LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 3
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

• определение эффективной высоты выброса с помощью выражений для
подъема шлейфа;
• определение коэффициентов турбулентности на заданном расстоянии
из графиков или формул в соответствии с моделью, которую можно вы-
брать в справочной литературе, например [1,2];
• расчет концентраций и коэффициентов дисперсии по соответствующим
формулам.
В некоторых случаях для оценки дисперсии можно использовать уп-
рощенные методы. Может оказаться возможным использовать уравнения,
основанные на предположении о гомогенности характеристик атмосфер-

24
ной дисперсии в данном районе. Это особенно полезно, когда отсутствует
конкретная метеорологическая информация о площадке, а сравнения с
другими параметрами, такими как распределение населения (предвари-
тельное изыскание площадки), еще предстоит сделать, или когда речь идет
только о незначительных выбросах.
Даже при использовании сложных методов, хотя и известно, что кон-
центрации более или менее связаны с различными показателями устойчи-
вости, имеется очень мало информации по разбросу результатов в преде-
лах конкретного класса устойчивости.
Существует множество теоретических формул для расчета атмосфер-
ной дисперсии. Наиболее общее выражение для концентрации при нали-
чии постоянного точечного источника мощностью Q без помех от земной
поверхности при средней скорости ветра U, измеряемой на уровне шлейфа,
получаем из предположения двойного распределения в уравнении Гаусса:
? 1 ? y 2 z 2 ??
Q
exp ?? ? 2 + 2 ?? ,
? ( x, y , z ) = (1)
? 2 ? ? y ? z ??
2? ? y ? zU ??
?
?
где ? – средняя концентрация выброса в точке ( x, y, z ) , Q – мощность
источника, U – скорость ветра, усредненная по слою перемешивания.
Для уравнения (1) начало координат находится в источнике. Ось x
совпадает со средним направлением ветра. Ось y расположена перпенди-
кулярно направлению ветра по горизонтали, а ось z – по вертикали. Пара-
метры ? y и ? z представляют собой стандартные отклонения распределе-

ний концентраций в точке x соответственно в горизонтальном и верти-
кальном направлениях, перпендикулярно направлению ветра. Полная сис-
тема координат приведена на рис. 3, мы будем придерживаться ее и в
дальнейшем.




25
z'
(а)
система координат
направление
x,y,z y'
ветра

z
А
Ш ЛЕЙФ
АНИЦА
ГР
y
ТОЧКА
Р x'
x
ВЫБРОСА
центальная ось шлейфа


система координат
x',y',z'
ГРАН
ИЦА
ШЛЕЙ
ФА




Z
Y

X УРОВЕНЬ ЗЕМЛИ

система координат

x,y,z
(б)
ОСЬ РАСПЕДЕЛЕНИЯ
ОСЬ РАСПЕДЕЛЕНИЯ
Р
Р КОНЦЕНТРАЦИИ В ТОЧКЕ
КОНЦЕНТРАЦИИ В ТОЧКЕ
Концентрация




Концентрация




z y




ОСЬ Z' ОСЬ y'



Рис.3. Схематическое изображение (а) систем координат и

(б) параметров дисперсии шлейфа z и y .
Рис.3. Изображение системы координат и параметров дисперсии

26
Уравнении (1) предполагает шлейф с осью в виде прямой линии в направ-
лении ветра, и не учитывает пространственно-временные изменения на-
правления ветра. Его можно также использовать и для отличной от прямой
линии траектории шлейфа при условии, что ее кривизна не слишком вели-
ка.
Параметры ? y и ? z в уравнении (1) увеличиваются с расстоянием x.

Скорость их увеличения с расстоянием зависит от интенсивности турбу-
лентности и тем самым от стабильности атмосферы. Для практического
использования зависимости для ? y и ? z расстояния были определены на

основании экспериментальных данных в различных полевых условиях.
Важно иметь в виду, что выражение Гаусса – всего лишь приближе-
ние. На практике можно встретить отклонения от этого приближения, осо-
бенно в вертикальном направлении (z) при сильном порывистом ветре и на
больших расстояниях. Тем не менее, оно является удобной предпосылкой
для использования в основном уравнении (1).

