1.4. Типизация выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Выбросы загрязняющих и токсичных веществ в атмосферу могут быть типизированы по разным параметрам :

— по времени формирования выброса (мгновенные, кратковременные, продолжительные);

— по пространственной протяженности выброса (локальные, компактные и протяженные);

— по степени турбулизации вещества (турбулентные и ламинарные);

— по наличию вещества в разных фазах (плазменные, газообразные или парообразные, жидкофазные или твердофазные, многофазные);

— по химической активности вещества (химически активные и пассивные).

В «чистом» виде при таких типизациях выбросы токсикантов встречаются сравнительно редко; обычно антропогенный выброс представляет собой комбинацию типов разных видов. Например, струйные течения (струи) включают в себя сочетание пространственно-временной типизации выбросов вдобавок к другим типизациям в зависимости от динамической и химической активности вещества, а также наличия одной или нескольких фаз состояния вещества.

Термики можно определить как компактные вихревые выбросы вещества разной степени химической активности, клубы — как турбулентные компактные объемы и т.п.

В терминах временной типизации, являющейся в наибольшей степени инструментально обоснованной, выбросы условно можно подразделить на мгновенные, продолжительные и кратковременные. Рассмотрим условия формирования и специфику таких выбросов.

Мгновенные выбросы возникают при чрезвычайно быстром выделении энергии и (или) вещества в окружающее пространство. При этом выброс формируется в виде тора с циркуляционным движением вещества относительно направления выхода рабочего тела. Подобные выбросы возникают при взрыве ядерного заряда, емкостей с углеводородным топливом в газовой фазе или перегретым паром, при взрыве детонирующего химического взрывчатого вещества (ВВ) и т.п. Распределение физических характеристик в таком выбросе имеет существенно неоднородный характер, и появившийся после взрыва тороидальный объем под действием сил плавучести начинает двигаться в атмосфере.

Продолжительные выбросы формируются в виде протяженных образований (струй) — объемов с неоднородным вдоль течения распределением динамических, тепловых и концентрационных характеристик. В зависимости от соотношения плотности вещества струи и вещества окружающего воздуха они либо всплывают, либо опускаются. Расчет характеристик струйных течений является хорошо изученным вопросом.

Кратковременные выбросы возникают в виде компактных клубов и термиков. Клубом называется турбулентный изолированный объем хаотически движущихся вихрей разного размера и ориентации. Растянутость по времени выхода рабочего тела и высокий уровень его турбулентности приводят к тому, что к моменту окончания выхода загрязняющих веществ в атмосферу формируется ограниченный объём практически однородный по составу с относительно небольшими отличиями размеров в разных направлениях. Термик отличается от клуба наличием кругового движения вещества относительно направления его движения.

Следует подчеркнуть условность разделения источников по продолжительности выхода рабочего тела. Это касается четкой временной границы, отделяющей мгновенные выбросы от кратковременных. На практике случается, что выброс, происходящий короткое время, формирует практически однородное пространственное распределение массовых, термодинамических и концентрационных характеристик. Такой случай может реализоваться при малом отличии плотности рабочего тела от плотности окружающей среды (инжекция газа при Т = Const, «взрывающиеся проволочки» и т.п.). Основным критерием кратковременности выброса в любом случае следует считать после прекращения действия источника наличие сильно турбулизованного, а потому хорошо перемешанного вещества в компактном объеме.

Применительно к вопросам математического моделирования основной характеристикой выброса, определяющей его рассмотрение как физического объекта, является его фазовое состояние [73]. В зависимости от этого применяется эйлеров, либо лагранжевый подходы. В свою очередь типизация газопарообразных выбросов по пространственно-временной и турбулентной характеристикам также важна, так как она определяет характер уравнений сплошной среды, описывающих возникновение и эволюцию подобных образований — либо это уравнения, характеризующие ламинарное поступательное или вращательное движение сплошной среды, либо уравнения типа Навье-Стокса, описывающие движение турбулентной компактной или протяженной области.

Выбросы загрязняющих и токсичных веществ, связанные с деятельностью человека, по характеру возникающего источника целесообразно подразделить на твердофазные (жидкофазные) и газообразные (парообразные). Причем для описания движения твердой (жидкой) примеси используются уравнения баллистики, для газовой или паровой — уравнения сплошной среды. В дальнейшем для сокращения записи будем указывать только газообразные и твердофазные выбросы, имея в виду, что все получаемые результаты пригодны и для паровых и жидких фаз, соответственно.

Отметим, что антропогенные твердофазные выбросы имеют преимущественно взрывное происхождение в отличие от парогазообразных, которые возникают от многих причин: при взрыве, испарении, горении и др. Наиболее важные для практических приложений газопаровые выбросы реализуются в виде струй, термиков и клубов — турбулизованных объемов, термодинамические и концентрационные характеристики которых отличаются от соответствующих характеристик окружающей среды.

Необходимо отметить, что предлагаемая типизация выбросов по фазовому характеру создаваемых ими источников загрязнений объектов имеет универсальный характер, т. е. может быть применена и к радиационным, и к химическим авариям. В любом случае эти аварии приводят к поступлению в атмосферу определенных количеств хорошо перемешанных загрязняющих веществ в парогазовой фазе, либо твердых (жидких) частиц. В конечном счете при разбавлении в атмосфере аварийного парогазового выброса, либо выпадении твердофазного, формируются пространственное и наземное поля концентраций токсикантов.

Кратковременные твердофазные и газообразные выбросы, возникающие в атмосфере в результате быстрой трансформации внутренней энергии рабочего тела в другие виды энергии (в тепловую при горении, в кинетическую движущихся частиц при взрыве, в энергию фазовых переходов при испарении) представляют важное место в проблеме загрязнения окружающей среды антропогенными источниками. Твердофазные выбросы при этом представляют собой разлетающиеся с места взрыва куски химически не прореагировавшей части раздробленного рабочего тела (топлива, грунта, взорвавшегося объекта и т.п.), газообразные (парообразные) выбросы в виде объемов интенсивно турбулизованных продуктов детонации (испарения) в смеси с воздухом, возникающих после прекращения работы источника вещества и энергии.

Разлет раздробленной детонацией твердой фазы взрыва происходит независимо от механических и физических характеристик подрываемых объектов. При любом взрывообразном выделении энергии ВВ, размещенного на подстилающей поверхности или на некотором возвышении, будет происходить образование взрывной воронки, ударных воздушной и сейсмических волн, дробление грунта и ВВ, фрагментация подрываемого изделия или объекта, а также образование газогрунтового и первичного пылегазового выбросов.

При взрыве ВВ в атмосфере или на подстилающей поверхности разлет твердой фазы взрыва и ее выпадение на эту поверхность определяется основными соотношениями сохранения макроскопических характеристик подрываемого вещества и вовлеченных в этот процесс объектов (грунта, воздуха и т.п.), а также уравнениями баллистики. Такими соотношениями являются уравнения сохранения массы вещества и массы примеси в выбросе, уравнение сохранения количества движения разлетающегося вещества, а также уравнение сохранения энергии и уравнение состояния в форме динамического равновесия давлений атмосферного воздуха и давления газообразной части сформировавшегося выброса.

Параметры газообразного или парообразного выброса могут быть получены при использовании соотношений сохранения макроскопических характеристик вещества, осредненного по объему выброса. Эти соотношения выражают собой законы сохранения массовых, динамических и энергетических параметров вещества турбулентного объема в процессе его формирования с «подпиткой» от источника вещества и энергии при наличии химических реакций и фазовых переходов. Они в конечно-разностной форме в общем виде записываются так [4, 41- 46]:

М₂ =М₁ +Q₀?t + ES?t ,

M_{2 i}=M_{1 i}+Q₀C_i0?t + ESC_ie?t ,

M₂V₂ = M₁V₁ + g(?_e - ?)??t ,

P = P_e ,

M₂?₂ = M₁ ?₁ + Q₀q_T?t + ES?_e?t + ?Q_ФП + W_jq_x?t - H?t где:

M, M_i — масса вещества выброса и масса i-ой примеси в нем,

Q₀ — расходная функция формирующегося выброса,

С_i — массовая концентрация i - ой примеси, С_i =М_i/М ,

?, ?_е — полные энергии единицы массы вещества выброса и окружающей среды,

р, v,V,S — плотность выброса, его объем, скорость его движения и площадь вовлечения Е в него окружающей среды,

g — ускорение земного притяжения,

q_T — теплотворная способность топлива,

Р — давление газа или пара,

W_i— скорость образования i -ой примеси в результате химических реакций с теплотой образования q_x в объеме выброса,

?Q_ФП — теплота фазовых переходов (парообразования или конденсации для жидкой испаряющейся части выброса),

Н — потери энергии выброса (излучение, контакт с подстилающей поверхностью, с выпадающей примесью и т.п. ).

Индексы «1» и «2» относятся к соответствующим моментам времени t₂ = t₁ +?t , индексы "0" и "е" относятся к параметрам истечения и параметрам окружающей среды.

При рассмотрении струйного течения конечноразностные уравнения записываются относительно поточных характеристик: расхода вещества и примеси, потоков количества движения и энергии.

Полученные нами [41, 43-46, 73] конечно разностные уравнения при устремлении временного интервала ?t к нулю преобразуются в дифференциальные. Их решение при задании начальных условий, параметров окружающей среды и характеристик объекта (геометрических и термодинамических) позволяют решать задачу нахождения геометрических, динамических, тепловых и концентрационных характеристик турбулентного объема (выброса), движущегося в произвольной окружающей среде.

1.5. Определяющие параметры физико-математических моделей.

Исследованиям физических процессов, описывающих возникновение и эволюцию выбросов загрязняющих и токсичных веществ в атмосфере, посвящено большое количество работ. Получаемые результаты на различных этапах по отдельным вопросам или по проблеме в целом обобщались в монографиях и книгах, а также периодических изданиях. Основная часть работ по тематике твердофазных выбросов посвящена фракционированию и образованию частиц при ядерных и химических взрывах [48, 49, 50-61], физическим характеристикам отдельных частиц от мощных воздушных взрывов, выпадению частиц из взрывного облака. Однако взрывной разлет твердой фазы взрыва в ветровом потоке не привлекал внимания исследователей.

Подробно разлет частиц при взрывах разных веществ и в разных сосудах в условиях спокойной атмосферы рассмотрен в работе [77]. Анализируя данные работ, рассматривающих возникновение и движение в атмосфере твердофазных частиц, можно сделать вывод о наиболее важных параметрах подобных задач. Ими являются энергетические свойства ВВ и механические свойства подстилающей поверхности. В работе [73] рассмотрено движение частиц после взрыва в ветровом потоке и сделан вывод о необходимости в дополнение к вышеназванным параметрам еще учета метеорологических параметров в месте проведения работ. Только при этом условии можно ожидать получения правильной расчетной информации о динамических и геометрических характеристиках твердой фазы взрыва и о характеристиках плотности ее выпадения на поверхность земли.

Обобщая данные о физических процессах возникновения и движения в атмосфере частиц, можно сделать вывод, что определяющими параметрами при создании физико-математических моделей твердофазных кратковременных выбросов являются:

— массовые, энергетические и термодинамические характеристики ВВ, участвующих в процессе аварии;

— массовые и геометрические характеристики аварийного объекта или его взорвавшейся части;

— прочностные и массовые характеристики подстилающей поверхности (грунта);

— метеорологические данные;

— временные, геометрические и конструкционные особенности освобождения энергии и рабочего тела (сценарий и схема выброса, приподнятость над поверхностью земли и т.п.).

Что касается физических процессов возникновения и движения в атмосфере газообразных выбросов, то таких исследований в настоящее время достаточно много. Основная их часть проведена в лабораторных условиях.

Рассмотрены выбросы продуктов горения высококалорийных топлив, изучается детонация ВВ в начальной фазе развития взрывного выброса и в процессе его теплового всплытия. Рассматриваются термики и вихревые кольца [3, 5, 6, 38-40], а также кратковременные выбросы в виде однородных клубов [ 7-15, 24, 35-37]. Необходимо отметить, что строгие математические модели для описания таких процессов создать чрезвычайно трудно, поскольку, с одной стороны, не ясна физическая картина развития течения в условиях неполной информации о самом объекте и об окружающей среде, с другой стороны, трудности численных решений термогидродинамических уравнений создают принципиальные и часто непреодолимые препятствия. В связи с этим исследователи часто ограничиваются моделями, использующими для описания начального распределения примеси в пространстве данные натурных наблюдений.

Совместное рассмотрение эмпирических данных и результатов математического моделирования позволяет сделать достаточно объективную оценку геометрических характеристик выброса, включая высоту его подъема и объем, а также его динамические характеристики и начальное распределение загрязняющей примеси в атмосфере. Эти данные являются входными параметрами для задачи распространения примеси в атмосфере.

Обобщая результаты отмеченных выше работ, можно сделать вывод о том, что исходными данными для построения таких моделей должны быть динамические и энергетические характеристики выброса, а также начальное распределение загрязняющей примеси в пространстве и распределения метеорологических параметров.

Определяющими параметрами при создании физико-математических моделей газообразных выбросов являются:

— характер выброса по продолжительности выхода рабочего тела (мгновенный, кратковременный, продолжительный);

— массовые, энергетические и динамические характеристики сформировавшегося выброса;

— физические характеристики твердой и аэрозольной фазы в выбросе;

— данные о возможных химических реакциях и фазовых переходах;

— метеоданные, включая информацию о высотных градиентах метеорологических параметров.

Таким образом, принципы создания физико-математических моделей возникновения и движения в атмосфере выбросов загрязняющих и токсичных веществ основываются на выделении и детальном анализе основных определяющих характеристик объекта исследования. К наиболее общим основным особенностям исследования относятся:

— учет специфики выброса по характеру фазы (твердофазные, газообразные);

— учет зависимости типа выброса от времени действия источника и турбулизации вещества выброса;

— учет общей энергии и ее долей, вносимых источником в выброс;

— учет массовых и энергетических характеристик рабочего тела;

— учет метеоданных и их высотных распределений;

— учет данных о возможных химических реакциях и фазовых переходах.

1.6. Атмосферные источники загрязнений при авариях

Антропогенные аварии, как правило, сопровождаются поступлением в окружающую среду загрязнений в газообразном, жидком или твердом виде. Их физико-химические характеристики соответствуют параметрам рабочих тел, из которых на месте происшествия образуется собственно первичный источник загрязнений. Его формирование заканчивается с окончанием поступления в атмосферу вещества и выравниванием его давления до значений давления в окружающем пространстве.

Вторичный атмосферный источник возникает как естественное продолжение первичного источника в пространстве или во времени. В реальной турбулентной атмосфере быстро возникающий газообразный вторичный источник в виде компактного объема имеет практически однородную структуру макроскопических характеристик. Поэтому такие источники представляют в виде клубов хорошо перемешанного (однородного) вещества с центром приложения массовых сил в геометрическом центре объема [3].

При длительном поступлении рабочего тела в атмосферу возникают струи, а при промежуточном между кратковременным и стационарным в пространстве может сформироваться сложный газовый объем, моделирование физических характеристик которого весьма проблематично. В этом случае прибегают к модельной замене реального объекта правильными геометрическими телами типа полусферы, сферы, цилиндра и т.п. или комбинациями таких тел. В частности, линейный и точечный источники являются идеализациями источников конечных размеров при устремлении их характерных размеров к нулю.

Рис.1.3. Схема развития по времени аварийных выбросов в атмосфере из кратковременных и продолжительных источников для легкого (1) и тяжелого (2) газов: t₁, t₂, t₃ — моменты времени после выхода газа.

Процессы формирования и движения в атмосфере газообразных выбросов зависят также от их плотности. Если рабочее тело тяжелее воздуха, то выброс тяготеет к поверхности земли, при легком газе — всплывает в атмосфере (Рис.1.3).

В зависимости от условий поступления рабочего тела в атмосферу и характеристик окружающей среды при одной аварии могут последовательно формироваться различные вторичные источники - объемные могут трансформироваться в площадные, а площадные в объемные.

Все многообразие атмосферных модельных источников, эквивалентных реальным загрязняющим образованиям, можно условно подразделить на несколько типов или видов. Простейшим эталонным является точечный источник загрязнений, используемый при расчетах загрязнений природных сред как идеализация реального выброса с гауссовским распределением примеси.

Другими модельными источниками являются линейные — источники в виде прямых линий конечной или бесконечной протяженности, испускающими загрязняющую примесь в поперечном направлении. Приподнятые и высотные линейные источники используют при получении аналитических решений задач распространения загрязняющих примесей за ракетным следом, выхлопом летящего самолета и другими протяженными объектами. Линейными наземными источниками моделируют автодороги, шоссе, взлетные полосы аэродромов и т.п.

Наземный площадной источник возникает при горении больших площадей леса, разлитого жидкого топлива, испарении жидкостей и т.п.

Еще один площадной источник в виде поперечного сечения струи в месте потери потоком динамической индивидуальности возникает при горении в относительно компактном очаге. Такой источник имеет приподнятый характер.

И наконец, приподнятый объемный источник используют для моделирования выбросов, возникающих при взрывах после выравнивания давления внутри и снаружи возникшего объема. Такие источники появляются также после быстрого сгорания топлива, «одномоментного» испарения жидкостей, криогенного испарения продуктов и некоторых других процессов быстрого фазового перехода веществ из одного состояния в другое.

Источниками сложной формы представляются выбросы с «ножкой», плавучие струи, выбросы при пожарах разнотипных объектов, при комбинированных авариях (взрыв + пожар, пожар + пролив, взрыв + пролив и т.п.). Они моделируются суперпозицией геометрических простых объемов.

Парожидкостные или аэрозольные (дымовые) выбросы моделируются геометрическими телами с равномерно распределенной по объему примесью, твердофазные или жидкокапельные — весомыми частицами геометрически правильной формы.

Поскольку рассеивание загрязнений происходит из сформировавшегося выброса на завершающем этапе его динамической индиивидуальности, то для расчетов загрязнений окружающей среды при авариях важное значение приобретает знание полной информации о вторичном источнике. Эта информация является входной в задачах расчета рассеивания примесей и построении пространственных и наземных полей концентраций загрязнителей.

Рис.1.4. Схема движения восходящего потока при пожаре и формирование источников загрязнения окружающей среды при слаботурбулизованной атмосфере: 0 — место пожара; 1 — первичный объемный источник (струя); 2 — примесь, рассеиваемая под действием атмосферной диффузии; 3 — вторичный площадной источник (заштрихован); 4 — мнимый точечный источник; 5 — ветер.

Как отмечалось ранее, вторичные источники загрязнений возникают, когда динамические и (или) термодинамические характеристики формирующегося атмосферного выброса заметно отличаются от аналогичных характеристик окружающей среды. Такими характеристиками могут быть плотность вещества, его температура, агрегатное состояние, а также скорость движения выброса как целого или скорость отдельных его частей и фрагментов. На практике любой антропогенный выброс можно представить последовательно сменяющимися первичным и вторичным источниками. Некоторые типичные ситуации возникновения источников загрязнения природных сред при авариях разных типов иллюстрируются рисунками Рис.1.4. — Рис.1.8.

На Рис. 1.4. изображена схема формирования атмосферных источников при пожаре относительно небольшой площади, когда над местом возгорания формируется конвективная струя смеси продуктов горения и вовлекаемого воздуха. Под действием силы плавучести струя поднимается, искривляется ветровым потоком и после разрушения рассеивается под действием атмосферной диффузии.

Предполагается, что атмосфера слаботурбулизована и загрязняющая примесь после потери струей динамической индивидуальности на фоне пульсационного движения атмосферных вихрей движется в виде неразрывного сплошного потока. Такие условия соответствуют устойчивому состоянию атмосферы, когда вертикальный градиент температуры воздуха близок к нулю или отрицателен. Физически это означает возрастание с высотой, и всплывающий объем воздуха оказывается холоднее окружающей среды; его движение тормозится и затухает.

Устойчивые или инверсионные условия характеризуются слабым турбулентным обменом, и приземная концентрация загрязнений имеет низкие значения. В качестве первичного источника на рисунке выступает струя 1 до места ее деструкции, соответствующего X — координате в точке Х_р. Далее происходит активное рассеивание потока из эффективного сечения 3. Это сечение струи и является вторичным источником загрязнения.

Если границы рассеивания продолжить навстречу потоку, то в случае изотропного рассеивания они сойдутся в точке 4, являющейся местом эффективного точечного источника рассеиваемого выброса.

Случай формирования атмосферных источников при пожаре в сильнонеустойчивой атмосфере рассмотрен на Рис. 1.5. Здесь, как и в предыдущей ситуации, первичным источником является собственно струя 1 до места ее разрушения 2. Однако из-за колебательного характера движения струйного потока (меандрирования) на завершающем этапе его развития вторичными источниками загрязнений будут квазиклубы 3, периодически возникающие в области 2. Квазиклубы — это фрагменты распавшегося на отдельные порции вещества струи. Они имеют крупномасштабное вихревое движение типа «дорожки Кармана», возникающей в потоке за препятствием. Эффективный точечный источник 4 может быть построен, как и в предыдущем случае, сведением огибающих клубов в некоторый единый центр.