«Расчет загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника»

Цель работы:
Целью данной работы является проведение анализа загрязнения некоторой площади выбросами одиночного источника. А так же обзор существующих на сегодняшний день программ по расчету загрязнения.

Описание источников:

В ходе работы я ознакомилась с несколькими интересными источниками. Одним из них является сайт Евроазиатского транспортного союза, на котором представлен сборник статей, подготовленных к третей международной евроазиатской конференции по транспорту. В статье «Программные средства оценки воздействия транспортных средств на окружающую среду» приведен сравнительный анализ большого количества компьютерных программных средств, направленных на оценку воздействия различных источников загрязнения, в том числе и транспорта на окружающую среду и используемых при разработке и сопровождении различных инвестиционных проектов, в том числе и транспортных, а также для принятия управленческих решений. Помимо статей приведен перечень компьютерных имитирующих систем, используемых для оценки воздействия на окружающую среду. В основе всех указанных программных продуктов лежат методические подходы Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) и национальные методические рекомендации по оценке воздействия на окружающую среду инвестиционных проектов. Ознакомившись с этим сайтом можно сделать вывод, что существующие в настоящее время программные средства оценки воздействия на окружающую среду (EIS) можно разделить на две основных группы:
системы быстрой оценки состояния окружающей среды (СБО);
системы поддержки принятия решений (СППР).
Системы быстрой оценки была разработана ВОЗ в начале 80-х годов для установления приоритетов решения различных проблем, связанных с загрязнением атмосферы, воды, воздуха и загрязнением опасными отходами. Программы позволяют:
определить нагрузки загрязнения в конкретных местах;
установить приоритеты борьбы со стандартными загрязняющими веществами в различных регионах;
определить виды деятельности, приводящие к наибольшему загрязнению;
выбрать меры борьбы с загрязнением.
Системы поддержки принятия решений появились в начале 90-х годов. В этих системах увеличено число анализируемых загрязняющих веществ до более, чем 200; внедрены возможности сравнительного географического анализа нагрузок и концентраций загрязнения; осуществлен принцип сравнения с нормативами и стандартами в отношении большинства загрязняющих веществ; внедрена система определения приоритетов на основании вреда для здоровья; разработаны базы данных по стоимости технологий борьбы с загрязнением, а также по алгоритмам анализа затрат, связанных с альтернативными технологиями снижения и борьбы с загрязнениями. Так же на сайте приведено описание программных пакетов оценки загрязнения окружающей среды с описанием, требованиями к программным и техническим средствам, назначением и областью применения. На сайте www.infars.ru приводиться описание новой разработки унифицированной программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) «Эколог" позволяющая рассчитать приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосфере в соответствии с "Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий (ОНД-86)". УПРЗА "Эколог" (версия 3.0) является принципиально новой разработкой с использованием последних технологий программирования. Пользователям предлагаются три варианта комплектации программы:
УПРЗА "Эколог" Базовый - базовый вариант программы.
УПРЗА "Эколог" Стандарт. Обладает дополнительными возможностями графического блока по работе с различными форматами ГИС: AUTOCAD (*.DXF), MapInfo (MID/MIF), ArcInfo (*.SHP).
УПРЗА "Эколог" Газ. Обладает всеми возможностями УПРЗА "Эколог" Стандарт и дополнительной возможностью расчета концентраций от источников со скоростью выхода газовоздушной смеси от 150 до 500 м/с (магистральные газопроводы, газокомпрессорные станции). Для таких источников применяются формулы "Отраслевой методики расчета приземной концентрации загрязняющих веществ, содержащихся в выбросах компрессорных станций магистральных газопроводов". Каждый из трех вариантов может быть укомплектован дополнительным расчетным блоком с возможностью учета застройки при расчетах рассеивания (реализовано Приложение 2 к ОНД-86).
На сайте www.mapmakers.ru приведена таблица типов загрязняющих веществ, их основные источники и рекомендуемые параметры расчета.
Ознакомившись с этим сайтом я подумала о том, что возможно разработать программу, которая бы графически показывала результаты проведенных расчетов звгрязнения атмосферы и сравнивала бы с ранее полученными результатами. Для наглядности программа могла бы чертить графики, полученные результаты принесли бы пользу при изучение динамики изменения атмосферы
По данным, найденным в Интернете и среди научной литературы, я ознакомилась со следующими типами программ:
1. Мезо-масштабная (50-100км) оперативная модель для оценки и / или прогноза последствий аварийных выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и краткосрочного прогноза (аварии на атомных станциях, крупные пожары на промпредприятиях, аварии на химических предприятиях или при транспортировке опасных веществ). Модель предназначена также для прогнозирования экологически опасных ситуаций вблизи крупных источников (включая интенсивные транспортные потоки), возникающих вследствие неблагоприятной метеообстановки (например, возникновение смога в больших городах).
2. Мезомасштабная (50-100км) модель для оценки и / или прогноза экологических последствий и воздействия на здоровье населения непрерывных (многолетних) выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и климатологических данных. Может использоваться в частности для планирования и оптимизации взаимного размещения жилых массивов, транспортных потоков и предприятий, а также для оценки долговременных последствий крупных аварий и неконтролируемых сбросов опасных веществ (например, “ползучее” загрязнение от свалок или распространение ранее выпавших радиоактивных веществ).
3. Региональная модель (500км и более) для оценки и / или прогноза последствий аварийных выбросов в атмосферу опасных веществ на основе текущей метеоинформации и краткосрочного прогноза (аварии на атомных станциях, крупные пожары на промпредприятиях, аварии на химических предприятиях или при транспортировке опасных веществ), а также расчетов фонового и систематического межрегионального загрязнения с привлечением многолетних архивов метеоданных.
Все модели включают в себя трехмерные расчеты распространения примесей, а также их физико-химических превращений в атмосфере и при необходимости на подстилающей поверхности. При долговременных расчетах учитывается повторный ветровой подъём вещества с земной поверхности. Еще один источник, который следует отметить – сайт www.logos-plus.ru, на котором есть раздел вопрос/ответ, где можно задать интересующие вопросы по данной тематике.
Постановка задачи на основе полученной ипформации
На основе полученной информации целью моей работы стало описание математического аппарата и изучение методики выброса. А так же описание наиболее распространенных на сегодняшний день программных средств оценки воздействия загрязнения на окружающую среду.

