- Следующий план представляет собой обзор и актуальное руководство по рассеиванию загрязнения воздуха:
Распространение загрязнения воздуха - распространение загрязнения воздуха в атмосферу. Загрязнение воздухапредставляет собой попадание твердых частиц, биологических молекул или других вредных материалов в атмосферу Земли, вызывающее болезни, смерть людей, повреждение других живых организмов, таких как пищевые культуры, или естественной или искусственной среды. Загрязнение воздуха может происходить из антропогенных или естественных источников. Дисперсия относится к тому, что происходит с загрязнением во время и после его внесения; понимание этого может помочь в его выявлении и контроле. Распространение загрязнения воздуха стало предметом внимания защитников окружающей среды и правительственных агентств по охране окружающей среды (местных, штатных, провинциальных и национальных) многих стран (которые приняли и использовали большую часть терминологии этой области в своих законах и постановлениях) в отношении контроля загрязнения воздуха. .
Шлейфы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу
Шлейф выбросов загрязняющих веществ в атмосферу - поток загрязняющих веществ в виде пара или дыма, выбрасываемый в воздух. Шлейфы имеют большое значение при моделировании атмосферной дисперсии загрязнения воздуха. Существует три основных типа шлейфов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу :
- Плавучие шлейфы - шлейфы, которые легче воздуха, потому что они имеют более высокую температуру и меньшую плотность, чем окружающий их воздух, или потому, что они имеют примерно такую же температуру, что и окружающий воздух, но имеют более низкую молекулярную массу и, следовательно, более низкую плотность. чем окружающий воздух. Например, выбросы из дымовых труб промышленных печей являются плавучими, поскольку они значительно теплее и менее плотны, чем окружающий воздух. В качестве другого примера, шлейф выбросов метана при температуре окружающего воздуха является плавучим, поскольку метан имеет более низкий молекулярный вес, чем окружающий воздух.
- Плотные газовые шлейфы - шлейфы тяжелее воздуха, потому что они имеют более высокую плотность, чем окружающий окружающий воздух. Шлейф может иметь более высокую плотность, чем воздух, потому что он имеет более высокую молекулярную массу, чем воздух (например, шлейф двуокиси углерода ). Шлейф также может иметь более высокую плотность, чем воздух, если шлейф имеет гораздо более низкую температуру, чем воздух. Например, шлейф испарившегося газообразного метана в результате случайного выброса сжиженного природного газа (СПГ) может иметь температуру -161 ° C.
- Пассивные или нейтральные шлейфы - шлейфы, которые не легче и не тяжелее воздуха.
Модели рассеивания загрязнения воздуха
Существует пять типов моделей рассеивания загрязнения воздуха, а также некоторые гибриды этих пяти типов: [1]
- Коробчатая модель - Коробчатая модель является самой простой из типов моделей. [2] Предполагается, что воздухораспределитель (т. Е. Заданный объем атмосферного воздуха в географическом регионе) имеет форму коробки. Он также предполагает, что загрязнители воздуха внутри бокса распределены однородно, и использует это предположение для оценки средних концентраций загрязнителей в любом месте в пределах аэродрома. Несмотря на то, что эта модель полезна, ее способность точно прогнозировать распространение загрязнителей воздуха над аэродромом очень ограничена, поскольку допущение об однородном распределении загрязнителей слишком просто.
- Гауссова модель . Гауссова модель, пожалуй, самая старая (примерно 1936 г.) [3] и, возможно, наиболее часто используемый тип модели. Предполагается, что дисперсия загрязнителя воздуха имеет гауссовское распределение , что означает, что распределение загрязнителя имеет нормальное распределение вероятностей. Гауссовские модели чаще всего используются для прогнозирования распространения непрерывных плавучих шлейфов загрязнения воздуха, исходящих от наземных или надземных источников. Гауссовские модели также могут использоваться для прогнозирования рассеивания прерывистых шлейфов загрязнения воздуха (так называемые модели затяжек ). Основным алгоритмом, используемым в гауссовском моделировании, является обобщенное дисперсионное уравнение для непрерывного факела точечного источника . [4] [5]
- Лагранжева модель - модель лагранжевой дисперсии математически следует за участками шлейфа загрязнения (также называемыми частицами), когда эти участки движутся в атмосфере, и моделируют движение участков какпроцесс случайного блуждания . Затем модель Лагранжа вычисляет дисперсию загрязнения воздуха, вычисляя статистику траекторий большого количества участков шлейфа загрязнения. Лагранжева модель использует движущуюся систему отсчета [6], когда участки перемещаются из своего первоначального местоположения. Говорят, что наблюдатель лагранжевой модели следует за шлейфом.
- Модель Эйлера - модель эйлеровой дисперсии похожа на модель Лагранжа в том, что она также отслеживает движение большого количества участков шлейфа загрязнения по мере их движения от своего первоначального местоположения. Наиболее важное различие между двумя моделями состоит в том, что модель Эйлера использует фиксированную трехмерную декартову сетку [6] в качестве системы отсчета, а не движущуюся систему отсчета. Говорят, что наблюдатель модели Эйлера наблюдает за проходящим шлейфом.
- Модель плотного газа. Модели плотного газа - это модели, моделирующие распространение шлейфов плотного газа (т. Е. Шлейфов загрязнения, которые тяжелее воздуха). Три наиболее часто используемых [ цитата ] [ сомнительно ] модели плотного газа:
- Модель DEGADIS , разработанная доктором Джерри убежищ и д - р Том Спайсер в Университете штата Арканзас по поручению от береговой охраны США и охране окружающей среды США . [7]
- Модель SLAB , разработанная Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора , финансируемой Министерством энергетики США , в ВВС США и Американского института нефти . [8]
- Модель HEGADAS разработана исследовательским подразделением Shell Oil . [9]
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу
- Типы источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу - названы в соответствии с их характеристиками
- Источники по форме - существует четыре основных формы, которые может иметь источник выбросов. Они есть:
- Точка источник - одинарный, идентифицируемый источник выбросов загрязняющих веществ в атмосфере (например, выбросы из сгорания печи дымовых газов стеки). Точечные источники также характеризуются как находящиеся на возвышенности или на уровне земли. Точечный источник не имеет геометрических размеров.
- Линейный источник - одномерный источник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (например, выбросы от движения автотранспорта по проезжей части).
- Районный источник - двумерный источник диффузных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (например, выбросы от лесного пожара , свалки или испарившиеся пары от большого разлива летучей жидкости).
- Объемный источник - трехмерный источник диффузных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. По сути, это районный источник с третьим (по высоте) измерением (например, летучие газовые выбросы от фланцев трубопроводов , клапанов и другого оборудования на различной высоте в пределах промышленных объектов, таких как нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы). Другой пример - выбросы из цеха окраски автомобилей с несколькими вентиляционными отверстиями на крыше или несколькими открытыми окнами.
- Источники по движению
- Стационарный источник - дымовые трубы являются примерами стационарных источников
- Мобильный источник - автобусы являются примерами мобильных источников
- Источники в зависимости от уровня урбанизации - независимо от того, находится ли источник в городе или нет, имеет значение, поскольку городские районы представляют собой так называемый остров тепла, а тепло, поднимающееся из городской зоны, делает атмосферу над городской зоной более турбулентной, чем атмосфера над сельской местностью
- Городской источник - выбросы находятся в городской зоне
- Сельский источник - выбросы находятся в сельской местности
- Источники по высоте
- Источник на поверхности или на уровне земли
- Приповерхностный источник
- Повышенный источник
- Источники по длительности
- Затяжка или прерывистый источник - краткосрочные источники (например, многие аварийные выбросы являются краткосрочными затяжками)
- Непрерывный источник - долгосрочный источник (например, большинство выбросов дымовых газов являются непрерывными)
- Источники по форме - существует четыре основных формы, которые может иметь источник выбросов. Они есть:
Характеристика атмосферной турбулентности
Влияние турбулентности на дисперсию - турбулентность увеличивает унос и перемешивание незагрязненного воздуха в шлейфе и, таким образом, снижает концентрацию загрязняющих веществ в шлейфе (т. Е. Увеличивает дисперсию шлейфа). Поэтому важно классифицировать количество атмосферной турбулентности, присутствующей в любой момент времени. Этот тип дисперсии зависит от масштаба. [10] Таким образом, для потоков, в которых облако загрязняющего вещества меньше, чем самые большие присутствующие водовороты, будет происходить перемешивание. Нет ограничений на размер перемешиваемых движений в атмосфере, и поэтому более крупные облака будут испытывать все более и более сильные перемешивающие движения. Следовательно, этот тип дисперсии зависит от масштаба.
Классы атмосферной устойчивости Паскуилла
Классы устойчивости атмосферы Паскуилла - старейший и в течение многих лет наиболее часто используемый метод классификации количества присутствующей атмосферной турбулентности был методом, разработанным Паскуиллом в 1961 году. [11] Он разделил атмосферную турбулентность на шесть классов устойчивости, названных A , B, C, D, E и F, причем класс A является наиболее нестабильным или наиболее турбулентным классом, а класс F - наиболее стабильным или наименее турбулентным классом.
- В таблице 1 перечислены шесть классов
- В таблице 2 представлены метеорологические условия, определяющие каждый класс. Классы устойчивости демонстрируют несколько ключевых идей. Солнечная радиация увеличивает атмосферную нестабильность из- за нагревания поверхности Земли, так что теплый воздух находится ниже более холодного (и, следовательно, более плотного) воздуха, способствуя вертикальному перемешиванию. Ясные ночи делают условия стабильными, поскольку земля остывает быстрее, создавая более стабильные условия и инверсии. Ветер увеличивает вертикальное перемешивание, разрушая любой тип расслоения и приближая класс устойчивости к нейтральному (D). [12]
Таблица 1: Классы устойчивости Паскуилла
Класс устойчивости | Определение | Класс устойчивости | Определение | ||
---|---|---|---|---|---|
А | очень нестабильный | D | нейтральный | ||
B | неустойчивый | E | немного стабильный | ||
C | немного нестабильный | F | стабильный |
Таблица 2: Метеорологические условия, определяющие классы устойчивости Паскуилла
Скорость ветра над землей | Дневное приходящее солнечное излучение | Ночная облачность | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
РС | миль / ч | Сильный | Умеренный | Незначительный | > 50% | <50% | |
<2 | <5 | А | А - Б | B | E | F | |
2–3 | 5–7 | А - Б | B | C | E | F | |
3–5 | 7–11 | B | ДО Н.Э | C | D | E | |
5–6 | 11–13 | C | CD | D | D | D | |
> 6 | > 13 | C | D | D | D | D | |
Примечание: класс D применяется к сильной облачности при любой скорости ветра днем и ночью. |
Поступающее солнечное излучение основано на следующем: сильное (> 700 Вт м -2 ), умеренное (350-700 Вт м -2 ), слабое (<350 Вт м -2 ) [13]
Другие параметры, которые могут определять класс устойчивости
Класс устойчивости можно определить также с помощью
- Температурный градиент [14]
- колебания направления ветра [14]
- Число Ричардсона [15]
- Массовое число Ричардсона [15]
- Длина Монина – Обухова [16]
Продвинутые методы классификации атмосферной турбулентности
Усовершенствованные модели рассеивания загрязнения воздуха - они не классифицируют атмосферную турбулентность с помощью простых метеорологических параметров, обычно используемых при определении шести классов Паскуилла, как показано в Таблице 2 выше. Более продвинутые модели используют теорию подобия Монина-Обухова в той или иной форме . Вот некоторые примеры:
- AERMOD [17] - самая продвинутая модель Агентства по охране окружающей среды США, больше не использует классы устойчивости Паскуилла для классификации атмосферной турбулентности. Вместо этого используется длина шероховатости поверхности и длина Монина-Обухова .
- ADMS 4 , [18] - самая продвинутая модель Соединенного Королевства , использует длину Монина-Обухова, высоту пограничного слоя и скорость ветра для классификации атмосферной турбулентности.
Разная другая терминология
- (Работа над этим разделом постоянно ведется)
- Строительные эффекты или потоки : когда шлейф загрязнения воздуха обтекает близлежащие здания или другие сооружения, на подветренной стороне здания образуются турбулентные водовороты. Эти водовороты заставляют шлейф от источника, расположенного примерно в пять раз выше ближайшего здания или сооружения, опускаться на землю гораздо раньше, чем если бы здания или сооружения не было. Эффект может значительно увеличить результирующие концентрации загрязняющих веществ на уровне земли ниже здания или сооружения. Если загрязняющие вещества в шлейфе истощаются при контакте с землей ( например , твердыми частицами ), увеличение концентрации сразу после здания или сооружения приведет к снижению концентраций дальше по течению.
- Отложение компонентов шлейфа загрязнения на подстилающую поверхность можно определить как сухое или влажное отложение:
- Сухое осаждение - это удаление газообразного или твердого материала из шлейфа загрязнения при контакте с поверхностью земли или растительностью (или даже с водными поверхностями) посредством процессов переноса, таких как абсорбция и гравитационное осаждение . Это можно рассчитать с помощью скорости осаждения , которая связана с сопротивлением подстилающей поверхности переносу.
- Влажное осаждение - это удаление компонентов шлейфа загрязнения под действием дождя. Влажное выпадение радионуклидов в шлейфе загрязнения в результате дождя часто формирует так называемые горячие точки радиоактивности на подстилающей поверхности.
- Инверсионные слои : [5] Обычно воздух у поверхности Земли теплее, чем воздух над ней, потому что атмосфера нагревается снизу, поскольку солнечное излучение нагревает поверхность Земли, которая, в свою очередь, нагревает слой атмосферы непосредственно над ней. Это. Таким образом, температура атмосферы обычно понижается с увеличением высоты. Однако при определенных метеорологических условиях могут образовываться слои атмосферы, температура в которых повышается с увеличением высоты. Такие слои называются инверсионными. Когда такой слой образуется на поверхности Земли, это называется поверхностной инверсией . Когда инверсионный слой формируется на некотором расстоянии над землей, это называется инверсией наверху (иногда называемой инверсией перекрытия ). Воздух внутри инверсии на высоте очень стабилен с очень небольшим вертикальным движением. Любой поднимающийся пакет воздуха внутри инверсии вскоре расширяется, тем самым адиабатически охлаждая до более низкой температуры, чем окружающий воздух, и пакет перестает подниматься. Любой тонущий пакет вскоре адиабатически сжимается до более высокой температуры, чем окружающий воздух, и пакет перестает тонуть. Таким образом, любой шлейф загрязнения воздуха, который входит в инверсию наверху, будет подвергаться очень небольшому вертикальному перемешиванию, если он не имеет достаточного количества движения, чтобы полностью пройти через инверсию наверху. Это одна из причин, почему инверсию наверху иногда называют инверсией кепки.
- Высота смешения : [5] Когда образуется инверсия вверху, атмосферный слой между поверхностью Земли и нижней частью инверсии вверху известен как слой смешения, а расстояние между поверхностью Земли и дном инверсии вверху известно как высота смешивания . Любой шлейф загрязнения воздуха, распространяющийся ниже инверсии наверху, будет ограничен при вертикальном перемешивании до того, что происходит под нижней частью инверсии вверху (иногда называемой крышкой ). Даже если шлейф загрязнения проникает через инверсию, он не будет подвергаться дальнейшему значительному вертикальному перемешиванию. Что касается шлейфа загрязнения, полностью проходящего через инверсионный слой наверху, это случается редко, если только источник шлейфа загрязнения не очень высокий, а инверсионная крышка не достаточно низкая.
Смотрите также
Модели рассеивания загрязнения воздуха
- ADMS 3 (Система моделирования атмосферной дисперсии) - расширенная модель рассеивания атмосферных загрязнений для расчета концентраций атмосферных загрязнителей, выбрасываемых как непрерывно из точечных, линейных, объемных и площадных источников, так и периодически из точечных источников.
- АВСТАЛЬ
- АЕРМОД
- КАНАРСКИЕ (по квесту)
- КАЛЬПУФ
- ДИСПЕРСИЯ 21
- FLACS
- ISC3
- МЕРКЮР
- НАЗВАНИЕ (модель дисперсии)
- Panache
- PHAST
- ПУФ-СЛИВА
- СИРАН
Другие
- Библиография моделирования атмосферной дисперсии
- AP 42 Сборник коэффициентов выбросов загрязнителей воздуха
- Моделирование атмосферной дисперсии
- Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части
- Полезные преобразования и формулы для моделирования рассеивания в воздухе
- Список моделей атмосферной дисперсии
- Ямартино метод
- Прогноз загрязнения воздуха
Рекомендации
- ^ Список моделей атмосферной дисперсии
- ^ Дисперсия загрязнения воздуха: фактор вентиляции доктора Нолана Аткинса, Линдонский государственный колледж
- ^ Бозанкет, CH и Pearson, JL (1936). Распространение дыма и газов из дымохода , Пер. Faraday Soc., 32: 1249.
- ^ Моделирование атмосферной дисперсии
- ^ a b c Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы диспергирования дымовых газов (4-е изд.). автор-опубликовано. ISBN 0-9644588-0-2. (Глава 8, страница 124)
- ^ a b Публикация " Особенности моделей дисперсии" Объединенного исследовательского центра Европейского Союза (JRC)
- ^ Техническое руководство и руководство пользователя DEGADIS (веб-сайт для загрузки Агентства по охране окружающей среды США)
- ^ UCRL-MA-105607, Руководство пользователя для плиты: модель атмосферной дисперсии для выбросов плотнее воздуха , Дональд Ермак, июнь 1990 г.
- ^ «Техническое справочное руководство HEGADIS» (PDF) .
- ^ Уолтон, Джон (апрель 1973 г.). «Масштабно-зависимая диффузия» . Журнал прикладной метеорологии . 12 (3): 548. DOI : 10,1175 / 1520-0450 (1973) 012 <0547: SDD> 2.0.co; 2 .
- ^ Pasquill, F. (1961). Оценка рассеивания переносимого ветром материала , Метеорологический журнал, том 90, № 1063, стр. 33-49.
- ^ Паскуилл, Ф. (февраль 1961 г.). «Оценка рассеивания переносимого ветром материала». Метеорологический журнал . 90 : 33–49.
- ^ Сайнфелд, Джон (2006). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 750. ISBN 978-0-471-72018-8.
- ^ а б «Классы устойчивости Паскуилла» . NOAA .
- ^ а б Седефиан, Леон; Беннетт, Эдвард (1980). «Сравнение схем классификации турбулентности». Атмосферная среда . 14 (7): 741–750. DOI : 10.1016 / 0004-6981 (80) 90128-6 .
- ^ [1] [ мертвая ссылка ]
- ^ «AERMOD: Описание формулировки модели» (PDF) .
- ^ ADMS 4 Описание модели разработчиками, Cambridge Environmental Research Consultants.
дальнейшее чтение
- Тернер, ДБ (1994). Рабочая тетрадь оценок атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X. www.crcpress.com
- Бейчок, Милтон Р. (2005). Основы диспергирования дымовых газов (4-е изд.). автор-опубликовано. ISBN 0-9644588-0-2.
Внешние ссылки
- Терминология моделирования рассеивания загрязнения воздуха Статья в Citizendium
- Предпочтительные / рекомендуемые модели Агентства по охране окружающей среды США (на веб-сайте Агентства по охране окружающей среды США)
- Типовая система документации (MDS) Европейского тематического центра по воздуху и изменению климата (часть Европейского агентства по окружающей среде )