Studying the physics of vertical transfer of emissions from industrial enterprises in the surface layer of the atmospher.pdf Введение Проблема моделирования вертикальных движений мелкодисперсных частиц в атмосферном воздухе является одной из важнейших. От величины вертикальной компоненты скорости зависит дальность переноса выбросов промышленных предприятий, частиц пыли вблизи автодорог и количество осевших на земную поверхность частиц. Повышенный интерес к содержанию мелкодисперсных частиц в воздухе обусловлен их сильным токсическим и канцерогенным действием [1-4]. Отметим, что твердые частицы выбросов теплоэнергетических предприятий представляют особую опасность для здоровья человека из-за большого содержания тяжелых металлов. В современных моделях вертикальное перемещение частиц в приземном слое атмосферы описывается обычно турбулентной диффузией в поле сил гравитации. Совпадение результатов моделирования с экспериментом удается получить для устойчивых состояний атмосферы [5]. Однако в условиях атмосферной неустойчивости перемещение частиц в вертикальном направлении возможно также в восходящих или нисходящих конвективных потоках. Необходимо подчеркнуть, что процесс движения частиц неправильной формы в приземном слое турбулентной атмосферы является очень сложным. Следовательно, представляется невозможным построить строгую математическую модель для его описания. В подобных случаях для решения практических задач используют эмпирические или полуэмпирические подходы. Например, в работе [6] при изучении процесса перемещения частиц пыли вблизи грунтовых дорог измеряли поток и распределение частиц пыли по размерам. Измерения проводили с помощью массива многоканальных счетчиков в вертикальном направлении и в горизонтальной плоскости в направлении ветра. В исследовании показано, что: 1) влияние турбулентности атмосферы на осаждение частиц возрастает с увеличением их размеров; 2) для мелкодисперсных частиц с размерами не более 15 мкм скорость Стокса является нижней границей скорости оседания; 3) на значения скорости оседания сильное влияние оказывают скорость и направление ветра. Отметим, что вывод об увеличении влияния турбулентности на скорость осаждения частиц с ростом их размеров подтверждается также в экспериментальных исследованиях, опубликованных в работе [7]. Понимание физики процесса движения твердых частиц в атмосферном воздухе обеспечивает полуэмпирический подход, основанный на аналитических решениях стационарного уравнения переноса с учетом конвекции и турбулентной диффузии (К-теория) [8-13]. К-теория получила широкое распространение в качестве математической основы моделирования дисперсии загрязнения воздуха. Цель данного исследования - изучение физики переноса мелкодисперсных частиц в вертикальном направлении на основе оценок средних значений вертикальной компоненты скорости частиц выбросов угольной ТЭЦ в приземном слое атмосферы. Исследование проведено с помощью разработанного авторами полуэмпирического метода определения скорости перемещения мелкодисперсных частиц в вертикальном направлении. Метод основан на решении обратной задачи переноса - определении параметров аналитического решения стационарного диффузионно-конвективного уравнения для точечного высотного источника по измеренному на высоте 1-2 м от поверхности земли горизонтальному профилю уровня загрязнения. Размеры зон влияния высотных источников 10 км и более. Концентрации загрязняющих веществ на таких расстояниях невелики, поэтому уровень загрязнения измерен с помощью мхов-биомониторов [14-16]. Методология проведения оценок средних значений вертикальной компоненты скорости частиц Функциональную зависимость концентраций химических элементов, содержащихся в частицах выбросов и накопленных за время экспозиции во мхах, можно описать решениями стационарного диффузионно-конвективного уравнения [14]: , (1) где q - средние концентрации загрязняющих веществ на расстоянии x от источника загрязнения; ux, uz - компоненты скорости движения частиц выбросов в направлении осей x и z соответственно; kz - вертикальный коэффициент турбулентной