Закономерности распространения загрязняющих веществ в атмосфере

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).

2.3 Численное решение конкретизированной модели Гаусса в случае линейного источника загрязнения

При решении этой модели используются данные, часть из которых получена в результате наблюдений.

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 - .

1 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:

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

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

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

4. 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)

a) 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)

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

Рисунок 15.

2) 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.

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

Рисунок 19.

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

Рисунок 20.

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

Рисунок 21.

Апрель.

1) 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.

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

Рисунок 25.



Июль.

1) 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.

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

Рисунок 28.

Рисунок 29.

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

Рисунок 30.

Рисунок 31.

Рисунок 32.

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

Рисунок 33.

Октябрь.

1) 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.

3) 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:

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

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

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

4. 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.

5. 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

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

Базаров И.П. Термодинамика. -- М.: Высшая школа, 1991. 375 с.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

Размещено на Allbest.ru