CC BY
22
© А.А.Быков, Е.Л.Счастливцев, С.Г.Пушкин, 2013
УДК 551.511.61
А.А. Быков, Е.Л. Счастливцев, С.Г. Пушкин
МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ВЫПАДЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ УГЛЕДОБЫЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ УТОЧНЕНИЯ ЕЕ ПАРАМЕТРОВ
Дан обзор работ авторов по созданию и использованию локальной модель расчета выпадения промышленной пыли. Обсуждаются вопросы влияние входных данных, метод восстановления дисперсного состава суммарного выброса. Показаны направления совершенствования модели в плане уточнения ее параметров на основе данных акустического метеокомплекса.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы, моделирование выпадения частиц, дисперсный состав, параметры турбулентности.
Введение
Согласно санитарной классификации предприятия по добыче угля открытым способом (разрезы) относятся к 1-му классу опасности. И с момента выхода документа [1] появилось требование о том, что при установлении санитарно-защитной зоны для таких предприятий необходима оценка рисков для здоровья населения.
При расчете острых рисков необходимо вычисление максимальных разовых (средних за 20 минут) концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) [2]. Для этого в нашей стране используется нормативная модель расчета разовых концентраций ОНД-86 [3], разработанная в Федеральном государственном бюджетном учреждении "Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова" (ФГБУ ГГО).
Хронические и канцерогенные риски при вдыхании вычисляются исходя из среднегодовых концентраций ЗВ [2]. Для этой цели в ФГБУ ГГО разработана в качестве дополнения к ОНД-86 нормативная модель расчета концентраций, осред-ненных за длительный период [4,5].
Компьютерные программы, реализующие [3,5], допускаются к нормативным расчетам только при наличии положительного заключения ФГБУ ГГО.
Рассмотренные выше документы относятся только к концентрациям ЗВ в атмосфере и не рассматривают вопросы поступления ЗВ из атмосферы в объекты, расположенные на земной поверхности. Сложившаяся в настоящее время практика расчета острых, хронических и канцерогенных рисков для здоровья населения ограничивается воздействием атмосферного загрязнения. Однако руководство [2] предполагает оценку риска с учетом всех путей поступления ЗВ в организм человека. Таким образом, изучение процессов вторичного поступления ЗВ из атмосферы в почву, воду и продукты питания требует разработки соответствующих расчетных моделей и систем обеспечения этих моделей исходными данными. Кроме того, расчет выпадения пыли дает основу для уточнения расчетов концентраций, поскольку в процессе движения пылевого факела позволяет вычислить общее количество осевших частиц, которые не участвуют в загрязнении воздуха на больших расстояниях.
Модель расчета выпадения техногенной пыли
Авторами разработана и доведена до практического использования локальная долгосрочная модель расчета выпадения пылевых частиц на подстилающую поверхность. Модель программно реализована и встроена в состав широко используемого для нормативных расчетов загрязнения атмосферы в Сибирском регионе программного комплекса "ЭРА" (www.logos-plus.ru). Это позволяет использовать накопленные в форматах данного комплекса исходные данные для научных исследований, не входящих в состав регламентированных нормативными документами проектных работ.
Построение модели, основные соотношения и первые результаты по сравнению с данными экспериментальных наблюдений представлены в [6]. В работе авторов [7] проведен обзор литературных источников по дисперсному составу пылевых выбросов, сопровождающих основные процессы угледобычи. Далее в [8] начаты работы по исследованию влияния различных составляющих модели на результаты вычислений. В результате обработки результатов стандартных наблюдений с некоторых метеостанций Кемеровской области за несколько лет (данные взяты с сайта www.rp5.ru) проведена оценка [9] влияния годовой изменчивости метеопараметров на результаты расчетов выпадения пылевых частиц от типичного карьерного отвала.
Там же показано, что из всех входных данных наибольшее влияние (в 2-3 раза и более) на результаты моделирования оказывает задание дисперсного состава суммарного выброса.
В таблице приведены три варианта дисперсного состава тп1, тп2, тп3, п=1,...,5, выброса отвала. Распределение 1 дает скорости выпадения Vdn
Варианты дисперсного состава выброса отвала
Номер фракции, п 1 2 3 4 5
Размер частиц, /т <1 1-10 10-50 50-100 >100
Скорость осаждения, Уб„, м/с 0.001 0.007 0.04 0.15 0.5
Распределение 100тп1,% 1, 20 47 22 8 3
Распределение 100тп2,% 2, 15 40 30 10 5
Распределение 100тпз,% 3, 50 30 18 2 1
для действующего отвала (работа техники и сдувание), взятые из [7]. В распределении 2 количество крупных частиц несколько увеличилось (поверхность отвала более интенсивно обрабатывалась горной техникой). В распределении 3, напротив, преобладают мелкие частицы, например, когда на отвале не работает техника, а основной механизм образования частиц есть сдувание. Суммарный выброс М (г/сек) предполагается неизменным.
На рисунке (слева) изолинии расчетного суммарного сухого выпадения пыли Рс (г/м2) за зиму, в окрестности отвала с распределением 1 (роза ветров для метеостанции Белово, Кемеровская область). В правой части рисунка показано влияние изменения распределения выброса по размерам частиц тп на результаты расчета по линии на север от центра источника. Нетрудно заметить, что результаты могут меняться в 3 раза. Это показывает, что задание дисперсного состава требует повышенного внимания и определенных исследований по его определению.
В частности, для неорганизованных источников (отвалы), для которых непосредственное измерение дисперсного состава выброса является весьма неопределенным, представляется
(771 - Источник
Рс, г/м2
Распределение 1 Распределение 2 Распределение 3
500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
300 1000
Расстояние, м
Изолинии сухого выпадения Рс (г/м2) за зимний период 2008-2009 в окрестности плошгшного источника (слева) и влияние дисперсного состава выброса с распределениями из таблицы на результаты расчетов по линии на север (IV) от центра источника (справа)
перспективным восстановление этого состава по данным краткосрочных замеров суммарного осаждения пыли вдоль линии ветра, как это сделано в работе авторов [10]. Там предполагалось, что проведен эксперимент, в результате которого удалось измерить суммарное по всем фракциям частиц количество осевшей пыли Ре1,Ре2,Ре3 в нескольких точках xj, x2, x3 и т.д. по оси факела с подветренной стороны от источника. Далее дисперсный состав подбирается (или находится из системы линейных уравнений) по наилучшему соответствию расчетного Рс1,Рс2,Рс3 и измеренного Ре1,Ре2,Ре3 выпадения пыли в смысле метода наименьших квадратов [10]
^ (P- Peif * min. (1)
i
В условии (1) Pci = ^^ Pcn есть сумма по всем N фракциям
n
(в таблице N =5) расчетного выпадения PС для n-ой фракции частиц.
Уточнение парамеров задачи по актуальным метеоданным
При восстановлении дисперсного состава по данным о суммарном выпадении на планшеты предполагается, что за время T, (с) (порядка 1 часа) метеопараметры известны и остаются неизменными. Тогда на оси факела (y=0) в точке Xj проведения замера можно записать для частиц каждой n-ой фракции
РП = Pcn () = T xVdn x
xC(mnM, x; ,U(He),Dy (xt),Dz(xt,z),Vgn), ( )
где C - средняя за время T приземная концентрация; М - суммарный выброс; U(He) - скорость ветра на высоте z, равной эффективной высоте источника Не; Dy, Dz - горизонтальный и вертикальный коэффициенты диффузии в поперечном ветру направлении; Ц^-скорость гравитационного осаждения частиц n-ой фракции; Vdn скорость выпадения частиц n-ой фракции на поверхность. Концентрация С вычисляется с использованием одной из стационарной краткосрочных моделей: ОНД-86; га-уссовского типа; гидродинамической с уравнениями движения и турбулентной диффузии (решается численно). Сравнение мо-
делей входит в перечень первоочередных задач дальнейших исследований.
С 2012 года авторы имеют возможность измерять метеопараметры с использованием акустического передвижного метеокомплекса АМК-03 (www.imces.ru). В плане обеспечения расчета (2) АМК-03 измеряет следующие параметры: проекции скорости ветра; направление ветра; температуру; давление; влажность; плотность воздуха. Кроме того, комплекс вычисляет параметры турбулентности: и* - скорость трения; Ь - масштаб Монина - Обухова; Н - вертикальный поток тепла. Тем самым предоставляется возможность уточнить параметры задачи (1), (2). Во-первых, найти профиль скорости ветра Ц(г) и вертикальный коэффициент диффузии К(г) в зависимости от Ь и и*, как это предлагается, например, в [11]. Использовать реальную плотность и динамическую вязкость воздуха в формуле Стокса, по которой вычисляется Vgn. Используя подход, предложенный в [12] и опробованный в нормативных моделях США (1БС-3, ДЕИМОЭ), найти скорость выпадения Vdn по эмпирической формуле
=-1-+ у^,
Ка + Кр +
где Ка= Иа(и*,Ь,г0) - аэродинамическое сопротивление; Кр= Ир(и*,Ь,ш*^) - сопротивление квазиламинарного подслоя; г0 -параметр шероховатости [11], ш* - масштаб конвективной скорости (не выдается комплексом АМК-03, но может быть вычислен по потоку тепла Н и высоте конвективного пограничного слоя Zc [12]); V - кинематическая вязкость воздуха.
Таким образом, для решения задач восстановления дисперсного состава выбросов неорганизованных источников угледобычи, надо оценить суммарный выброс, определить плотность частиц пылящего материала, задать количество фракций N и начальный дисперсный состав тп0 (п=1,...,М). Данные мобильного комплекс АМК-03, в сочетании с законами зависимостей параметров пограничного слоя атмосферы, позволяют достаточно обоснованно вычислить профили скорости ветра Ц(г) и коэффициента диффузии Ог(г), скорости гравитационного осаждения скорости выпадения частиц различных размеров Vdn на подстилающую поверхность.
Заключение
В работе представлен краткий обзор предыдущих статей авторов, посвященных разработке, апробации, верификации и исследованию чувствительности локальной долгосрочной модели расчета выпадения промышленной пыли. В связи со значительным влиянием на результаты моделирования входных данных о дисперсном составе выброса пыли, и отсутствием достоверной информации о нем для процессов угледобычи рассмотрена задача восстановления дисперсного состава по экспериментальным данным. Показано, что привлечение измеряемых и вычисляемых метеоданных передвижного комплекса АМК-03 позволяет существенно повысить обоснованность параметров задачи восстановления дисперсного состава выброса и, как следствие, внести большую определенность в расчеты долговременного пылевого загрязнения наземных экосистем в окрестностях предприятий открытой добычи угля.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03 с изменением №1 СанПиН 2.2.1./2.2.1-2362-08 0т 10 апреля 2008 г., N 25. "Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов". М., 2008.
2. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду 2.1.10.1920-04. Москва, 1994-163с.
3. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометео-издат, 1987.-92с.
4. Генихович Е.Л., Берлянд М.Е., Грачева И.Г. и др. Оперативная модель расчета концентраций, осредненных за длительный период. -Труды ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 549, С-Пб.: Гидрометеоиздат. - с. 11-31.
5. Методика расчета осредненных за длительный период концентраций выбрасываемых в атмосферу вредных веществ (дополнение к ОНД-86). - СПб.: ГГО им. А.И.Воейкова, 2005.
6. Быков A.A., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г., Климович М.Ю. Разработка и апробация локальной модели выпадения загрязняющих веществ промышленного происхождения из атмосферы на подстилающую поверхность. -Химия в интересах устойчивого развития. - Том 10, No 5, 2002.- С. 563-573.
7. Быков A.A., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г., Смирнова О.Б. Моделирование загрязнения почвы атмосферными выбросами от промышленных объектов угледобывающего региона. - Ползуновский вестник. №2, 2006. -с.209-217.
8. Быков A.A., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г. Особенности построения и практического применения локальной модели загрязнений почвы техногенными выбросами пылевых частиц / Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2007. - № 4. - С. 74-82.
9. Быков A.A., Счастливцев Е.Л., Пушкин С.Г. Влияние изменчивости метеорологических параметров и дисперсного состава атмосферных выбросов на модельные оценки осаждения промышленной пыли. Вестник Кемеровского государственного университета №4 (52) Т.2. - Кемерово, 2012.-
10. Быков A.A., Захаров М.Ю., Счастливцев Е.Л. Об одном методе восстановления параметров выбросов в атмосферу от пылящего неорганизованного источника. - Вестник Кемеровского государственного университета №4 (52) Т.2. - Кемерово, 2012.-с.17-21.
11. Положение о повышении точности прогностических оценок радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды и дозовых нагрузок на персонал и население» (РБ-053-09). - Утверждено приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 8 июня 2010 г. № 465. - М. 2010.
12. Wesely, M.L, P.V. Doskey, and J.D. Shannon, 2001: Deposition Parameterizations for the Industrial Source Complex (ISC3) Model. Draft ANL report ANL/ER/TM-nn, DOE/xx-nnnn, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois 60439. EE
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Быков Анатолии Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории моделирования геоэкологических систем, Кемеровский филиал ИВТ СО РАН, [email protected] Счастливцев Евгений Леонидович - доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования геоэкологических систем, Кемеровский филиал ИВТ СО РАН, [email protected]
Пушкин Сергей Григорьевич - кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории моделирования геоэкологических систем, Кемеровский филиал ИВТ СО РАН [email protected]
с.10-16.
