(на примереБишкекской ТЭЦ-1)
К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н.(Институт автоматики НАН КР)
Вг. Бишкек загрязнение воздушного бассейна вредными примесями происходит отразличных точечных источников. Это трубы промышленных предприятий, ТЭЦ-1,разбросанных по всему городу котельных, которые работают на твердом топливе,выхлопные трубы автомобилей и др. По оценочным данным в воздушный бассейн г.Бишкек ежесуточно выбрасывается около 80т. золы и пыли, сернистого газа,окислов азота [6].
Рассмотримсогласно справочнику [6], климатические условия г. Бишкек, при которыхосуществляется выброс примесей от труб ТЭЦ-1, при этом основное внимание уделимзимнему сезону, так как именно в этом сезоне осуществляется максимальный выбросвредных примесей в атмосферу.
Сезоныгода, установленные по астрономическим признакам для всего полушария, не всегдасоответствуют началу сезонов в том или ином районе. В связи с этим вклиматологии границы сезонов определяются по датам перехода средней суточнойтемпературы воздуха через определенные пределы, а также по некоторым другимкритериям.
Заначало и конец зимы для районов Средней Азии принято считать переход среднейсуточной температуры воздуха через 0оС в сторону понижения и повышения.Зима в Бишкеке начинается в последней пятидневке ноября и длится по февральвключительно. Начало зимы совпадает с резким уменьшением притока солнечноготепла и появлением снежного покрова. В отдельные годы даты начала и окончаниязимы могут на 20-30дней отклоняться от средних дат.
Самыйхолодный месяц зимы – январь. Средняя месячная температура воздуха в январе-5.6оС, средняя минимальная температура января -10.5оСмороза, а абсолютный минимум -38оС (отмечался в декабре 1930г.)
Суммаотрицательных температур за зимний период составляет 365оС. Обычнымдля зимы являются дневные оттепели — в среднем до 18 дней в месяц. Максимальная(дневная) температура в такие периоды может достигать 20оС; возможныдни с положительной температурой (2-4дня за месяц). Наибольший период безоттепелей составляет 30дней. В такие периоды даже дневная температура воздухане превышает 0оС. Иногда похолодания настолько сильны, что в течение8 дней и более средняя суточная температура воздуха оказывается ниже -25оС(декабрь 1954г., январь 1955 г.).
Вотдельные годы аномально холодная или аномально теплая погода можетудерживаться в течение всей зимы. Такие зимы наблюдаются один-два раза за10лет. Отклонения в сторону низких температур больше, чем в сторону высоких.Это связано с затратами тепла на таяние снежного покрова при потеплениях взимний период. В летний период положительные и отрицательные отклонения отнормы равновелики.
Положениег. Бишкек в центральной части Чуйской долины, образованной Кыргызским хребтом(на юге) и Чу-Илийскими горами (на севере), во многом определяют особенностиветрового режима города. Из-за значительной шероховатости подстилающейповерхности, г. Бишкек характеризуется слабыми скоростями ветра [6] (табл.1).
Таблица1
Повторяемостьразличной скорости по градациям (в % от общего числа случаев за год)Скорость ветра, м/с 0 – 1 2 – 3 4 — 5 6 – 7 8 – 9 10 — 11 Повторяемость, % 48.7 43.6 6.3 0.9 0.3 0.1
Помноголетним данным средняя годовая скорость внутри города составляет 1.9 м/c и2.6 м/с на окраине. В целом за год в г. Бишкек преобладает южный, юго-восточныйветер. В два раза реже наблюдается восточный и западный. Ветер северного,северо-восточного и северо-западного направления наблюдается очень редко. Пятуючасть всего времени в году занимают штили. Повторяемость штилей зимой достигаетмаксимальных значений (около 25%).
Изобщего числа случаев, слабые скорости ветра наблюдаются часто, скорости до 3м/c в сумме составляют 92%. Большие скорости ветра в Бишкеке наблюдаются крайнередко, например, повторяемость скоростей 15-17 м/с составляет один раз в год,один раз в 5 лет наблюдается скорость 23 м/c, один раз в 10 лет – 25 м/c, одинраз в 15 лет – 27 м/c и один раз в 20 лет – 28 м/c.
Загрязненностьвоздуха вредными веществами зависит, как от количества выбросов и иххарактеристик, так и от метеорологических условий [4,6,9]. Метеорологическиеусловия могут благоприятствовать накоплению вредных веществ или, наоборот,способствовать рассеиванию или переносу их воздушными течениями.
Выбросывредных примесей, поступающие из дымовых труб Бишкекской ТЭЦ-1, при нормальныхметеорологических условиях обладают начальной скоростью подъема и сильноперегреты относительно окружающего воздуха. Создается такое впечатление, чтоисточник примеси как будто приподнят над трубой. Поэтому согласно М.Е.Берлянду[4], необходимо учитывать начальный подъем примеси DН и рассматривать вместореального источника на высоте Нтр некоторый условный источник,расположенный на более высоком уровне Нe =Н tr + DН,обычно называемый эффективной высотой. Таким образом, задача сводится копределению DН в зависимости от скорости ветра, перегрева примеси и другихфакторов.