2.1.5. Перечень основных моделей, используемых для
оценки загрязнения атмосферы
Количество и характер моделей определяют, с одной стороны, кругом
задач, стоящих перед экологическими службами, а с другой – требования-
ми к точности моделирования. Разнообразие требований к характеру оце-
нок загрязнения и высокая специфичность распространения выбросов
примесей в различных метеоусловиях приводят к необходимости исполь-
зования тех моделей, которые перечислены ниже.
1. Штатные модели служб ГО. Стандартная методика основана на эмпи-
рических моделях и позволяет определить максимально возможную зону
поражения при выбросах ядовитых веществ. Модель указывает не реаль-
ное положение облака выбросов в тот или иной момент времени, а обозна-
чает границы, в пределах которых концентрация ядовитых веществ может

27
достичь опасных для здоровья человека значений при неблагоприятных
метеоусловиях. Модель проста и быстро работает.
2. Стандартные модели загрязнения атмосферы стационарными источ-
никами, основанные на модели ОНД-86. Модели могут быть использованы
для анализа квазистационарных процессов, когда характерные времена
выбросов токсичных веществ превышают характерные времена перемеще-
ния воздушных масс в экспертируемой области пространства (например,
случаи пожаров или утечек на продуктопроводах). Модель эмпирическая и
позволяет рассчитать установившееся распределение концентраций токси-
канта при заданном ветре и максимально неблагоприятном с точки зрения
рассеяния примесей состоянии атмосферы.
3. Модели МАГАТЭ (международный стандарт) для расчетов загрязне-
ний атмосферы, создаваемых стационарными источниками примесей. Это
наиболее полные из существующих в настоящее время эмпирических мо-
делей. Характер их детализации позволяет учитывать особенности мест-
ных метеорологических условий и производить расчеты распределений
концентрации примесей в текущих метеоусловиях. Модели требуют зна-
чительных работ по привязке к местным условиям. Время вычислений по
моделям 2 и 3 практически одинаково.
4. Простейшие нестационарные модели для расчета распространения
облака загрязняющих веществ, предназначенные для эксресс-прогноза.
Модели строятся на основе методик и моделей МАГАТЭ и позволяют рас-
считать траекторию и время движения облака выбросов до потери токсич-
ности или в интересующей области в текущих метеоусловиях. Установив-
шихся стандартов на такие модели нет.
5. Нестационарные модели загрязнения, учитывающие неоднородность
подстилающей поверхности. Квазитрехмерные модели, основанные на ис-
пользовании полуэмпирических моделей МАГАТЭ с решением уравнения
переноса-диффузии примесей в приземном слое. Для повышения скорости

28
и точности вычислений использованы высокоэффективные численные ме-
тоды и учтена специфика решаемой задачи. Используются в случаях, когда
необходимо учесть неоднородность подстилающей поверхности, а вычис-
лительные ресурсы и/или недостаток информации не позволяют использо-
вать модели 6.
6. Наиболее полные и совершенные нестационарные модели распро-
странения загрязняющих веществ в атмосфере, в которые включены расче-
ты мезометеорологических характеристик атмосферы с учетом орографии
(рельеф местности). Модели основаны на решении задач мезометеороло-
гического прогноза и решении трехмерного уравнения переноса диффузии
примеси. Требуют значительных вычислительных ресурсов и подробного
задания больших объемов входной и начальной информации. Использова-
ние моделей этого класса оправдано, когда от результатов экспертизы за-
висят жизнь и судьбы людей, а специфика метеоусловий и орография ме-
стности таковы, что перечисленные выше модели неприменимы. Это слу-
чаи крупных аварий, имевших тяжелые последствия, или экспертиза про-
ектов с прогнозом возможных событий, чреватых такими последствиями.
7. Модели, позволяющие прогнозировать загрязнение при штилевых ус-
ловиях разных типов. Характеристики распространения и диффузии при-
месей в штилевых условиях и во время ветра различаются настолько, что
для их описания требуются разные модели. Характер распространения за-
грязнения во время штиля существенно зависит от состояния атмосферы,
орографии местности и начальных условий.
8. Блок моделей, позволяющих учесть процессы химической трансфор-
мации примесей. В случае необходимости его подключают к моделям 4–7.
Используется в тех случаях, когда для анализа события существенным яв-
ляется учет химических реакций, протекающих в облаке выбросов, напри-
мер, в случаях возможности значительного повышения или уменьшения



