Целью моделирования загрязнения воздуха является оценка концентраций загрязняющих веществ на открытом воздухе, вызванных, например, промышленными производственными процессами, аварийными выбросами или дорожным движением. Моделирование загрязнения воздуха используется для определения общей концентрации загрязнителя, а также для выяснения причин чрезвычайно высоких уровней. Для проектов, находящихся на стадии планирования, можно заранее оценить дополнительный вклад в существующую нагрузку и оптимизировать условия выбросов.

Рисунок 1. Глобальная система мониторинга окружающей среды/Управление загрязнением воздуха

В зависимости от стандартов качества воздуха, установленных для рассматриваемого загрязнителя, интерес представляют среднегодовые значения или кратковременные пиковые концентрации. Обычно концентрации приходится определять там, где люди активны, то есть вблизи поверхности на высоте около двух метров над землей.

Параметры, влияющие на рассеивание загрязняющих веществ

Два типа параметров влияют на рассеивание загрязняющих веществ: параметры источника и метеорологические параметры. Для параметров источника концентрации пропорциональны количеству выбрасываемого загрязняющего вещества. Если речь идет о пыли, необходимо знать диаметр частиц, чтобы определить седиментацию и осаждение материала (VDI 1992). Поскольку поверхностные концентрации ниже при большей высоте штабеля, этот параметр также необходимо знать. Кроме того, концентрации зависят от общего количества выхлопных газов, а также от их температуры и скорости. Если температура выхлопных газов превышает температуру окружающего воздуха, газ будет подвержен термической плавучести. Его скорость истечения, которая может быть рассчитана по диаметру внутренней трубы и объему выхлопных газов, вызовет динамическую плавучесть. Для описания этих особенностей можно использовать эмпирические формулы (VDI 1985; Venkatram and Wyngaard 1988). Следует подчеркнуть, что не масса рассматриваемого загрязняющего вещества, а масса всего газа отвечает за тепловую и динамическую плавучесть.

Метеорологическими параметрами, влияющими на рассеивание загрязняющих веществ, являются скорость и направление ветра, а также вертикальная тепловая стратификация. Концентрация загрязняющих веществ обратно пропорциональна скорости ветра. В основном это связано с ускоренным транспортом. Причем турбулентное перемешивание усиливается с ростом скорости ветра. Поскольку так называемые инверсии (т. е. ситуации, когда температура увеличивается с высотой) препятствуют турбулентному перемешиванию, максимальные поверхностные концентрации наблюдаются при высокоустойчивой стратификации. Наоборот, конвективные ситуации усиливают вертикальное перемешивание и поэтому имеют самые низкие значения концентрации.

Стандарты качества воздуха — например, среднегодовые значения или 98 процентилей — обычно основаны на статистике. Следовательно, необходимы данные временных рядов для соответствующих метеорологических параметров. В идеале статистика должна основываться на десятилетних наблюдениях. Если доступны только более короткие временные ряды, следует убедиться, что они репрезентативны для более длительного периода. Это можно сделать, например, путем анализа более длинных временных рядов с других точек наблюдения.

Используемые метеорологические временные ряды также должны быть репрезентативными для рассматриваемого участка, т. е. должны отражать местные характеристики. Это особенно важно в отношении стандартов качества воздуха, основанных на пиковых долях распределения, таких как 98 процентилей. Если таких временных рядов нет, можно использовать метеорологическую модель потока для расчета одного из других данных, как будет описано ниже.

Программа Глобальной службы атмосферы (ГСА) (Миллер и Судин, 1994 г.) предоставляет данные и другую информацию о химическом составе и соответствующих физических характеристиках атмосферы, а также их тенденциях, с целью понимания взаимосвязи между изменением состава атмосферы и изменениями глобального и региональный климат, дальний атмосферный перенос и осаждение потенциально вредных веществ над наземными, пресноводными и морскими экосистемами, естественный круговорот химических элементов в глобальной системе атмосфера/океан/биосфера и антропогенное воздействие на них. Программа ГСА состоит из четырех областей деятельности: Глобальная система наблюдения за озоном (GO3OS), глобальный мониторинг фонового состава атмосферы, включая Сеть мониторинга фонового загрязнения воздуха (BAPMoN); рассеивание, перенос, химическое преобразование и осаждение атмосферных загрязнителей над сушей и морем в различных временных и пространственных масштабах; обмен загрязняющими веществами между атмосферой и другими компонентами окружающей среды; и интегрированный мониторинг. Одним из наиболее важных аспектов ГСА является создание центров научной деятельности по обеспечению качества для надзора за качеством данных, получаемых в рамках ГСА.

Концепции моделирования загрязнения воздуха

Как упоминалось выше, рассеивание загрязняющих веществ зависит от условий выброса, переноса и турбулентного перемешивания. Использование полного уравнения, описывающего эти особенности, называется эйлеровым дисперсионным моделированием (Pielke 1984). При таком подходе поступления и потери рассматриваемого загрязняющего вещества должны определяться в каждой точке воображаемой пространственной сетки и на отдельных временных шагах. Поскольку этот метод очень сложен и требует компьютерного времени, его обычно нельзя использовать в обычном порядке. Однако для многих приложений его можно упростить, используя следующие предположения:

• отсутствие изменения условий эмиссии со временем

• отсутствие изменения метеорологических условий во время транспортировки

• скорость ветра более 1 м/с.

В этом случае упомянутое выше уравнение может быть решено аналитически. Полученная формула описывает шлейф с гауссовым распределением концентрации, так называемая модель гауссовского шлейфа (VDI 1992). Параметры распределения зависят от метеорологических условий и расстояния по ветру, а также от высоты штабеля. Их необходимо определять эмпирически (Venkatram and Wyngaard 1988). Ситуации, когда выбросы и/или метеорологические параметры значительно изменяются во времени и/или пространстве, могут быть описаны с помощью модели гауссовой затяжки (VDI 1994). При таком подходе отдельные затяжки испускаются через фиксированные временные интервалы, каждая из которых следует своим собственным путем в соответствии с текущими метеорологическими условиями. На своем пути каждая затяжка растет согласно турбулентному перемешиванию. Параметры, описывающие этот рост, опять-таки должны определяться на основе эмпирических данных (Venkatram and Wyngaard, 1988). Однако следует подчеркнуть, что для достижения этой цели входные параметры должны быть доступны с необходимым разрешением во времени и/или пространстве.

Что касается аварийных выбросов или исследований отдельных случаев, лагранжева модель или модель частиц (Руководство VDI 3945, Часть 3) рекомендуется. Таким образом, концепция состоит в том, чтобы рассчитать траектории многих частиц, каждая из которых представляет собой фиксированное количество рассматриваемого загрязняющего вещества. Отдельные пути состоят из переноса средним ветром и случайных возмущений. Из-за стохастической части траектории полностью не согласуются, а изображают смесь турбулентностью. В принципе, лагранжевы модели способны учитывать сложные метеорологические условия, в частности ветер и турбулентность; поля, рассчитанные с помощью описанных ниже моделей течения, можно использовать для моделирования лагранжевой дисперсии.

Моделирование рассеивания в сложной местности

Если необходимо определить концентрации загрязняющих веществ на структурированной местности, может оказаться необходимым включить в моделирование топографические эффекты рассеивания загрязняющих веществ. Такими эффектами являются, например, перенос, следующий за топографической структурой, или тепловые ветровые системы, такие как морской бриз или горный ветер, которые меняют направление ветра в течение дня.

Если такие эффекты имеют место в масштабе, значительно превышающем площадь модели, это влияние можно учитывать с использованием метеорологических данных, отражающих местные характеристики. Если таких данных нет, то трехмерную структуру, наложенную на поток топографией, можно получить, используя соответствующую модель течения. На основе этих данных может быть выполнено само моделирование дисперсии в предположении горизонтальной однородности, как описано выше в случае модели гауссового шлейфа. Однако в ситуациях, когда ветровые условия значительно меняются внутри моделируемой области, само моделирование рассеивания должно учитывать трехмерный поток, на который влияет топографическая структура. Как упоминалось выше, это можно сделать, используя гауссовский слой или лагранжеву модель. Другой способ - выполнить более сложное эйлерово моделирование.

Чтобы определить направление ветра в соответствии с топографически структурированной местностью, можно использовать согласованное с массой или диагностическое моделирование потока (Pielke 1984). Используя этот подход, поток подгоняется к топографии, варьируя начальные значения как можно меньше и сохраняя постоянство его массы. Поскольку это подход, который дает быстрые результаты, его также можно использовать для расчета статистики ветра для определенного участка, если нет доступных наблюдений. Для этого используется геострофическая статистика ветра (т. е. аэрологические данные, полученные с помощью зондов).

Однако, если необходимо более детально рассмотреть тепловые ветровые системы, следует использовать так называемые прогностические модели. В зависимости от масштаба и крутизны моделируемой области подходит гидростатический или еще более сложный негидростатический подход (VDI 1981). Модели этого типа требуют больших вычислительных мощностей, а также большого опыта применения. Эти модели, как правило, не позволяют определить концентрации на основе среднегодовых значений. Вместо этого можно провести исследования наихудшего случая, рассматривая только одно направление ветра и те параметры скорости ветра и стратификации, которые приводят к самым высоким значениям приземной концентрации. Если эти значения для наихудшего случая не превышают стандарты качества воздуха, в более подробных исследованиях нет необходимости.

Рис. 2. Топографическая структура модельного региона

На рис. 2, рис. 3 и рис. 4 показано, как можно представить перенос и распространение загрязняющих веществ в зависимости от влияния рельефа и климатологии ветра, полученных на основе учета частот приземного и геострофического ветра.

Рис. 3. Распределение поверхностной частоты, определенное по геострофическому распределению частоты.

Рис. 4. Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ для гипотетического региона, рассчитанные по геострофическому частотному распределению неоднородных полей ветра.

Моделирование дисперсии в случае малых источников

Принимая во внимание загрязнение воздуха, вызванное низкими источниками (например, высота дымовых труб порядка высоты здания или выбросы от дорожного движения), необходимо учитывать влияние окружающих зданий. Выбросы от дорожного движения в определенной степени будут задерживаться в уличных каньонах. Для описания этого были найдены эмпирические формулировки (Ямартино и Виганд, 1986).

Загрязняющие вещества, выбрасываемые из низкой трубы, расположенной на здании, будут улавливаться в циркуляцию с подветренной стороны здания. Степень этой подветренной циркуляции зависит от высоты и ширины здания, а также от скорости ветра. Поэтому упрощенные подходы к описанию рассеивания загрязняющих веществ в таком случае, основанные исключительно на высоте здания, в целом не годятся. Вертикальная и горизонтальная протяженность подветренной циркуляции была получена в результате исследований в аэродинамической трубе (Hosker 1985) и может быть реализована в диагностических моделях, согласованных с массой. Как только поле течения определено, его можно использовать для расчета переноса и турбулентного перемешивания выбрасываемого загрязняющего вещества. Это можно сделать с помощью моделирования лагранжевой или эйлеровой дисперсии.

Более подробные исследования, например, в отношении аварийных выбросов, можно провести только с использованием негидростатических моделей потока и рассеивания вместо диагностического подхода. Поскольку это, как правило, требует высокой вычислительной мощности, перед полным статистическим моделированием рекомендуется использовать описанный выше подход для наихудшего случая.

Назад