диффузии. Для случая uz = const и некоторых сравнительно простых моделей изменения ux и kz с высотой решение уравнения (1) записывается в аналитическом виде. В приземном слое атмосферы зависимости ux(z) и kz(z) часто задаются степенными функциями [8]. В этом случае средние приземные концентрации в зависимости от x для точечного источника с учетом фона qf описывают функцией вида [8, 17] , (2) где θ1, θ2, θ3 - параметры функции q(x), зависящие от режима работы предприятия, высоты трубы газоочистки, дисперсного состава выбросов, рельефа местности и атмосферных условий. Из аналитического решения для монодисперсных выбросов высотного источника и приземных концентраций [8] следует, что для параметров θ2 и θ3 могут быть записаны следующие выражения: , (3) . (4) Здесь Н - высота трубы источника загрязнения; n - параметр, характеризующий изменение скорости ветра с высотой z; , u1 - скорость ветра на высоте z1; kпр - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии; , где k1 - коэффициент вертикальной диффузии на высоте z1. В приведенных формулах z отсчитывается от земной поверхности, а положительные значения скорости uz соответствуют движению частиц к поверхности земли. Из (3), (4) следует формула для расчета вертикальной компоненты скорости частиц выбросов: . (5) Параметры θ2, θ3 могут быть рассчитаны только для небольших периодов наблюдения (порядка 20-30 мин), когда массу выбросов, свойства загрязняющей примеси и атмосферные условия можно считать неизменными. При использовании мхов-биомониторов время экспозиции составляет от нескольких недель (для активного биомониторинга) до нескольких лет (для пассивного биомониторинга). В этом случае строгое определение параметров θ2, θ3 невозможно, прежде всего, в силу сложного характера атмосферных процессов, обуславливающих перенос загрязняющих примесей. Однако функциональный вид q(x) не зависит от периода наблюдения. Поэтому параметры θ2, θ3 для больших периодов наблюдения можно рассматривать как феноменологические и определять их значения с помощью регрессионного анализа измеренного на высоте 1-2 метров от поверхности земли профиля загрязняющих веществ. Эксперимент Методика проведения эксперимента описана в работе [18]. Объектом для исследования выбрана ТЭЦ-5 г. Новосибирска. В зоне действия ТЭЦ нейтронно-активационным анализом в пробах эпифитного мха определены Mo, Cr, Co, Sc, Lu, Zn, Fe, U, Th, Rb, Sb, Ce, Hf, Eu, Sr, As, Nd, Sm, Tb, Cs, Br, Yb, Ba, Ca; погрешность измерений составляла 15-20%. Для изучения вклада трансграничного переноса загрязняющих веществ в содержание химических элементов во мхах проведен корреляционный анализ измеренных для каждой точки отбора концентраций, который показывает, что источником большинства химических элементов является ТЭЦ. В табл. 1 приведены коэффициенты корреляции Пирсона для элементов, концентрации которых были использованы для проведения оценок вертикальной компоненты скорости частиц. Таблица 1 Коэффициенты корреляции Пирсона концентраций химических элементов во мхах Хим. элемент Mo Cr Co Sc Fe U Th Sb Ce Hf As Nd Sm Cs Yb Ba Mo 1.0 0.5 0.3 0.2 0.4 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 0.5 0.3 0.6 0.3 0.3 Cr 1.0 0.9 0.9 0.9 0.8 1.0 0.6 0.8 0.7 0.5 0.4 0.6 0.5 0.7 0.7 Co 1.0 0.9 0.9 0.6 0.9 0.7 0.8 0.5 0.5 0.4 0.4 0.6 0.8 0.7 Sc 1.0 0.9 0.7 1.0 0.6 0.8 0.5 0.4 0.3 0.4 0.4 0.7 0.6 Fe 1.0 0.7 1.0 0.7 0.8 0.4 0.4 0.3 0.5 0.5 0.7 0.5 U 1.0 0.7 0.3 0.5 0.7 0.2 0.1 0.8 0.2 0.3 0.6 Th 1.0 0.6 0.8 0.6 0.4 0.3 0.5 0.5 0.7 0.6 Sb 1.0 0.4 0.2 0.8 0.5 0.2 0.8 0.8 0.5 Ce 1.0 0.5 0.5 0.4 0.2 0.5 0.7 0.4 Hf 1.0 0.3 0.4 0.4 0.2 0.5 0.7 As 1.0 0.8 -0.1 0.9 0.8 0.3 Nd 1.0 -0.4 0.8 0.7 0.4 Sm 1.0 -0.2 0.0 0.4 Cs 1.0 0.8 0.3 Yb 1.0 0.6 Ba 1.0 Обработка результатов и обсуждение Измеренные в образцах мхов концентрации химических элементов обработаны с помощью регрессионного анализа в пакете Mathematica (рис. 1); в качестве уравнения регрессии использована формула (2). Для анализа использованы концентрации только тех элементов, для которых четко прослеживается характерная для точечных высотных источников зависимость