29
токсичности. Подключение блока может значительно, в несколько раз, за-
медлить время работы расчетной модели.
9. Специальные модели для районирования территорий по вероятности
аварий и по степени угрозы промышленным объектам и населению, кото-
рые строят на основе среднестатистических моделей с использованием
информации о розе ветров данной местности. Существенным моментом
при построении моделей этого класса является необходимость учета реак-
ции объекта, подвергающегося воздействию облака выбросов. Характер
реакции объекта зависит от его свойств, типа и концентрации токсичного
вещества и продолжительности его воздействия. Объектом может быть и
человек и промышленное предприятие. Модели для оценки загрязнения
территории или объектов строятся на основе моделей 1–8. Выбор модели
определяется характером необходимой оценки. Например, для оценки
влияния на здоровье населения в случае выброса ядовитых газов можно
использовать модель 1, в случае безвредных примесей вообще не требует-
ся расчетов, а промежуточные случаи как всегда сложны для моделирова-
ния.
10.Комплекс синоптико-статистических моделей и автоматизированного
прогнозирования неблагоприятных метеорологических условий (НМУ),
предназначенный для оценки и прогнозирования уровней загрязнения ат-
мосферного воздуха, а также принятия решения по атмосфероохранной
деятельности как в краткосрочном, так и в долгосрочном аспектах. Для по-
лучения методик с высоким качеством прогнозирования необходимы ис-
следования по диагностике погодных процессов синоптического масштаба,
приводящих к реализации НМУ, и на основе этих исследований создание
классификации синоптических процессов. Разработка расчетных моделей
базируется на многомерном статистическом аппарате. Построение прогно-
стических зависимостей основано на теории решения некорректных задач,
что позволяет получать устойчивые решения при наличии коррелирован-

30
ности параметров, описывающих синоптическую ситуацию. Прогностиче-
ская система включает в себя: прием и обработку метеорологической ин-
формации из каналов связи, контроль и корректировку данных, архивиро-
вание и собственно прогноз.


Список литературы
1. Руководство по организации контроля состояния природной среды в
районе расположения АЭС / Под ред. К.П. Махонько. Л.: Гидрометео-
издат, 1990, 264 с.
2. Techniques and decision making in the assessment of off-site consequences
of an accident in a nuclear facility / Safety series, N.86, International Atomic
Energy Agency. Vienne. 1987. 185 p.



2.2. Классификация существующих моделей

Процессы распространения примесей в атмосфере представляют чрез-
вычайный интерес для многих видов человеческой деятельности. В 1950-
1960-е годы в исследования в этой области были вложены огромные сред-
ства. Заказ формировался, по-видимому, военными задачами и безопасно-
стью АЭС. Были выполнены крупномасштабные натурные измерения как в
США, так и в СССР. По их результатам были созданы эмпирические моде-
ли. Значительные усилия были затрачены также на развитие теории диф-
фузии примеси в атмосфере.
Позднее интерес к этим исследованиям объяснялся уже скорее зада-
чами экологии. В настоящее время, по крайней мере, в России в качестве
важнейшего приложения результатов подобных исследований являются
задачи прогнозирования заражения территории при аварийных выбросах
ядовитых веществ.



31
Несмотря на обширность проведенных исследований, до настоящего
времени нет сколько-нибудь общепринятой модели распространения при-
месей в атмосфере. Это объективно обусловлено сложностью и разнообра-
зием процессов, а также субъективными факторами. Поэтому существует
множество моделей самых различных типов. Прежде чем дать их обзор,
необходимо ввести хотя бы простейшую классификацию моделей.
Главным определяющим модели признаком является их эмпириче-
ский или теоретический характер. Строго говоря, во всех моделях присут-
ствуют оба начала, но в одних - это простейшие и не слишком обоснован-
ные рассуждения при тщательном достижении соответствия эксперимен-
тальным данным, а в других - фундаментальные уравнения теории диффу-
зии в турбулентных средах со сложным математическим аппаратом и ог-
ромным объемом вычислений на ЭВМ. Классическими образцами эмпири-
ческих моделей являются модели, созданные Паскуиллом и Гиффордом [2]
и в Институте экспериментальной метеорологии [4].
По сути эмпирическими являются и модели, созданные в ГГО [1],[3].
Хотя при изложении их научных оснований [10] и используются достаточ-
но общие представления о пространственной турбулентной диффузии, они
при конкретизации переходят в формулы, аналогичные [2].
Именно эти эмпирические модели [2], [3], [4] или близкие к [2] явля-
ются утвержденными в разных странах на государственном уровне для
практического использования. Фундаментальные теоретические модели в
настоящее время используются только для научных целей, они позволяют
только качественно объяснить некоторые наблюдаемые эффекты.
Наибольший интерес представляют модели, которые мы будем услов-
но называть полуэмпирическими. Примером является модель, созданная в
Институте экспериментальной метеорологии [4]. В таких моделях эмпири-
ка дополнена довольно развитым математическим аппаратом, что позволя-
ет анализировать достаточно сложные ситуации, значительно отличаю-