Формуладля расчета начального подъема дымового факела получена [1,4,9] в виде
/> (1)
гдеw0– вертикальная скорость выброса, R0– радиус трубы, g-ускорение свободного падения, u – скорость ветра на высоте флюгера (10м), DT –разность температур выброса из дымовой трубы и окружающего воздуха, Тв– абсолютная температура наружного воздуха. Фотографирование дымового факеланескольких мощных тепловых электростанций экспериментально подтвердило формулу(1) для дымового факела [3,7,8].
Начальныйподъем примеси и эффективная высота рассчитаны для наиболее часто встречающихсяскоростей ветра г. Бишкек, при постоянных параметрах источников выбросов [11](табл.2). В качестве температуры наружного воздуха взята температура воздухасамого холодного месяца в году — января.
Таблица2
Техническиепараметры дымовых труб Бишкекской ТЭЦ-1№ труб Высота трубы, м Диаметр устья трубы, м
Температура смеси, оС
Температура наружного воздуха, оС №
Htr
Do
Tc
Tв 1 100 5,1 83,0 -5 2 180 6,0 95,7 -5 3 180 7,0 100,0 -5 4 300 9,6 125,5 -5
Представленныев табл. 3 расчетные материалы (при среднем градиенте dH/dT в тропосфере, равным0.65) [1,2] наглядно показывают, что с увеличением высоты трубы (Htr),начальной скорости выхода дымовых газов (w) и их перегрева относительнонаружного воздуха (DT) эффективная высота (He) и начальный подъемпримеси (dH) значительно возрастают.
Наначальный подъем примеси (DH) и эффективную высоту подъема дымового факела (Hэ)влияет скорость ветра. С увеличением скорости ветра (DH) и (Hэ)уменьшаются и при скорости ветра равной опасной скорости происходит интенсивноезагрязнение приземного слоя от высотных источников выбросов (рис. e).
Каквидно из табл. 3, DH и Hэ очень сильно зависят от скорости ветра. Сусилением ветра DH значительно уменьшается. Разрушение дымового факела можетпроисходить при высоких скоростях ветра.
Таблица3
Характеристикиначального подъема и эффективные высоты дымового факела труб Бишкекской ТЭЦ-1/> u, м/с № 1 2 3 труб DH
Hэ DH
Hэ DH
Hэ 1 284,05 384,05 162,02 262,02 56,41 156,41 2 438,51 618,51 239,96 419,96 77,10 257,10 3 4966,62 676,62 269,39 449,39 85,00 265,00 4 1575,33 1875,33 779,44 1079,44 195,87 495,87
Характерсвязи между загрязнением атмосферы в городе и скоростью ветра в значительнойстепени соответствует закономерностям, установленным для источников различноготипа [4,9]. Влияние данного фактора на концентрацию примесей в городскомвоздухе проявляется двояким образом. С одной стороны, усиление ветраспособствует рассеиванию примесей в атмосфере. Очевидно, что усиление ветра,как у земли, так и на более высоких уровнях определяют вынос всей массызагрязненного воздуха за пределы города и очищению воздушного бассейна.По-видимому, в отдельных городах указанная закономерность являетсяпреобладающей.
Нарядус этим ослабление ветра приводит к увеличению подъема перегретых выбросов,который особенно значителен при штиле, и, следовательно, к уменьшениюконцентрации примесей в приземном слое воздуха. Результаты выполненнойобработки обширного материала фактических наблюдений [9] в ряде городов СНГпоказывают, что и при анализе загрязнения городского воздуха, отмеченныеэффекты проявляются достаточно чётко. Обнаружены два максимума концентраций взависимости от скорости ветра на уровне флюгера: при штиле и при скорости 4 — 7м/сек.
Результатыанализа связей между концентрациями примесей в городском воздухе и скоростьюветра соответствует имеющимся физическим представлениям и выводам теоретическихисследований. Два максимума концентраций, очевидно, связаны с вкладом двухгрупп источников, При штиле основную роль в загрязнении воздуха играют низкиевыбросы. Именно поэтому штилевой максимум наиболее выражен зимой, когдавследствии пониженного турбулентного обмена ослаблено рассеивание низких ипоступление в приземной слой высоких источников выбросов.
Усилениевторого максимума концентрации (при скорости ветра от 4 до 7м/с) связано синтенсивным поступлением к земле выбросов от высоких источников (рис е).
Известно,что с увеличением высоты температура воздуха в основном понижается [1,2,6]. Ичем сильнее понижается температура с высотой, тем интенсивнее перемешиваетсявоздух. Нагревшийся у земли воздух становится менее плотным и поднимаетсявверх, способствуя очищению городского воздуха от загрязняющих веществ в нижнихслоях атмосферы (рис а).
Вряде случаев в основном при излучении земной поверхности в ясные ночинаблюдается обратное распределение температуры с высотой, т.е. рост температурыс высотой (инверсия) [2,4,6,9]. Иногда инверсии формируются на некоторой высотенад поверхностью земли — приподнятые инверсии. Инверсии препятствуют развитиюконвективных движений (они получили название задерживающих слоев) испособствуют накоплению загрязнения в приземном слое. Поэтому при инверсияхконцентрации вредных веществ у земли возрастают.
