Ситуационная модель загрязнения природной среды промзоны города Тараз источниками выбросов промышленных предприятий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ситуационная модель загрязнения природной среды промзоны города Тараз источниками выбросов промышленных предприятий

Омарбеков Т.,Тлебаева Г.М.

В данной статье реализован программный продукт в трехмерном пространстве в интегрированной среде Delphi 6.0, с применением программы трехмерной графики 3D Studio Max, на основе проделанных расчетов загрязнения атмосферы выбросами. Результаты могут быть внедрены в производство для анализа концентрации загрязнения атмосферы и его рассеивания. delphi studio max загрязнение атмосфера

In the given article the software product in three-dimensional space in integrated Delphi 6.0 sphere is being realized with application of the three-dimensional graphic 3D Studio Max program, on the basis of the done calculations of air- pollution by emissions. Results can be introduced into manufacture for the analysis of concentration air-pollution and its dispersion.

В результате хозяйственной деятельности человека наиболее массированно загрязняется вредными веществами воздушная среда. Воздух загрязняется различными газами, среди которых наиболее широко распространены окись углерода, сернистый ангидрид (двуокись серы) и окислы азота, парами, например, углеводородов, кислот металлов (ртути) и разнообразными пылями, имеющими органическое и неорганическое происхождение. Пыль из взвешенного в воздухе состояния (аэрозоль) имеет тенденцию к осаждению на тех или иных, в большей степени горизонтальных, поверхностях; при этом она принимает состояние аэрозолей. Однако сильные потоки воздуха и, в частности, ветра способны ее вновь привести во взвешенное состояние: происходит, как говорят, повторное вспыление. Пары имеют свойство конденсироваться, причем они также выпадают из воздуха и осаждаются на поверхности.

Естественное рассеивание газов в атмосфере способствует быстрому уменьшению концентрации по мере удаления от источника выброса. Поэтому во всем мире вредные вещества выводятся из производственных объектов обычно через дымовые или выхлопные трубы, аэрационные фонари, вентиляционные шахты и т.п., которые и называют источниками выброса.

Выбрасываемые газы и аэрозоли и перемешиваются с воздухом, что приводит к разбавлению загрязнений, т.е. к уменьшению концентрации вредных веществ. Этому также способствует самоочищение атмосферы путем сложных физико-химических процессов, наиболее простые из них - вымывание вредных веществ атмосферными осадками, седиментация пыли и т.д.

Ранее этих факторов было достаточно для сохранения чистоты воздушного бассейна, однако в связи с быстрыми темпами развития промышленности, резко увеличилось насыщение воздушного бассейна крупных промышленных центров вредными веществами промышленного происхождения. Атмосферный воздух не успевает самоочищаться, вследствие чего создается постоянный фон загрязнения. Этому способствует также загрязнение воздуха транспортом, коммунально-бытовыми и жилищными объектами.

Таким образом, несмотря на продолжавшийся в последние годы спад производств, снижение объемов загрязнений, образующихся на промышленных предприятиях и соответственно поступающих в воздух, водные объекты и почвы, не вызвало адекватного уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду.

Поэтому актуальной задачей является создание универсального метода расчета, единого для различных типов источников.

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна промзоны города Тараз являются предприятия фосфорной промышленности и других крупных предприятий - Жамбылский филиал ТОО «Казфосфат» (НДФЗ), ТОО "Химпром-2030" , Таразский филиал ТОО «Казфосфат» (Минеральные удобрения) и Гипсовый завод.

Для осуществления расчета загрязнения атмосферы вредными веществами применяются различные численные методы. Одним из численных методов осуществляющих расчет загрязнения атмосферы является метод Эйлера.

Построение математической модели. Математическая модель строится следующим образом. Представим территорию промзоны как множество Ф, содержащее i всех возможных источников загрязнения приземного слоя атмосферы. Каждый источник _iФ характеризуется вектором параметров, например, геометрическая высота, массы выбросов различных веществ, координаты центра и т.п. Введем на Ф критериальную оценочную функцию Е(). Критериальные оценки Е(_i) характеризуют уровень загрязнения приземного слоя атмосферы над рассматриваемой территорией.

Территория промзоны представляется регулярной сеткой с определенным размером ячейки. Исходя из этого расчет критериальных оценок может быть осуществлен по формуле

Е(_i) =, (1)

где p - ячейка сетки, P_q(_i) - подмножество ячеек, достижимых для источника _i по критерию q, e_q(_i,p) - вклад источника в загрязнение ячейки p по критерию q.

В критериальную функцию ситуационной модели природоохранной деятельности должны включаться показатели различных типов - выбросы в атмосферу, индекс загрязнения атмосферы региона, выпадение и вынос основных веществ выброса.

Выбросы загрязняющих веществ в единицу времени, рассчитываемые на основе анализа накопленных данных экологической обстановки в регионе, могут быть соизмеримы с помощью коэффициентов токсичности а_k и агрессивности А_k, определяющих степень негативного воздействия загрязнителей k относительно окиси углерода. В общем случае эти коэффициенты связаны соотношением

А_k = а_k⁽¹⁾ * а_k⁽²⁾ * а_k, (2)

где а_k⁽¹⁾ и а_k⁽²⁾ - поправки, учитывающие вероятность накопления загрязнителя в окружающей среде и его воздействие на различные реципиенты, для Р⁽¹⁾ и Р⁽²⁾ - предельно допустимых концентраций, учитывающих краткосрочные и длительные влияния атмосферных загрязнений на человеческий организм. Тогда суммарное поступление выбросов в атмосферу М на множестве Ф определится по формуле:

 (3)

Использование этих показателей в качестве соответствующих критериальных оценок позволяет определить достижимый уровень экологичности по отдельному компоненту выброса или их сумме.

При неблагоприятных метереологических условиях, продолжающихся в пределах 1-3 часов, концентрации вредных веществ в приземном слое атмосферы резко возрастают по сравнению с их максимальными суточными значениями. В принципе такие кратковременные воздействия не должны превышать соответствующих Р. значения приземной концентрации выброса на расстоянии от источника выброса в точке р с координатами (х, у) на регулярной сетке определяются исходя из следующих соотношений:

(4)

где А - коэффициент определяющий условия горизонтального и вертикального рассеивания в зависимости от расположения источника; M - масса выброса; F - параметр скорости оседания; m_i (i=1..3) - коэффициенты, характеризующие выход газов из источника; V - объем выброса; T - температура выброса; H - геометрическая высота источника. Для нагретых выбросов используется первое соотношение, а для холодных - второе, тогда в точке р (х, у) концентрация выброса равна

(5)

где S₁= и S₂= задают снижение концентрации при отклонении от точки максимума выброса. Здесь , где - скорость выхода выброса.

Таким образом, зона загрязнения для источника - это сектор круга радиусом r (с наветренной от источника стороны при х<0 концентрация равна нулю). Наглядное изображение описанных математических выкладок приведено на рис.1.

Рисунок 1

Для точки р регулярной сетки на множестве Ф концентрация выброса к составит

(6)

Исходя из этого, индекс загрязнения, являющийся одновременно элементом критериальной функции Е() можно рассчитать по формуле:

(7)

Отсюда, если ,то состояние воздушного бассейна промзоны относительно выброса к удовлетворительное.

Для решения уравнения воспользуемся конечно-разностной аппроксимацией частных производных первого и второго порядка по переменным x, y и z. Для этого введем в пространстве XYZ кубическую сетку с узлами (x_i,y_j,z_k) , i,j,k = 1,2,...,N, а значение концентрации в узлах обозначим через c_ijk = c(x_i,y_j,z_k). Тогда в узлах сетки уравнение можно аппроксимировать следующей системой обыкновенных дифференциальных уравнений [1, 2]:

,

i, j,k = 2,3,...,N-1,

и

где:

h_x , h_x , h_x - шаги итерации соответственно по координатам x,y,z ,

b - коэффициент диффузии;

_x , _y , _z - скорость по пространственным координатам x,y,z.

Краевые условия задаются формулами для граничных точек с(x₁, x_i, x_j) = с(x_i, x₁, x_j) = с(x_N, x_i, x_j) = с(x_i, x_N, x_j) = с(x_i, x_j, x_N) = 0 , i,j = 1,2,...,N, t > t₀ .

Так как источник выброса (труба) предполагается точечным, то начальные условия в момент времени t₀ зададим в следующем виде

где (i₀, j₀, k₀) - узел, в котором предполагаем местоположение источника.

Получившуюся систему обыкновенных дифференциальных уравнений решим методом Эйлера, вследствие чего получим значение концентрации в узлах сетки для требуемого момента времени t.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1. Характеристики района

Таблица 2. Расчетные скорости ветра

Таблица 3. Параметры расчетного прямоугольника

Таблица 4. Параметры источников

В меню "Результаты расчета" осуществляется расчет загрязнения атмосферы выбросами. Результаты расчета отображаются в трехмерном пространстве с применением метода Эйлера.

Рисунок 2

В данном окне вводятся все необходимые параметры для расчета, затем при нажатии копки "Расчет", выводится сообщение о форме выдачи результатов. У пользователя возникает следующий выбор форм выдачи результатов: 3D-график, 2D- график и в табличной форме. При выборе 3D-графика производится расчет и с помощью метода сеток выводится следующий результат.

Рисунок 3

По исходным данным промышленных производств города Тараз рассчитываем концентрации и на рисунке 4 представлена карта рассеивания суммирующих воздействии вредных веществ промзоны.

Рисунок 4. Карта рассеивания

Список используемой литературы

Марчюк Г.И. "Математическое моделирование в проблеме окружающей среды",1998г.

Бызова Н.Л. "Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в атмосфере". Москва, "Гидрометеоиздат", 1993г.

Размещено на Allbest.ru