32
щиеся от исходных экспериментов, и фактически объединять результаты
разнородных экспериментов, например метеорологических и диффузион-
ных. В этом главное отличие от чисто эмпирических моделей, которые
описывают весь процесс в целом: на входе - параметры выброса, на выходе
- концентрация в данной точке пространства.
Примером такой модели является [11]. В этой модели в явном виде
учитывается распределение ветра и коэффициента диффузии по высоте.
Это сделано для того чтобы добиться соответствия диффузионных моде-
лей эмпирическим. Особую роль такой учет играет при интересующем нас
моделировании распространения примесей в приземном слое, то есть на
высотах менее 50 метров. Общим недостатком такого рода моделей явля-
ется их преимущественно исследовательская направленность, в связи с чем
они не вполне доведены до практического использования. Относительно
современного состояния модели [11] такое утверждение сделано в [4].
Вторым признаком для классификации является богатство учитывае-
мых в модели физических процессов. В эмпирических моделях зачастую
физика процессов почти не учитывается или сильно искажается. Так, эм-
пирические модели с гауссовым распределением концентрации в струе и
близким к линейному законом расширения струи (то есть практически все
эмпирические модели) не могут быть проинтерпретированы как диффузи-
онные.
В отечественной монографии [10] показана возможность такой интер-
претации при учете еще одного физического процесса - изменчивости вет-
ра за время измерения концентрации. Ведущие зарубежные специалисты,
читавшие курс лекций [12], в общей дискуссии смогли указать как причи-
ну реального линейного расширения струи, противоречащего теории диф-
фузии, только поворот ветра с высотой. По-видимому, важны оба эффекта
и оба не связаны собственно с диффузией. Но эта разница представлений о



33
физических процессах ярко демонстрирует разрыв между эмпирикой и
теорией.
В более сложных моделях учитывают законы движения воздуха и
диффузии, причем используют очень разные наборы упрощающих пред-
положений. Почти все модели распространения дополняются учетом спе-
циальных процессов, таких как начальный подъем нагретых выбросов,
оседание тяжелых частиц, вымывание примесей осадками. Для задач эко-
логии важную роль играет также учет химических превращений веществ в
процессе распространения, в частности модели фотохимического смога.
Но эти вопросы не главные при авариях. Для прогноза, необходимого при
авариях, необходимо явно разделить модель воздушных течений вблизи
места аварии и модель распространения примеси.
Третьим признаком для классификации является тип используемого
математического аппарата. В значительной мере он связан с первым при-
знаком и еще более непосредственно - со вторым. Эмпирические модели
используют явные формулы, которые при реализации на ЭВМ не вызыва-
ют никаких затруднений, трудоемким является только ввод и вывод ин-
формации. Полуэмпирические модели содержат уже процедуры численно-
го решения дифференциальных уравнений в частных производных. Теоре-
тические же модели чрезвычайно разнообразны по аппарату: от теории по-
добия и чисто аналитических выкладок [5] до численного решения уравне-
ний мезометеорологии с диффузией и трансформацией примесей как раз-
ностными методами [6], [7], так и методом Монте-Карло [8]. Особо следу-
ет отметить использование аппарата теории вероятности, который был ос-
новным у классиков [5], но в современных моделях играет весьма скром-
ную роль. Вместе с тем в [9] убедительно показано, что вероятностный ха-
рактер процессов принципиален для всех моделей, и в особенности для
наиболее интересных для нас случаев кратковременных выбросов в атмо-
сферу. Этот вопрос мы рассмотрим отдельно.

34
Модели можно разделить также на стационарные (таких большинство
среди эмпирических моделей) и нестационарные.
Под моделированием мы понимаем в первую очередь математическое
моделирование, но применяется и моделирование в лабораторных уста-
новках, когда макет зданий или территории обдувают в аэродинамической
трубе с источником примеси. Возможности использования таких физиче-
ских моделей обсудим ниже.
Следует сказать, что различные модели используют весьма разнооб-
разные исходные данные, и зачастую отсутствие необходимых метеороло-
гических данных диктует применение простейших грубых моделей. Аль-
тернативой было бы численное решение мезометеорологической задачи,
но практически этот путь пока не доступен как из-за сложности задачи, так
и из-за ограниченности ресурсов ЭВМ.


Список литературы
1. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующи-
ми ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически
опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-
90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 23 с.
2. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для
атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Между-
народное агентство по атомной энергии. Вена, 1980. 106 с.
3. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных ве-
ществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Л.: Гидроме-

<< Пред. стр.

страница 3
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign