Опасная скорость ветра

Опасная скорость ветра (примерно на высоте 10 м от земли), u_м (м/с), та,при которой достигается максимальная приземная концентрация вещества С_м:

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

(3.40)

3.2.4. Максимальное значение приземной концентрации вредных веществ с учетом скорости ветра

Максимальное значение приземной концентрации вредного вещества С_мu (мг/м³) при неблагоприятных метеорологических условиях и скорости ветра u (м/с), отличающейся от опасной скорости ветра u_м (м/с), определяется по формуле:

(3.41)

где r – безразмерная величина, определяемая в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

(3.42)

(3.43)

П р и м е ч а н и е. При проведении расчетов не используются значения скорости ветра u< 0,5 м/с, а также скорости ветра u > u^*, где u^* - значение скорости ветра, превышаемое в данной местности в среднем многолетнем режиме в 5 % случаев.

3.2.5. Расстояние, на котором достигается максимальная концентрация вредных веществ с учетом скорости ветра

Расстояние от источника выброса Х_мu (м), на котором при скорости ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях приземная концентрация вредных веществ достигает максимального значения С_мu (мг/м³), определяется по формуле:

(3.44)

где р – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения u/u_м по формулам:

(3.45)

(3.46)

(3.47)

3.2.6. Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по оси факела выброса

При опасной скорости ветра приземная концентрация вредных веществ С в атмосфере по оси факела выброса на различных расстояниях Х от источника выброса определяется по формуле:

(3.48)

где s₁ – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от отношения Х/Х_м и коэффициента F по формулам:

(3.49)

(3.50)

(3.51)

(3.52)

Для низких и наземных источников (высотой Н не более 10 м) при значениях Х/Х_м < 1 величина s₁ в (3.48) заменяется на величину s₁^н, определяемую в зависимости от Х/Х_м и Н по формуле:

(3.53)

Рис. 3.2. Схема рассеяния вредного вещества в приземном слое атмосферы

П р и м е ч а н и е. Аналогично определяется значение концентрации вредных веществ на различных расстояниях по оси факела при других значениях скоростей ветра u и неблагоприятных метеорологических условиях.

3.2.7. Приземная концентрация вредных веществ в атмосфере по перпендикуляру к оси факела выброса

Значение приземной концентрации вредных веществ в атмосфере С_у на расстоянии Y по перпендикуляру к оси факела выброса определяется по формуле:

(3.54)

где s₂ – безразмерный коэффициент, определяемый в зависимости от скорости ветра u (м/с) и отношения Y/Х по значению аргумента t_y:

(3.55)

(3.56)

по формуле:

(3.57)

Пример 3.2. Определить максимальное значение приземной концентрации ЗВ С_{м ,} мг/м³, при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника с круглым устьем и расстояние Х_м, м, на котором она достигается при неблагоприятных метеорологических условиях. Сравнить С_м с ПДК.

Исходные данные. Источником загрязнения атмосферы (ИЗА) является дымовая труба котельной для технологических нужд в г. Пензе.

Источник имеет следующие параметры: высота Н = 30 м, диаметр устья D = 1 м, скорость выхода газовоздушной смеси из устья ω_о = 7,06 м/с, расход газовоздушной смеси V₁ = 5,51 м³/с, температура Т_г = 160 ^оС. Массовый выброс диоксида азота М = 4,1 г/с и оксида углерода М = 11,4 г/с.

Местность ровная.

Решение. Величина С_м определяется по формуле (3.16). Коэффициент А для г. Пензы равен 160. Коэффициент F=1 для газообразных ЗВ. Котельная предназначена для технологических нужд (не отопительная), т.е. нагрузка на котлы и массовые выбросы ЗВ одинаковы в теплый и холодный периоды года. Поэтому принимаем температуру наружного воздуха для наиболее невыгодного случая (в теплый период) равной средней максимальной температуре наружного воздуха наиболее жаркого месяца по СНиП 2.01.01-82 Т_В = 25,3 ^оС. Тогда ΔТ = Т_Г - Т_В = (160-25,3) = 134,7^оС. Для ровной местности коэффициент, учитывающий влияние рельефа, η = 1. Для определения коэффициентов m и n необходимо рассчитать параметры f, v_м, v_м' и f_eпо формулам (3.17) – (3.20) соответственно:

Коэффициент m определяется по формуле (3.21):

Коэффициент n определяется по формуле (3.24):

Тогда для диоксида азота:

Для оксида углерода:

ПДК для диоксида азота и оксида углерода соответственно равны 0,085 и 5 мг/м³, следовательно, С_м< ПДК для обоих веществ (без учета фоновых концентраций и других ИЗА, выбрасывающих эти же ЗВ).

Величину Х_м определяем по формуле (3.28), где безразмерный коэффициент d по зависимости (3.30) равен:

Тогда

Значения С_м и Х_м определены по формуле (3.36) для опасной скорости ветра u_м = υ_м = 1,9 м/с.

Пример 3.3. Определить приземную концентрацию 3В в атмосфере С, мг/м³, по оси факела выброса на различных расстояниях Х, м, от источника загрязнения атмосферы (ИЗА) при опасной скорости ветра, u_м, м/с. Построить график распределения концентраций С = f (Х).

Исходные данные принять из примера 3.2 для оксида углерода: С_м = 0,221 мг/м³, Х_м =341 м, u_м =1,9 м/с.