Методика расчета загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника.

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества См при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника определяется по формуле:
CM=(AMFmn?)/(H2vV1?Т)
Где А – коэффициент зависящий от температурной стратификации атмосферы; М(г/с)- масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени; F- безразмерный коэффициент , учитывающий скорость, оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; m и n – коэффициенты, учитывающие условия выходагазовоздушной смеси из устья источника выброса над уровнем земли; ? - безразмерный коэффициент учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, н=1; ?Т (оС) –разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Тг и температурой окружающего атмосферного воздуха Тв ; V1 (м3/с) – расход газовоздушной смеси, определяемый по формуле: Где D(м)- диаметр устья источника выброса; w0 (м/с)-т средняя скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса.
Значение коэффициента А, соответствующее неблагоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе максимальна. При определение значения ?Т следует принимать температуру окружающего атмосферного воздуха Тп , равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца года по СНиП 2.01.01-82, а температуру выбрасываемой в атмосферу газовоздушной смеси Тг – по действующим для данного производства технологическим нормативам. Значение безразмерного коэффициента F принимается:
а) для газообразных вредных веществ и мелкодисперсных аэрозолей (пыли, золы и т.п., скорость упорядоченного оседания которых практически равна нулю)-1
б) для мелкодисперсных аэрозолей (кроме указанных в п.(а)) при среднем эксплуатационном коэффициенте очистки выбросов не менее 90%-2; от 75 до 90%-2.5; менее 75% и при отсутствии очистки-3.
Значение коэффициента m и n определяются в зависимости от параметров f, vM ,v’M и fe:
f= 000(?20D/H2?Т)
vM= 0,65 3v(V1?Т/H)
v’M= 1,3 (?0D/H)
fe= 800(v’M)3
Коэффициент m определяется в зависимости от f.
Для fe< f <100 значение коэффициента m вычисляется при f= fe.
Коэффициент n при f <100 определяется в зависимости от vM.
Для f ?100 (или ?Т?0 ) и v’M ? 0,5 (холодные выбросы) при расчете сМ используется формула:
CM= (AMFn?/H?)К
Где
К=D/8V1
Аналогично при f <100 и v’M < 0,5 или f ? 100 и v’M < 0,5 (случай предельно малых опасных скоростей ветра) расчет сМ производится по формуле:
CM= AMFm?/H?
Где m’=2,86 m при f <100 и v’M < 0,5
m’=0,9 при f ? 100 и v’M < 0,5
Расстояние xM (м) от источников выбросов, на котором приземная концентрация с (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях достигает максимального значения CM, определяется по формуле:
xM= (5-F/4)dH
где безразмерный коэффициент d при f <100 находится по формулам:
d=2,48(1+0,28 3v fe) при vM?0,5
d=4,95 vM(1+0,28 3v fe) при 0,5< vM?2
d= 7v vM(1+0,28 3v fe) при vM>2
При f >100 или ?Т?0 значение d находится по формулам
d=5,7 при vM?0,5
d=11,4 vM при 0,5< vM?2
d= 16vvM при vM>2
Значение опасной скорости uМ (м/с) на уровне флюгера (обычно 10м от уровня земли), при которой достигается наибольшее значение приземной концентрации вредных веществ CM, в случае f <100 определяется по формулам:
uМ= 0,5 при vM?0,5
uМ = vM при 0,5< vM?2
uМ= vM(1+0,28 v fe) при vM>2
При f ? 100 или ?Т?0 значение uМ вычисляется по формулам:
uМ= 0,5 при vM?0,5
uМ = vM при 0,5< vM?2
uМ= 2,2 v’M при vM>2
Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества смu (мг/м3) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра u (м/с), отличающейся от опасной скорость ветра uМ (м/с), определяется по формуле:
смu= rсM
где r – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения u/uМ по формулам:
r= 0,67(u/uМ)+ 1,67(u/uМ)2- 1,34(u/uМ)3 при u/uМ?1
r=3(u/uМ)/(2(u/uМ) 2-(u/uМ)+2) при u/uМ>1
Расстояние от источника выброса xмu (м), на котором при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения смu (мг/м3), определяется по формуле:
xмu= pxм
где p безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/uМ по формулам:
p= 3 при u/uМ ?0,25
p = 8,43(1- u/uМ)5 при 0,25< u/uМ ?1
p= 0,32 u/uМ+0,68 при u/uМ >1.
Для каждого источника радиус зоны влияния рассчитывается как наибольшее из двух расстояний от источника x1 и x2 , где x1 =10 xм, а величина x2 определяется как расстояние от источника, начиная с которого с?0,05 предельно допустимой концентрации.
Это основной принцип расчета загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника. Теперь перейдем к рассмотрению программных средств оценки воздействия загрязнения на окружающую среду.

Описание программных средств оценки воздействия загрязнения на окружающую среду.

В последнее время в России получили распространение несколько компьютерных имитирующих систем, используемых для оценки воздействия на окружающую среду при разработке и сопровождении различных инвестиционных проектов. Я хотела бы рассмотреть лишь некоторые из них.

ПРОГРАММА "CALYX"

Программа оценки воздействия на окружающую среду (EIS) "Calyx" принадлежит ко второму поколению экспертных систем. Программа позволяет определить потенциальное воздействие проекта на окружающую среду; разработать несколько сценариев развития проекта, сравнить воздействие на окружающую среду в каждом случае и предложить рекомендации по компенсации или уменьшению этого воздействия, требуемые мероприятия по мониторингу воздействия и выработать наиболее грамотное решение. Программа позволяет выполнить все стадии анализа проекта, начиная с ввода данных о территории, на которой планируется воплощение проекта и описания планируемых действий, и заканчивая подготовкой итоговых отчетов.
Основные преимущества программы:
Последовательность. При анализе всегда и одинаковым образом применяется один и тот же набор правил.
Эффективность. Стандартная методика ввода данных и дружественный интерфейс способствуют ускорению процедуры анализа.
Полнота охвата. Возможность того, что важные аспекты потенциального воздействия планируемой деятельности или возможности по их уменьшению будут упущены, сводится к минимуму.
Полное документирование процесса. Способствует принятию обоснованных и последовательных решений.
Образовательный эффект. "Calyx" знакомит недостаточно подготовленного пользователя с процессом оценки воздействия, основанном на стандартной методике ввода данных, разработанной при помощи экспертов. Таким образом пользователь приобретает достаточный опыт и уверенность в своих силах и получает возможность сконцентрировать свои знания и опыт на существенных вопросах, возникающих в процессе анализа проекта.
Система функционирует в среде Windows95 и на персональных компьютерах с процессором Р-120 и выше.

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ РЕШЕНИЙ ПО БОРЬБЕ С ПРОМЫШЛЕННЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ (IPC)
Программа контроля за промышленным загрязнением (IPC) разработана для удовлетворения разнообразных оперативных и исследовательских потребностей специалистов Всемирного банка в области экологии и промышленного развития при работе в развивающихся странах и других регионах мира.
Система включает в себя функциональные модули, которые в зависимости от получаемых результатов можно разбить на четыре основные группы:
1. База данных о нагрузках загрязнения, распределенных географически по средам поступления;
2. Оценка концентраций загрязнения окружающей среды;
3. Определение основных загрязняющих веществ, их основных промышленных источников, имеющихся мер и технологий борьбы с ними;
4. Стоимость альтернативных мер и технологий борьбы по типам загрязняющих веществ, процессов, вызывающих загрязнение, а также перечень эффективных мер борьбы, примененных по отношению к конкретным процессам и загрязняющим секторам.
Имеет следующие модели для расчета:
выбросов (сбросов) загрязнителей в атмосферу, водные объекты и твердых отходов на основе данных о производстве в данном районе;
концентраций загрязнителей в воздухе и водоемах;
приведенных и предельных затрат на противозагрязняющие мероприятия.
Интерфейс простой и удобный, рассчитанный на широкий круг пользователей.
Комплекс функционирует в среде Windows и на персональных компьютерах с процессором 386 и выше.

ПРОГРАМНЫЕ СРЕДСТВА ОЦЕНКИ И АНАЛИЗА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ
Предлагается комплекс программ для анализа и оценки экологического состояния территории, объединяемых в систему интегрированной программной оболочкой.
Программа позволяет:
проводить ранжирование массива возможных вариантов решения исследуемой проблемы или сравнивать их попарно;
выполнять многокритериальный анализ вариантов;
формировать подмножества предпочтительных вариантов (оптимальных по Парето);
учитывать компетентность экспертов;
формировать базы данных "Эксперты" и "Результаты экспертизы";
строить графические диаграммы.
Программа содержит функции администратора, имеет редактор для получения итогового документа с автоматическим включением информации по проводимой экспертизе, удобный интерфейс" систему контекстно-зависимой помощи, ориентированную на пользователя с минимальным опытом работы па компьютере.
Программное обеспечение создано на языке Паскаль с использованием объектно-ориентированных библиотек Turbo-Vision для эксплуатации в среде MS-DOS или Windows.

"МАГИСТРАЛЬ". ПРОГРАММА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ АВТОТРАНСПОРТА НА ГОРОДСКИХ МАГИСТРАЛЯХ
Программа предназначена для расчета величин выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками при движении автомобилей по городским магистралям.
Программа реализует "Методику расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях", Москва, НИИАТ, 1997.
Учитывается выброс загрязняющих веществ:
оксид углерода; углеводороды; оксиды азота; твердые частицы (сажа); диоксид серы; соединения свинца (для городов, где используется этилированный бензин).
Программа снабжена подробной помощью.
Программа может быть использована природоохранными и контролирующими организациями, а также организациями градостроительного и транспортно-дорожного профиля. Не реализована.

"ДИЗЕЛЬ" ПРОГРАММА РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ОТ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Программа "ДИЗЕЛЬ" предназначена для расчетов величин максимально-разовых и валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок.
Программа основана на "Рекомендациях по расчету выбросов от стационарных дизельных установок", Ленинград, 1988.
Расчет может проводиться по разным исходным данным:
по данным документации; по измерениям с использованием различных расчетных формул в зависимости от наличия газоочистки, известных значений удельных выбросов и т. п.; оценочный расчет по удельным выбросам. Расчет выбросов производится для следующих веществ: окислы азота; окись углерода; сернистый ангидрид; углеводороды; акролеин; формальдегид; сажа.
Программа содержит справочные таблицы:
по выбрасываемым вредным веществам;
по дизелям (заполняемый пользователем).
Перед расчетом задается расход топлива дизелем на каждом режиме.
Результатом работы программы является отчет с величинами максимально-разовых и валовых выбросов вредных веществ.

УПРЗА "ЭКОЛОГ", Версия 2.х УНИФИЦИРОВАННАЯ ПРОГРАММА РАСЧЕТА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
Назначение и область применения.
Программа предназначена для расчета величин концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Программа позволяет по данным об источниках выброса примесей и условиях местности рассчитывать разовые (осредненные за 20-30 минутный интервал) концентрации примесей в приземном слое при неблагоприятных метеорологических условиях.
Основные возможности программы
Вредные вещества и группы суммации. Рассчитываются приземные концентрации как отдельных веществ, так и групп веществ с суммирующимся вредным действием. Предусмотрена также возможность занесения "суммы взвешенных веществ" - группы суммации пылей с ПДК 0,5 мг/м3. Количество веществ и групп суммации в одном расчете не ограничено.
Типы источников выброса. В расчетах могут быть учтены нагретые и холодные выбросы точечных, групп точечных, линейных и неорганизованных источников с выбросом, направленным вертикально или горизонтально.
Варианты параметров источников. Каждый источник выбросов может иметь несколько вариантов исходных параметров, что позволяет более гибко подходить к вопросам проектирования и планирования мероприятий.
Учет фоновых концентраций. Учитываются фоновые концентрации веществ, дифференцированные по скоростям и направлениям ветра и по расположению постов наблюдений за фоном.
Определение нормативных санитарно-защитных зон. Имеется возможность определения нормативных санитарно-защитных зон предприятия, а также задания охранных и производственных зон.
Занесение карты-схемы предприятия. Встроенный редактор позволяет занести и редактировать карту-схему предприятия и местности, на которую будут нанесены результаты расчета рассеивания.
Входные данные.
Исходные данные по предприятию для проведения расчета рассеивания вредных веществ.
Выходные данные.
Выдаются значения приземных концентраций в расчетных точках в мг/м3 или в долях ПДК. Результаты расчетов в графическом и табличном виде.
Выдаются карты изолиний приземных концентраций вредных веществ на местности. Печать карт рассеивания может производиться как на принтер, так и в файл в любом задаваемом масштабе.
Требования к техническим средствам.
Минимальный объем свободной оперативной памяти (ниже 640 кбайт) - полный объем памяти 8 Мбайт, минимальный объем свободной дисковой памяти - 16 Мбайт, операционная система (среда) - Windows '95, тип процессора - от 486, минимальные требования к видеокарте - VGA и выше.
Требования к программным средствам.
Операционные системы MS-DOS и Windows 9x/NT/2000/Ме в сеансах MS-DOS, MS Word, MS Excel.
Возможность одновременной работы в локальной сети нескольких пользователей. Не реализована.
Использованные нормативные документы.
ОНД-86 "Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий".
Это лишь небольшая часть имеющихся на сегодняшний день программных пакетов.

Вывод
Ознакомившись с методикой расчета загрязнения атмосферы выбросами одиночного источника и с программными средствами оценки загрязнения атмосферы, я пришла к выводу, что практически все имеющиеся на сегодняшний день программные пакеты основаны на методике расчетов приведенных в ОНД-86.
Так же следует отметить, что из всех рассмотренных систем рекомендуется применять при анализе проектов с международным участием систему Всемирного Банка Decision Support System for Industrial Pollution Control (DSS IPC) или систему "Calyx". Все остальные системы можно использовать только в справочных и исследовательских целях из-за отсутствия необходимой сертификации.