Влияние метеорологических факторов на рассеивание

Общая метеорологическая ситуация — важнейший фактор, определяющий поведение выбросов в атмосфере. Она должна тщательно анализироваться еще при решении вопроса о месте размещения нового промышленного предприятия или развитии (реконструкции) существующего. До сих пор такой анализ про­изводится не в полном объеме и нередко с ошибочными выво­дами. К анализу очень часто не привлекаются специалисты-ме­теорологи, не рассматриваются возможные изменения микро­климата в связи с хозяйственной деятельностью. Результат — непрогнозируемое загрязнение атмосферы в селитебных зонах. Лишь в последние годы внимание к изложенному вопросу несколько усилилось. Что же касается ранее построенных предприятий, то ошибки приходится исправлять, оснащая их все более крупными и мощными газоочистительными сооружениями

Особо следует выделить вопрос о так называемых технологических резервах. Например, можно соорудить электрофильтр с пятью-шестью последовательными электрическими полями, но обычно держать в работе три или четыре поля, остальные же включать при ухудшении условий рассеивания или при нежела­тельном изменении направления ветра. Такие решения являются альтернативой по отношению к снижению мощности предприя­тия в аналогичных ситуациях. Экономически они в большинстве случаев выгодны, поскольку требуют сравнительно небольшого увеличения капитальных затрат, но зато гарантируют устойчи­вую работу основного производства независимо от погодных факторов.

Картина общей метеорологической ситуации в данной мест­ности складывается из следующих элементов:

1. Ветер. Направление и скорость движения ветра не остаются постоянными. Вследствие этого меняется степень загрязнения. Зависимость концентрации загрязняющих веществ от направления движения ветра имеет важное значение при решении вопросов размещения промышленных предприятий в плане города и выделении промышленной зоны. При выборе площадки для строительства предприятий необходимо учитывать среднегодовую и сезонную розу ветров.

Скорость движения ветра возрастает с увеличением перепада атмосферного давления. У поверхности земли скорость движения ветра больше днем, а на высоте — ночью. Неоднократно предпринимались попытки выявить зависимость между содержанием вредных веществ в городском воздухе и скоростью движения воздуха. При выбросах из низких источников наибольшее загрязнение наблюдается при слабых ветрах в пределах 0–1 м/с. При выбросах из высоких источников максимальная концентрация загрязнения наблюдаются при опасных скоростях движения ветра в пределах 3–6 м/с в зависимости от скорости выхода газовоздушной смеси из устья источника.

2. Осадки. Осадки, в общем, способствуют удалению загрязнителей из атмосферы. Однако есть обратная сторона: дождь переносит загрязнители из атмосферы в почву, водоемы и на растительность, а также на искусственные сооружения. Особенно опасен захват дождевыми каплями хи­мически агрессивных компонентов выбросов. Такие дожди мед­ленно, но разрушительно действуют на все, расположенное на земной поверхности. Из-за отсутствия надежных критериев для оценки захвата дождевыми каплями хи­мически агрессивных веществ, этот фактор не учитывается при расчете рассеивания. Однако контакт дождя с выбросами яв­ляется реальным физическим процессом и в принципе поддается количественному расчету. Практически следует ориентироваться на годовое (сезонное) количество осадков и их характер. Наи­более активно контактируют с выбросами дожди с размерами капель 1000–3000 мкм. Это — дожди средней интенсивности, не ливневые и не моросящие. Снег тоже захватывает выбросы, но значительно слабее дождя.

3. Длительные и плотные туманы. Туманы свидетельствуют о застойных явлениях в приземном слое. Они являются неблаго­приятным метеофактором. Во-первых, они способствуют образованию температурных инверсий, во-вторых, мо­гут быть причиной образования смога — смеси естественного тумана с летучими промышленными выбросами. Известны мно­гочисленные случаи, когда устойчивый смог приводил к траги­ческим последствиям для населения. Например, печально знаменитый лондонский смог.

4. Температурная стратификация атмосферы. Температурная стратификация атмосферы определяет одно из ее состояний: неустойчивое, безразличное и устойчивое. Для рассеивания наиболее благоприятно неустойчивое состояние, сопровождаемое интенсивным перемешиванием воздушных объемов в вертикальном направлении. При безраз­личном состоянии рассеивание заметно ухудшается. Наиболее неблагоприятным является устой­чивое состоянии — инверсия.

Рассмотрим понятие инверсии. В тропосфере с увеличением высоты температура обычно понижается (в среднем на 4–8 °С на 1 км). Однако в нижних слоях атмосферы (до 1–2 км) температура может повышаться с увеличением высоты в течение более или менее существенных периодов времени, т. е. холодный воздух «подтекает» под теплый. Этот эффект называется инверсией (рис. 3). Инверсия — сложное явление, рассматриваемое в специальной метеорологической ли­тературе. При инверсии каждый элементарный объем воздуха с содержащимися в нем загряз­нителями совершает лишь незначительные вертикальные коле­бания, оставаясь в диапазоне высот до 500–600 м. В результате загрязняющие вещества накапливаются над землей. Образова­нию инверсий способствуют штили, плотные туманы, густая низкая облачность, холодная, покрытая снегом почва. Опасны горные долины и ложбинные места. Инверсионные яв­ления, связанные с охлаждением и оседанием воздушных масс, нередко возникают над крупными водоемами.

Для учета этого фактора необходимо располагать общей характеристи­кой данного района с точки зрения возможности возникновения инверсий, их повторяемости и длительности. Недостаточное вни­мание к информации такого рода приводит к отрицательным, а иногда и катастрофическим последствиям. Не следует думать, что инверсия — явление редкое и исключительное. В Лос-Андже­лесе инверсии случаются в среднем до 270 раз в году, причем до 60 из них сопровождается совершенно недо­пустимой концентрацией вредных примесей в атмосфере. Инверсии, в том числе сопровождаемые смогом, наблюдаются и в ряде городов России, насыщенных промышленными пред­приятиями.

Различают приземную и приподнятую инверсии. Приземные инверсии характеризуются отклонениями непосредственно у поверхности земли, приподнятые — появлением более теплого слоя воздуха на некоторой высоте относительно земли.

Рис. 3. Распределение температуры по высоте: А — нормальное распределение; Б — инверсия

Инверсии имеют локальный характер, поэтому в местах, где намечается строительство необходимо проводить тщательные исследования, определяющие вероятность частоты инверсии, повторяемость, характер, мощность. Данные об инверсии должны учитываться при определении высоты трубы, через которую выбрасываются вредные вещества. Основной выброс должен производиться выше инверсионного слоя.

Инверсии всегда опасны, хотя степень их опасности раз­лична. В зимнее время возможно сочетание приземной инверсии с оседанием холодного воздуха из верхних слоев атмосферы. В результате возникает единый инверсионный слой большой мощности, практически исключающий рассеивание выбросов.

Наиболее опасными условиями загрязнения воздуха являются:

1) для высоких источников:

— приподнятая инверсия, нижняя граница которой находится над источником выбросов, что увеличивает mах приземную концентрацию на 50–100%;

— приземная инверсия, когда высота трубы выше инверсионного слоя, сочетающаяся наличием штилевого слоя, расположенного ниже источника выбросов, когда на уровне выбросов скорость движения ветра в 1,5–2 раза превышает величину скорости выбросов.

2) для низких источников:

— сочетание приземной инверсии со слабым ветром;

— сочетание приподнятой инверсии, расположенной непосредственно над источником, со слабым ветром при холодных выбросах.

Характерное для инверсий распространение выбросов в приземном слое показано на рис. 4. В литературе предлагаются формулы для оценки загрязнения воздуха в инверсионной области, однако их практическое использование затруднительно, поскольку для этого требуется достаточно точно знать вид инверсии, ее глу­бину и происхождение.