при F > 1,5 и х/х > 8.

0,1 (х/х,)

- 2,47(x/xJ - 17,8

Для низких и наземных источников при 2м < Н < 10 м и х/х

< 1 величина

S, заменяется на S

: S

= 0,125(10 - Н) + 0,125(Я- 2)5,.

Значения приземной концентрации вредных веществ в атмосфере С , мг/м

на расстоянии у

м, по перпендикуляру к оси факела выброса определяются по

формуле: С = S

C, где S

— безразмерный коэффициент.

~ (1 + 5t + 12,81

+ \lt

+ 45,1 ty '

\ у 1 у у •> у /

t — uy

при и < 5; / = 5у

/х

при w > 5.

Для источника с прямоугольным устьем расчет С

производится по выше-

приведенным формулам с использованием значений средней скорости w

, м/с,

эквивалентного диаметра D

, м и эффективного расхода К

|э

, м

/с, которые

определяются следующим образом:

= VJLe, м/с, где L — длина устья, м; в — ширина устья, м;

2 Le л D*

YT7'

м;

4 •

o- MVC.

Радиус зоны влияния источника определяется как наибольшее из двух рас-

стояний от источника х, и х

, где х, = 10х

; х

— расстояние от источника, на

котором концентрация загрязняющего вещества с = 0,05 ПДК.

Разработка нормативов ПДВ и ВСВ для стационарных источников. ПДВ

устанавливается для каждого стационарного источника из расчета, что сово-

купный выброс от всех источников загрязнения атмосферного воздуха города с

учетом перспективы развития не приведет к превышению норматива ПДК

м р

в приземном слое. ПДВ устанавливается для условий полной нагрузки техно-

логического и газоочистного оборудования и их нормальной работы. ПДВ не

должен превышаться в любой 20-минутный период времени. Для мелких ис-

точников целесообразно установление ПДВ от их совокупности с предвари-

188

Экология города

тельным объединением их в площадной или условный точечный источник.

ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в случае

суммации вредного действия нескольких веществ.

По результатам расчета нормативов ПДВ для каждого стационарного ис-

точника выбросов устанавливается суммарный предельный выброс предпри-

ятия в целом.

ПДВ устанавливают с учетом фоновых концентраций (разд. 4.5.3).

Для реконструируемого предприятия расчеты выполняют по фактическо-

му положению и на перспективу.

Для одиночного источника с круглым устьем в случае С

< ПДК ПДВ

определяют по формуле:

ПДВ = — *- л1у,А т , г/с.

AFmnri '

В случае /> 100 или А Т ~ 0:

(ПДК - С

)Н

А/г

8 V

{

ПДВ =

AFnri D '

Для источника с прямоугольным устьем ПДВ определяют по тем же фор-

мулам при D = D

, V

= V

Установлению ПДВ для источника предшествует определение его зоны

влияния.

Для предприятий и источников, зоны влияния которых целиком распо-

ложены в пределах города, где суммарная концентрация от всех источников

С < ПДК, значения выбросов, используемых при расчетах, принимаются в

качестве ПДВ.

Если С

>ПДК (фоновая концентрация, из которой исключен вклад рас-

сматриваемого источника), то увеличение объемов выбросов от реконструи-

руемого объекта и строительства на предприятии новых объектов с выброса-

ми тех же веществ или веществ, обладающих с ними эффектом суммации,

может быть допущено только при одновременном обеспечении снижения

выбросов на остальных объектах рассматриваемого предприятия или на дру-

гих предприятиях города.

Наряду с максимальным разовым значением ПДВ в г/с устанавливаются го-

довые значения ПДВ в т/год для отдельных источников и предприятия в целом.

4.3.2. Трансформация примесей в атмосфере^

Первый от поверхности Земли слой атмосферы — тропосфера являет-

ся неравновесной химически активной системой. В ней непрерывно идут

процессы, вызывающие изменение концентрации примесей в атмосфер-

ном воздухе.

Раздел 4. Воздушная среда города

189

Знания о механизмах и скорости процессов поступления выбросов из

природных и антропогенных источников, переноса в другие сферы (воду,

почву) или трансформации в атмосфере позволяют составить баланс атмо-

сферной части глобального кругооборота веществ в природе.