q(x). Важно подчеркнуть, что максимальные концентрации этих элементов наблюдаются на одних и тех же расстояниях 2.5-3 км. Можно предположить, что эти элементы содержатся в частицах, характерные размеры которых принадлежат узкому диапазону. В этом случае в первом приближении частицы можно считать монодисперсными и для оценок uz использовать формулу (5). Отсутствие зависимости (2) для некоторых элементов объясняется тем, что выбросы угольной ТЭЦ являются полидисперсными. Следовательно, химические элементы могут содержаться в частицах разных размеров. При обработке данных также не учитывались концентрации, полученные для ближних зон предприятий, и концентрации, принадлежащие фоновому диапазону [19] или несколько выше фона. Причиной загрязнения воздуха на прилегающей к предприятию территории является технологическая пыль, обусловленная проведением погрузо-разгрузочных работ и транспортировкой сырья. Наличие относительно невысоких концентраций в области максимума в некоторых образцах объясняется, скорее всего, экранирующим действием крон деревьев. Рис. 1. Распределение концентраций q во мхах в зависимости от расстояния для Cr (a), Cs (б), Fe (в), Sc (г), где точки - измеренные концентрации в образцах мхов; сплошная кривая - регрессионная зависимость; горизонтальная прямая - фоновые концентрации химических элементов во мхах Для некоторых элементов (например, Fe, Cr, Sc) наблюдаются достаточно высокие концентрации на расстояниях 4-5 км. Этот результат объясняется как тем, что данные элементы содержатся в очень мелких частицах выбросов и, следовательно, переносятся на большие расстояния, так и трансграничным переносом. Еще раз отметим, что для нашего исследования отобраны те значения концентраций химических веществ, которые подчиняются закону о распределении монодисперсной примеси. Коэффициент детерминации R2, параметры распределения концентраций θ2, θ3, стандартные ошибки в определении θ2, θ3, а также средние значения вертикальной компоненты скорости частиц выбросов ТЭЦ представлены в табл. 2. Расчеты проведены при n = 0.2 и скорости ветра на высоте 10 м, усредненной за время экспозиции в направлении пробоотбора мхов: на территории ТЭЦ u1 = 3.7 м/с (на основе базы данных Gismeteo РФ) [20]. Таблица 2 Значения R2, θ2, θ3, стандартные ошибки в определении параметров θ2, θ3 и средние значения вертикальной компоненты скорости частиц выбросов uz угольной ТЭЦ Элемент R2 θ2 Стандартная ошибка в определении θ2, % θ3, км Стандартная ошибка в определении θ3, % uz, м/с As 0.941 11.93 3.86 33.12 11.58 0.48 Ba 0.995 6.24 2.45 21.74 8.69 0.34 Ce 0.995 2.38 0.64 6.48 1.66 0.21 Co 0.991 4.53 1.28 10.92 3.22 0.43 Cr 0.994 9.88 2.2 20.39 4.51 0.63 Cs 0.977 8.5 1.48 20.71 3.94 0.52 Fe 0.984 10.49 3.47 21.96 7.2 0.63 Hf 0.996 4.3 0.49 9.31 1.1 0.46 Mo 0.984 6.21 4.34 13.35 9.42 0.54 Nd 0.983 7.87 1.65 19.5 4.29 0.5 Sb 0.961 3.35 1.28 9.06 3.36 0.31 Sc 0.993 5.24 0.83 13.06 2.04 0.44 Sm 0.982 10.37 2.19 24.26 5.55 0.56 Th 0.971 8.78 3.22 18.68 6.73 0.6 U 0.975 11.24 4.56 22.77 8.94 0.66 Yb 0.992 6.11 0.92 14.65 2.33 0.48 Среднее значение uz, м/с 0.49 Для анализа механизмов переноса частиц в вертикальном направлении интересно сравнить полученные значения вертикальной компоненты скорости частиц выбросов предприятий со скоростями Стокса υs. Для сравнения используем медианы соответствующих скоростей. Отметим, что выборка значений uz симметрична - среднее практически совпадает с медианой, и однородна, поэтому полученные значения среднего и медианы являются представительными. В табл. 3 приведены дисперсный состав и скорости Стокса для частиц выбросов угольной ТЭЦ г. Новосибирска [21], где d - аэродинамический диаметр частиц; g - содержание частиц диаметром более d, % (по массе); υs - скорость Стокса, см∙с-1; ρ - плотность частиц выбросов, кг∙м-3. Таблица 3 Свойства частиц летучей золы от сжигания угля на ТЭЦ-3 г. Новосибирска; ρ = 2.81 103 кг м-3 d, мкм 2.5 4.0 6.3 10 16 25 40 g, % (по массе) 98 96 92 83 67 42 19 υs, см/с 0.05 0.13 0.3 0.8 2.2 5.2 13.5 По данным табл. 3, медиана скоростей Стокса для выбросов угольной ТЭЦ составляет 0.8 см/с. Медиана вертикальной компоненты скорости в нашем исследовании примерно равна 49 см/с, т.е. отличается в десятки раз. Можно предположить, что такое превышение усредненных по зоне влияния предприятия (до 7 км) за длительный промежуток времени (3 г.) скоростей перемещения частиц к поверхности земли по сравнению со скоростью Стокса обусловлено суммарным эффектом перемещения частиц в турбулентных и нисходящих конвективных потоках и действием сил гравитации. Безусловно, перемещение частиц происходит и в восходящих потоках, однако их вклад в средние значения uz несколько нивелируется гравитационным оседанием. Необходимо отметить, что нисходящие потоки менее интенсивны, чем восходящие. Но нисходящие потоки охватывают большие, плохо прогреваемые в дневные часы территории, масштабы которых могут составлять несколько десятков километров, и характерны для длительных периодов наблюдения [22]. Такие условия соответствуют нашему эксперименту. На основе полученных результатов можно предположить, что для больших пространственно-временных масштабов наблюдения доминирующее влияние на перемещение частиц в направлении к земной поверхности оказывают нисходящие конвективные потоки. Заключение Величина вертикальной компоненты скорости мелкодисперсных частиц в приземном слое атмосферы в значительной степени определяет дальность переноса выбросов предприятий. Физика движения воздушных масс и мелкодисперсных частиц в приземном слое очень сложна и до сих пор не изучена в достаточной степени. Разработанные к настоящему времени модели вертикального перемещения частиц учитывают движения в турбулентных потоках в поле сил гравитации. Такой подход позволяет получать согласующиеся с экспериментом результаты только для устойчивых состояний атмосферы. Однако в неустойчивой атмосфере существуют конвективные вертикальные потоки воздуха, скорость которых достигает нескольких десятков см/с, т.е. существенно больше скоростей Стокса мелкодисперсных частиц в воздухе. Горизонтальная протяженность областей с конвективным вертикальным движением воздушных масс может достигать нескольких десятков км. Можно предположить, что в зонах влияния крупных предприятий одним из основных механизмов переноса частиц в направлении к земной поверхности является движение в вертикальных конвективных потоках воздуха. Отметим, что нисходящие конвективные потоки, определяющие скорость движения частиц к поверхности земли, характерны для плохо прогреваемых в дневные часы территорий. Ввиду малой инерционности мелкодисперсные частицы выбросов промышленных предприятий следуют за движениями воздуха. В связи с этим предложенный в работе метод оценки вертикальной компоненты перемещения частиц в приземном слое атмосферы может быть использован для изучения вертикальных движений воздушных масс. Скорость вертикальных движений воздуха непосредственно не измеряется, а рассчитывается на основе связи с полями давления, ветра и температуры. Расчетные методы требуют высокой точности при определении вышеперечисленных параметров, поэтому не всегда могут быть реализованы на практике в приземном слое атмосферы, где поля сильно варьируют в связи с влиянием неоднородности подстилающей поверхности. На основе полученных в работе оценок вертикальной компоненты скоростей частиц выбросов угольной ТЭЦ сделаны следующие выводы: 1) усредненные по большим территориям и длительным периодам наблюдения скорости переноса частиц выбросов угольной ТЭЦ в направлении к земной поверхности составляют несколько десятков см/с, т.е. соответствуют скорости вертикальных конвективных движений атмосферного воздуха в зонах действия крупных предприятий; 2) средняя скорость перемещения частиц выбросов в зоне влияния угольной ТЭЦ в направлении к земной поверхности в десятки раз выше скоростей Стокса; 3) в условиях больших пространственно-временных масштабов и плохо прогреваемой в дневные часы местности одним из основных механизмов переноса частиц выбросов крупных предприятий в направлении к земной поверхности является движение в нисходящих конвективных потоках воздуха.

Скачать электронную версию публикации