Вгодовом ходе наиболее тонкие приземные инверсии в г. Бишкек наблюдаются летом[6]. Начиная с осени, мощность инверсий растет и достигает максимум (440-460м)зимой. Независимо от высоты нижней границы мощность приподнятых инверсийколеблятся от 100до 380м.
Повышениетемпературы воздуха с высотой приводит к тому, что выбросы из труб не могутподниматься выше определенного уровня “потолка” [4], при этом согласно [1,9]высота потолка определяется по формуле:
/> (2)
Каквидно из табл.4, при фиксированных параметрах выброса и постоянном коэффициентетурбулентности (устойчивое состояние атмосферы) потолок подъема вредныхпримесей уменьшается с увеличением градиента температуры и минимальные значенияпотолка подъема наблюдаются при сверх адиабатических градиентах dt/dz > 10/100м.
Таблица4
Характеристикипотолка подъема дымового факела труб Бишкекской ТЭЦ-1
№
труб Dt/dz 0,4 0,5 0,65 0,8 1,0 1,2 1 175,94 157,36 138,02 124,41 111,27 101,58 2 237,67 212,58 186,44 168,06 150,32 137,22 3 295,55 264,34 231,84 208,98 186,92 170,63 4 494,71 442,48 388,08 349,81 312,88 285,62
Низкорасположенные приподнятые инверсии на уровне источников выброса способствуютвозникновению эффекта, называемого “задымлением”. При этом примеси,скапливающиеся на уровне 100-300м, начинают интенсивно поступать в нижний слойвоздуха, при этом высота источников выброса не играет существенной роли изагрязнение приземного слоя осуществляется от всех труб одновременно (рис. f).
/>
a)
/>
b)
/>
c)
/>
d)
/>
e)
/>
f)
Рис.Формы дымового факела. при различных метеорологических условиях
Следуетдобавить, что кроме рассмотренных вариантов (a,e,f) дымового факела, могутнаблюдаться следующие формы (рис):
b)факел имеет Г-образную форму: дым сначала поднимается вертикально, а затемсмещается горизонтально по ветру, характерен для нулевого или отрицательногоградиента температуры при штиле [10].
c)факел в начале направлен под углом к горизонту, а затем смещается горизонтальнопо ветру, характерен для нулевого или отрицательного градиента температуры прислабой скорости ветра.
d)факел горизонтален, незначительно расширяется по мере удаления от трубы, онхарактерен для вечернего времени при градиенте температуры, близком к нулевому,и умеренной скорости ветра.
Такимобразом, можно заключить, что при очень слабом ветре и неустойчивойстратификации в случае горячих выбросов (ТЭЦ) приземная концентрация мала засчет значительного увеличения начального подъема факела DН от источника. Приналичии же приподнятой инверсии и потолка Zn на сравнительнонебольшой высоте от источника величина DН ограничена, а следовательно, иэффективная высота подъема дымового факела. Концентрация вредных примесейвозрастает при скоростях ветра, близких к опасным, за счет поступления вредныхпримесей от высотных источников (труб ТЭЦ) в нижний приземный слой воздуха. Приштиле и приподнятой инверсии на уровне источника выбросов отмечаются самыевысокие уровни концентрации вредных примесей приземного слоя воздуха, т.епроисходит “задымление”.
Список литературы
Атмосфера.Справочник (справочные данные, модели). Редакторы О.В.Лапина, О.Д.Рейнгеверц.–Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –511с.
Аэроклиматическиехарактеристики пограничного слоя атмосферы Средней Азии. Книга 1.Статистические характеристики метеорологических элементов в различные часысуток. САНИИ им. В.А.Бугаева. –Ташкент, 1986. –318с.
Батжаргал(МНР), Тенева М. (НРБ), Царев А.М. (СССР). Третий этап международного комплексаэксперимента по изучению распространения примесей в атмосфере в условияхсложного рельефа / Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Итогисотрудничества социалистических стран. –Л.: Гидрометеоиздат. –1991. –С.69-70.
БерляндМ.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991.–136с.
БерляндМ.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И. О расчете загрязнения атмосферы выбросамидымовых труб электростанций / Тр. ГГО, вып. 158. 1964. –С.3-21.
КлиматФрунзе / Под ред. Е.С.Скибы, Ц.А.Швер. –Л.: Гидрометеоиздат. 1991. –136с.
ОникулР.И. Методика расчета загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятийи тепловых электростанций / Тр. ГГО, вып. 71. 1965. –С.23-34.
ОникулР.И. и др. Результаты анализа экспериментальных данных, характеризующихраспределение атмосферных загрязнений вблизи тепловых электростанций /Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1971.-С.70-81.
СонькинЛ.Р. Синоптико-статистический анализ и краткосрочный прогноз загрязнения атмосферы.–Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –224с.
СтернзатМ.С. Метеорологические приборы и измерения. –Л.: Гидрометеоиздат, 1978. –392с.
Экологическийпаспорт предприятия Кыргызэнерго. Машинопись. –Бишкек, 1991. –12с.