Большинство газообразных примесей, выбрасываемых в атмосферу, на-

ходятся в восстановленной форме или в виде окислов с низкой степенью

окисления (сероводород, метан, оксид азота). Анализ атмосферных осадков

показывает, что возвращенные на поверхность земли примеси представлены

в основном соединениями с высокой степенью окисления (серная кислота,

сульфаты, азотная кислота, нитраты, диоксид углерода).

Таким образом, тропосфера играет роль глобального окислительного ре-

зервуара.

Процессы окисления примесей в тропосфере могут протекать по трем

различным направлениям:

окисление непосредственно в газовой фазе;

окислению предшествует адсорбция примесей частицами воды, в дальней-

шем процесс окисления протекает в растворе;

окислению предшествует адсорбция примесей на поверхности взвешен-

ных в воздухе частиц.

В роли окислителя могут выступать молекулы кислорода, перекись водо-

рода, озон. Основную роль в процессах окисления, протекающих в атмосфе-

ре, играют свободные радикалы, прежде всего гидроксильный радикал ОН'.

Он образуется в верхних слоях атмосферы путем фотодиссоциации воды и

при других реакциях.

Трансформация соединений углерода в атмосфере. В большинстве случаев

СО можно рассматривать как химически неактивный компонент воздуха.

Однако в стратосфере и при фотохимическом смоге СО может окисляться до

С0

, взаимодействуя со свободным радикалом ОН':

СО + ОН' С0

+ Н

Фотохимическое окисление метана в тропосфере протекает в основном

по радикальному механизму:

R- СЯ

+ ОН' R — С0

+ Н

Образовавшийся на первой стадии метильный радикал при столкнове-

нии с молекулой кислорода дает другую неустойчивую частицу — метилпе-

роксидный радикал.

Метилпероксидный радикал в атмосфере разлагается с образованием ме-

токсильного радикала:

СН

+ N0 -> СН

О + N0

2СН

->0

+ 2СН

О.

При взаимодействии метоксильного радикала с кислородом происходит

образование формальдегида:

СЯ

0 + 0

->CH

0 + HOJ-.

190

Экология города

Молекулы СН

0 подвергаются фотолизу при поглощении света в бли-

жайшей ультрафиолетовой области:

СН

0 ->НСО~ + Н

СН

0 СО + Н

Формильный радикал НСО образуется также при взаимодействии фор-

мальдегида с гидроксилрадикалом:

СН

0 + ОН' НСО ' + Н

Реагируя с ОН' радикалом, формильный радикал образует оксид углеро-

да, который является конечной стадией окисления органических соединений

в атмосфере:

НСО + ОН' ->СО + Н

Трансформация соединений серы в тропосфере. До настоящего времени де-

тальный механизм трансформации соединений серы не установлен. Наибо-

лее вероятным представляется протекание реакций окисления с участием сво-

бодных радикалов:

S + ОН' -> Н

0 + HS,

HS+ 0

-> ОН' + SO,

SO + Н0

+ он-.

Полученный из сероводорода диоксид серы (как и S0

, поступающий из

антропогенных источников) окисляется далее:

+ ОН ~ -> HS0

HS0

+ Н0

->S0

+2ОН',

+ Н0

+ ОН~.

Скорость трансформации диоксида серы при средних значениях концен-

траций свободных радикалов в воздухе составляет примерно 0,1% в час, что

соответствует времени пребывания S0

в атмосфере, равному 5 сут. Процесс

трансформации диоксида серы в воздухе резко ускоряется в промышленых

регионах, где имеет место увеличенное содержание свободных радикалов.

Триоксид серы (серный ангидрид) легко взаимодействует с частицами

атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты:

+ Н

0 ->H

Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в части-

цах атмосферной влаги, серная кислота частично переходит в соответствую-

щие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, ^альция.

Образование сульфатов происходит и в процессе окисления на поверхно-

сти твердых частиц, взвешенных в воздухе. В этом случае стадии окисления

предшествует адсорбция, сопровождающаяся химическими реакциями с об-

разованием сульфитов: