Математическое моделирование рассеивания загрязняющих веществ в окружающей атмосфере
Моделирование атмосферной дисперсии — это математическое моделирование того, как загрязняющие вещества распространяются в окружающей атмосфере . Оно выполняется с помощью компьютерных программ, которые включают алгоритмы для решения математических уравнений, управляющих дисперсией загрязняющих веществ. Модели дисперсии используются для оценки подветренной концентрации загрязняющих веществ или токсинов, выбрасываемых из таких источников, как промышленные предприятия, транспортное движение или случайные выбросы химических веществ. Их также можно использовать для прогнозирования будущих концентраций при определенных сценариях (например, изменениях в источниках выбросов). Поэтому они являются доминирующим типом моделей, используемых при разработке политики в области качества воздуха. Они наиболее полезны для загрязняющих веществ, которые распространяются на большие расстояния и могут реагировать в атмосфере. Для загрязняющих веществ, которые имеют очень высокую пространственно-временную изменчивость (например, имеют очень большое расстояние до источника распада, например, черный углерод ), и для эпидемиологических исследований также используются статистические регрессионные модели землепользования.
Модели рассеивания важны для правительственных учреждений, которым поручено защищать и управлять качеством окружающего воздуха . Модели обычно используются для определения того, соответствуют ли существующие или предлагаемые новые промышленные объекты Национальным стандартам качества окружающего воздуха (NAAQS) в Соединенных Штатах и других странах. Модели также помогают в разработке эффективных стратегий контроля для сокращения выбросов вредных загрязняющих веществ в воздух. В конце 1960-х годов Управление по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США инициировало исследовательские проекты, которые привели к разработке моделей для использования городскими и транспортными планировщиками. [1] Крупное и значимое применение модели рассеивания на дороге, полученное в результате такого исследования, было применено на скоростной автомагистрали Spadina в Канаде в 1971 году.
Модели рассеивания воздуха также используются службами общественной безопасности и персоналом по управлению чрезвычайными ситуациями для планирования действий в чрезвычайных ситуациях при случайных выбросах химических веществ. Модели используются для определения последствий случайных выбросов опасных или токсичных материалов. Случайные выбросы могут привести к пожарам, разливам или взрывам, в которых участвуют опасные материалы, такие как химикаты или радионуклиды. Результаты моделирования рассеивания с использованием наихудших условий источника случайного выброса и метеорологических условий могут дать оценку местоположения пострадавших территорий, концентраций в окружающей среде и использоваться для определения защитных мер, соответствующих в случае выброса. Соответствующие защитные меры могут включать эвакуацию или укрытие на месте для лиц, находящихся по ветру. На промышленных предприятиях этот тип оценки последствий или планирования действий в чрезвычайных ситуациях требуется в соответствии с Законом США о чистом воздухе (CAA), кодифицированным в части 68 раздела 40 Свода федеральных правил .
Модели дисперсии различаются в зависимости от математики, используемой для разработки модели, но все они требуют ввода данных, которые могут включать:
Метеорологические условия, такие как скорость и направление ветра, уровень атмосферной турбулентности (характеризуемый так называемым «классом устойчивости» ), температура окружающего воздуха, высота до основания любой инверсии , которая может присутствовать на высоте, облачность и солнечная радиация.
Источник выброса (концентрация или количество токсинов в выбросах или случайных выбросах ) и температура материала
Параметры выбросов или сбросов, такие как местоположение и высота источника, тип источника (например, пожар, бассейн или вентиляционная труба), скорость выхода , температура выхода и массовый расход или скорость сброса.
Высоты рельефа в месте расположения источника и в месте расположения приемника (приемников), например, близлежащих домов, школ, предприятий и больниц.
Расположение, высота и ширина любых препятствий (таких как здания или другие сооружения) на пути выбрасываемого газового шлейфа, неровность поверхности или использование более общего параметра «сельская» или «городская» местность.
Многие современные, передовые программы моделирования дисперсии включают в себя модуль предварительной обработки для ввода метеорологических и других данных, а многие также включают в себя модуль постпроцессора для графического представления выходных данных и/или нанесения на карты зон, подвергшихся воздействию загрязняющих веществ. Графики зон, подвергшихся воздействию, могут также включать изоплеты, показывающие зоны с минимальными и высокими концентрациями, которые определяют зоны с самым высоким риском для здоровья. Графики изоплет полезны при определении защитных мер для населения и спасателей.
Модели атмосферной дисперсии также известны как модели атмосферной диффузии, модели дисперсии в воздухе, модели качества воздуха и модели дисперсии загрязнений воздуха.
Атмосферные слои
Обсуждение слоев в атмосфере Земли необходимо для понимания того, где загрязняющие вещества, находящиеся в воздухе, рассеиваются в атмосфере. Самый близкий к поверхности Земли слой известен как тропосфера . Он простирается от уровня моря до высоты около 18 км (11 миль) и содержит около 80 процентов массы всей атмосферы. Стратосфера является следующим слоем и простирается от 18 км (11 миль) до около 50 км (31 миля). Третий слой - мезосфера , которая простирается от 50 км (31 миля) до около 80 км (50 миль). Существуют и другие слои выше 80 км, но они незначительны по отношению к моделированию атмосферной дисперсии.
Самая нижняя часть тропосферы называется планетарным пограничным слоем (ППС), или иногда атмосферным пограничным слоем . Температура воздуха в ППС уменьшается с увеличением высоты, пока не достигнет покрывающей инверсии , которая является типом инверсионного слоя , где более теплый воздух находится выше в атмосфере, чем более холодный воздух. Мы называем область ППС ниже его покрывающей инверсии конвективным планетарным пограничным слоем ; обычно она составляет от 1,5 до 2 км (от 0,93 до 1,24 мили) в высоту. Верхняя часть тропосферы (т. е. выше инверсионного слоя) называется свободной тропосферой и простирается до тропопаузы (границы в атмосфере Земли между тропосферой и стратосферой). В тропических и средних широтах в дневное время свободно-конвективный слой может охватывать всю тропосферу, которая составляет до 10–18 км (от 6,2 до 11,2 мили) в межтропической зоне конвергенции .
PBL важен для переноса и рассеивания загрязняющих веществ в воздухе, поскольку турбулентная динамика ветра наиболее сильна у поверхности Земли. Часть PBL между поверхностью Земли и нижней частью слоя инверсии известна как слой смешения. Почти все загрязняющие вещества в воздухе, выбрасываемые в окружающую атмосферу, переносятся и рассеиваются в слое смешения. Некоторые выбросы проникают через слой инверсии и попадают в свободную тропосферу над PBL.
Подводя итог, можно сказать, что слои земной атмосферы от поверхности земли и выше таковы: PBL, состоящий из слоя смешения, накрытого слоем инверсии; свободная тропосфера; стратосфера; мезосфера и другие. Многие модели атмосферной дисперсии называются моделями пограничного слоя , поскольку они в основном моделируют дисперсию загрязняющих веществ в воздухе в пределах ABL. Чтобы избежать путаницы, модели, называемые мезомасштабными моделями, обладают возможностями моделирования дисперсии, которые простираются по горизонтали до нескольких сотен километров. Это не означает, что они моделируют дисперсию в мезосфере.
Гауссово уравнение дисперсии загрязняющих веществ в воздухе
Техническая литература по рассеиванию загрязняющих веществ в воздухе довольно обширна и датируется 1930-ми годами и ранее. Одно из ранних уравнений рассеивания загрязняющих веществ в воздухе было получено Босанкетом и Пирсоном. [2] Их уравнение не предполагало гауссово распределение и не включало эффект отражения загрязняющих веществ от земли.
Сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязняющих веществ в воздухе в 1947 году [3] , которое включало предположение о гауссовом распределении для вертикальной и поперечной дисперсии шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли.
Под стимулом, предоставленным появлением строгих правил контроля за окружающей средой , произошел огромный рост в использовании расчетов дисперсии шлейфа загрязняющих веществ в воздухе между концом 1960-х годов и сегодня. Большое количество компьютерных программ для расчета дисперсии выбросов загрязняющих веществ в воздухе было разработано в тот период времени, и они были названы «моделями дисперсии воздуха». Основой для большинства этих моделей было Полное уравнение для моделирования гауссовой дисперсии непрерывных, плавучих шлейфов загрязнения воздуха, показанное ниже: [4] [5]
Приведенное выше уравнение учитывает не только отражение вверх от земли, но и отражение вниз от нижней части любой инверсионной крышки, присутствующей в атмосфере.
Сумма четырех экспоненциальных членов в сходится к конечному значению довольно быстро. Для большинства случаев суммирование рядов с m = 1, m = 2 и m = 3 даст адекватное решение.
и являются функциями класса атмосферной устойчивости (т.е. меры турбулентности в окружающей атмосфере) и расстояния по ветру до рецептора. Две наиболее важные переменные, влияющие на полученную степень рассеивания выбросов загрязняющих веществ, — это высота точки источника выбросов и степень атмосферной турбулентности. Чем больше турбулентность, тем лучше степень рассеивания.
Уравнения [6] [7] для и имеют вид:
(x) = exp(I y + J y ln(x) + K y [ln(x)] 2 )
(x) = exp(I z + J z ln(x) + K z [ln(x)] 2 )
(единицы измерения , и , и x указаны в метрах)
Классификация классов устойчивости предложена Ф. Паскуиллом. [8] Выделяют шесть классов устойчивости: A-крайне неустойчивый B-умеренно неустойчивый C-слегка неустойчивый D-нейтральный E-слегка устойчивый F-умеренно устойчивый
Полученные расчеты концентраций загрязняющих веществ в воздухе часто выражаются в виде контурной карты концентрации загрязняющих веществ в воздухе , чтобы показать пространственное изменение уровней загрязняющих веществ на большой исследуемой территории. Таким образом, контурные линии могут накладываться на чувствительные рецепторные местоположения и выявлять пространственную связь загрязняющих веществ в воздухе с интересующими областями.
Гауссово уравнение дисперсии загрязняющих веществ в воздухе (обсуждавшееся выше) требует ввода H , который является высотой центральной линии шлейфа загрязняющих веществ над уровнем земли, а H представляет собой сумму H s (фактической физической высоты точки источника выбросов загрязняющих веществ в шлейфе) плюс Δ H (подъем шлейфа из-за его плавучести).
Для определения Δ H многие, если не большинство моделей рассеивания воздуха, разработанных между концом 1960-х и началом 2000-х годов, использовали то, что известно как уравнения Бриггса. GA Briggs впервые опубликовал свои наблюдения и сравнения по подъему струи в 1965 году. [9] В 1968 году на симпозиуме, спонсируемом CONCAWE (голландской организацией), он сравнил многие модели подъема струи, доступные тогда в литературе. [10] В том же году Briggs также написал раздел публикации под редакцией Slade [11], посвященный сравнительному анализу моделей подъема струи. За этим в 1969 году последовал его классический критический обзор всей литературы по подъему струи, [12], в котором он предложил набор уравнений подъема струи, которые стали широко известны как «уравнения Бриггса». Впоследствии Бриггс модифицировал свои уравнения подъема струи 1969 года в 1971 и 1972 годах. [13] [14]
Бриггс разделил выбросы загрязняющих веществ в атмосферу на четыре основные категории:
Холодные струйные шлейфы в условиях спокойного окружающего воздуха
Холодные струйные потоки в условиях ветреной атмосферы
Горячие, плавучие шлейфы в условиях спокойного окружающего воздуха
Горячие, плавучие струи в условиях ветреной атмосферы
Бриггс считал, что траектория холодных струйных струй определяется их начальным импульсом скорости, а траектория горячих, плавучих струй определяется их плавучим импульсом в той степени, в которой их начальный импульс скорости был относительно не важен. Хотя Бриггс предложил уравнения подъема струи для каждой из вышеперечисленных категорий струй, важно подчеркнуть, что «уравнения Бриггса», которые стали широко использоваться, — это те, которые он предложил для наклонных, горячих плавучих струй.
В целом уравнения Бриггса для изогнутых, горячих плавучих струй основаны на наблюдениях и данных, касающихся струй из типичных источников сгорания, таких как дымовые трубы паровых котлов, сжигающих ископаемое топливо на крупных электростанциях. Таким образом, скорости выхода из трубы, вероятно, находились в диапазоне от 20 до 100 футов/с (от 6 до 30 м/с) с выходными температурами в диапазоне от 250 до 500 °F (от 120 до 260 °C).
Логическая схема использования уравнений Бриггса [4] для получения траектории подъема изогнутых плавучих струй представлена ниже:
Вышеуказанные параметры, используемые в уравнениях Бриггса, обсуждаются в книге Бейчока. [4]
Смотрите также
Модели атмосферной дисперсии
Список моделей атмосферной дисперсии содержит более полный список моделей, чем перечисленные ниже. Он включает в себя очень краткое описание каждой модели.
^ Бриггс, GA, "Некоторые недавние анализы наблюдений за подъемом шлейфа", Труды Второго международного конгресса по чистому воздуху, Academic Press, Нью-Йорк, 1971
^ Бриггс, GA, «Обсуждение: дымовые шлейфы в нейтральной и стабильной среде», Atmos. Envir., 6:507–510, 1972
Центр безопасности химических процессов (1999). Руководство по количественному анализу риска химических процессов (2-е изд.). Американский институт инженеров-химиков, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-8169-0720-5.
Центр безопасности химических процессов (1996). Руководство по использованию моделей парового облака и рассеивания источников с примерами (2-е изд.). Американский институт инженеров-химиков, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-8169-0702-1.
Шнелле, Карл Б. и Дей, Парта Р. (1999). Руководство по соблюдению требований к моделированию атмосферной дисперсии (1-е изд.). McGraw-Hill Professional. ISBN 0-07-058059-6.
Тернер, ДБ (1994). Рабочая книга по оценкам атмосферной дисперсии: Введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). CRC Press. ISBN 1-56670-023-X.
Передовой
Арья, С. Пал (1998). Метеорология и рассеивание загрязнения воздуха (1-е изд.). Oxford University Press. ISBN 0-19-507398-3.
Баррат, Род (2001). Моделирование атмосферной дисперсии (1-е изд.). Публикации Earthscan. ISBN 1-85383-642-7.
Коллс, Джереми (2002). Загрязнение воздуха (1-е изд.). Spon Press (Великобритания). ISBN 0-415-25565-1.
Купер Дж. Р., Рэндл К., Сокх Р. Г. (2003). Радиоактивные выбросы в окружающую среду (1-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 0-471-89924-0.
Европейский центр безопасности процессов (1999). Атмосферная дисперсия (1-е изд.). Регби: Институт инженеров-химиков. ISBN 0-85295-404-2.
Годиш, Тад (2003). Качество воздуха (4-е изд.). CRC Press. ISBN 1-56670-586-X.
Ханна, С. Р. и Дривас, Д. Г. (1996). Руководство по использованию моделей дисперсии паровых облаков (2-е изд.). Wiley-Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0702-1.
Ханна, С. Р. и Стримайтис, Д. Г. (1989). Workbook of Test Cases for Vapor Cloud Source Dispersion Models (1-е изд.). Центр безопасности химических процессов, Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0455-3.
Ханна, SR и Бриттер, RE (2002). Ветровой поток и рассеивание облаков пара на промышленных и городских объектах (1-е изд.). Wiley-Американский институт инженеров-химиков. ISBN 0-8169-0863-X.
Перианез, Рауль (2005). Моделирование рассеивания радионуклидов в морской среде: введение (1-е изд.). Springer. ISBN 3-540-24875-7.
Пилке, Роджер А. (2001). Мезомасштабное моделирование (2-е изд.). Elsevier. ISBN 0-12-554766-8.
Заннетти, П. (1990). Моделирование загрязнения воздуха: теории, вычислительные методы и доступное программное обеспечение . Van Nostrand Reinhold. ISBN 0-442-30805-1.
Труды
Фораго И, Георгиев К, Хаваси А, ред. (2004). Достижения в моделировании загрязнения воздуха для обеспечения экологической безопасности (семинар НАТО) . Springer, 2005. ISSN 0957-4352.
Kretzschmar JG, Cosemans G, ред. (1996). Гармонизация в моделировании атмосферной дисперсии для целей регулирования (4-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 8, № 3–6, Interscience Enterprises, 1997. ISSN 0957-4352.
Bartzis, J G., ред. (1998). Гармонизация в моделировании атмосферной дисперсии для целей регулирования (5-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 14, № 1–6, Interscience Enterprises, 2000. ISSN 0957-4352.
Коппалле, А., ред. (1999). Гармонизация в моделировании атмосферной дисперсии для целей регулирования (6-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 16, № 1–6, Inderscience Enterprises, 2001. ISSN 0957-4352.
Бачварова, Э., ред. (2002). Гармонизация в моделировании атмосферной дисперсии для целей регулирования (8-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 20, № 1–6, Inderscience Enterprises, 2003. ISSN 0957-4352.
Suppan, P., ред. (2004). Гармонизация в моделировании атмосферной дисперсии для целей регулирования (8-й семинар) . Международный журнал по окружающей среде и загрязнению, т. 24 № 1–6 и т. 25 № 1–6, Inderscience Enterprises, 2005. ISSN 0957-4352.
Zannetti, P., ed. (1993). Международная конференция по загрязнению воздуха (1-я, Мехико) . Computational Mechanics, 1993. ISBN 1-56252-146-2.
De Wispelaere, C., ред. (1980). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (11-е) . Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40820-1.
De Wispelaere, C., ред. (1982). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (13-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [by] Plenum Press, 1984. ISBN 0-306-41491-0.
Грининг, С.; Ширмейр, ФА, ред. (1995). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (21-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [издательство] Plenum Press, 1996. ISBN 0-306-45381-9.
Грининг, С.; Шомерлиак, Н., ред. (1997). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (22-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [издательство] Plenum Press, 1998. ISBN 0-306-45821-7.
Грининг, С.; Батчварова, Э., ред. (1998). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (23-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [by] Kluwer Academic/Plenum Press, 2000. ISBN 0-306-46188-9.
Грининг, С.; Ширмейр, ФА, ред. (2000). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (24-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [автор] Kluwer Academic, 2001. ISBN 0-306-46534-5.
Borrego, C.; Schayes, G., ред. (2000). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (25-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [автор] Kluwer Academic, 2002. ISBN 0-306-47294-5.
Borrego, C.; Incecik, S., ред. (2003). Международное техническое совещание по моделированию загрязнения воздуха и его применению (26-е) . Комитет НАТО по проблемам современного общества [автор] Kluwer Academic/Plenum Press, 2004. ISBN 0-306-48464-1.
Комитет по атмосферному рассеиванию выбросов опасных материалов, Национальный исследовательский совет, ред. (2002). Отслеживание и прогнозирование атмосферного рассеивания выбросов опасных материалов (семинар) . National Academies Press, 2003. ISBN 0-309-08926-3.
Руководство
Ханна, SR; Бриггс, GA и Хоскер, RP (1982). Справочник по атмосферной диффузии . Министерство энергетики США, Технический информационный центр. DOE/TIC-11223. OSTI 5591108.
Агентство по охране окружающей среды США (1993). Руководство по применению уточненных моделей рассеивания для опасных/токсичных выбросов в воздух . Управление по планированию и стандартам качества воздуха, EPA-454/R-93-002.
Агентство по охране окружающей среды США (1999). Руководство по программе управления рисками для анализа последствий за пределами площадки (Приложения) (PDF) . Управление по твердым отходам и реагированию на чрезвычайные ситуации, EPA 550-B-99-009. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-04-17 . Получено 2010-04-09 .
Агентство по охране окружающей среды США (1999). Технический справочный документ для анализа последствий за пределами площадки для безводного аммиака, водного аммиака, хлора и диоксида серы (PDF) . Управление готовности к чрезвычайным ситуациям, связанным с химическими веществами, и их предотвращения.
Агентство по охране окружающей среды США (2009). Глава 4: Анализ последствий за пределами площадки. В Общем руководстве по программам управления рисками для предотвращения химических аварий (40 CFR Часть 68) (PDF) . Управление по твердым отходам и реагированию на чрезвычайные ситуации, EPA 555-B-04-001.
Внешние ссылки
Центр поддержки Агентства по охране окружающей среды по моделированию атмосферы
Группа моделирования качества воздуха Агентства по охране окружающей среды (AQMG)
Лаборатория ресурсов воздуха NOAA (ARL)
Веб-сайт Комитета по связям с моделированию атмосферной дисперсии Великобритании
Веб-сайт Бюро моделирования дисперсии Великобритании
Модель переноса атмосферной химии LOTOS-EUROS
Модель Операционных Приоритетных Веществ (OPS) (на голландском языке)
Моделирование дисперсии HAMS-GPS
Wiki on Atmospheric Dispersion Modeling. Адресовано международному сообществу разработчиков моделей атмосферной дисперсии — в первую очередь исследователям, но также и пользователям моделей. Его цель — объединить опыт, полученный разработчиками моделей дисперсии в ходе их работы.