Решение. Величина С определяется по формуле (3.48), где s ₁рассчитывается в зависимости от отношения Х/Х_м по формулам (3.49) и (3.50).

Зададимся интервалами значений Х: 50 м при Х/Х_м < 1 и 200 м при Х/Х_м >1.

Для Х = 50 м коэффициент s₁ по формуле (3.49) равен:

s₁ = 3∙(50/341)⁴ – 8∙(50/341)³ + 6∙(50/341)² = 0,105.

Тогда по формуле (3.48):

С = 0,105 ∙ 0,221 = 0,0232 мг/м³.

Для Х = 400 м коэффициент s₁ по формуле (3.50) равен:

s₁ = l,13/(0,13 ∙ (400/341)² +l) = 0,959.

Тогда по формуле (3.48) для Х = 400 м:

С = 0,959 ∙ 0,221 = 0,212 мг/м³.

Для остальных значенийХ результаты расчетов концентраций представлены в табл. 3.3.

Рис. 3.3. Рассеяние вредного вещества в атмосфере по оси факела выброса

Таблица 3.3 Расчет концентраций загрязняющего вещества по оси факела выброса

Х, м	Х/Хм	s1	С,мг/м3
	0,147	0,105	0,0232
	0,293	0,33	0,073
	0,44	0,593	0,131
	0,587	0,804	0,178
	0,733	0,941	0,208
	0,880	0,995	0,22
			0,221
	1,173	0,959	0,212
	1,76	0,806	0,178
	2,35	0,659	0,146
	2,93	0,534	0,118
	3,52	0,433	0,0957

На основании данных табл. 3.3 строим графическую зависимость С = f(Х), (рис.3.3).

Пример 3.4. Определить приземную концентрацию 3В в атмосфере Сy по перпендикуляру к оси факела выброса на различных расстояниях Y от точки Х = Х_м при опасной скорости ветра u_м. Построить график распределения концентраций С_У = f(Y).

Исходные данные принять из примера 3.2 для оксида углерода: С = С_м = 0,221 мг/м³, Х = Х_м = 341 м, u = u _м = 1,9 м/с.

Решение. Величина С_Уопределяется по формуле (3.54), где коэффициент s₂ определяется по формуле (3.57) в зависимости от аргумента t_У, рассчитываемого по уравнению (3.55).

Задаемся интервалами значений Y. Для Y = 20 м

Для остальных значений Y результаты расчетов представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4 Расчет концентраций загрязняющего вещества перпендикулярно оси факела выброса

Y, м	tУ	s2	СУ
			0,221
	0,00654	0,968	0,214
	0,0261	0,77	0,17
	0,0588	0,555	0,117
	0,105	0,351	0,077
	0,163	0,495	0,043

На основании данных табл. 3.4 строим графическую зависимость С_У = f(Y), (рис. 3.4).

Пример 3.5. Построить поле (изолинии) концентраций 3В от одиночного точечного источника в приземном слое атмосферы. Исходные данные принять из примеров 3.2 - 3.4.

Решение. Величина С_м = 0,221 мг/м³ при Х_м = 341 м. Значения расчетных изолиний концентраций примем 0,1; 0,15; 0,2 мг/м³.

Координаты Х и Y для этих концентраций примем непосредственно из графиков в примерах 3.3 и 3.4 (рис.3.3 и 3.4). Полученные данные приведены в табл.3.5. В ней 6 точек приняты из примера 3.3 для значений концентраций вдоль оси факела, т.е. при Y = 0. Другие 6 точек приняты из примера 3.4 для значений концентраций перпендикулярно оси факела при фиксированном Х = 341 м.

Рис. 3.4. Приземная концентрация ВВ в атмосфере по перпендикуляру к оси факела выброса (сечение в точке Х=ХМ)

Непосредственно из рис.3.4 получены только три точки по одну сторону оси Х. По другую сторону оси Х концентрации будут такими же, т.к. факел рассеивания симметричен этой оси. Поэтому для оставшихся трех точек координату Y примем со знаком "-".

Таблица 3.5 Координаты точек изолиний концентраций

Значения концентраций, мг/м3	№ точки	Координаты, м
Х	Y
0,1
		- 68
0,15
		- 47
0,2
		- 27

Поле изолиний концентраций приведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Поле изолиний концентраций вредного вещества

3.3.Концентрация газа в воздушном пространстве вблизи поврежденного газопровода

Основная причина рассеяния загрязнений в атмосфере - турбулентность воздуха. С понижением температуры воздуха по мере удаления от поверхности земли вертикальные потоки воздушных масс усиливаются, что способствует увеличению турбулентности и рассеиванию загрязнителей в атмосфере. Если же с высотой температура воздуха увеличивается (температурная инверсия), то движение воздуха и рассеивание загрязнителя существенно сокращаются. В связи с этим в основу классификации устойчивости атмосферы положен температурный градиент (табл.3.6).

Таблица 3.6 Классификация устойчивости атмосферы(по Пасквиллу)

Категория устойчивости атмосферы	Температурный градиент,ΔT/Δz, оС/100 м
A	Наибольшая неустойчивость	Менее -1,9
B	Умеренная неустойчивость	–1,9; -1,7
C	Слабая неустойчивость	-1,7; -1,5
D	Нейтральная устойчивость	-1,5; -0,5
E	Слабая устойчивость	-0,5; 1,5
F	Умеренная устойчивость	1,5; 4
G	Наибольшая устойчивость	Более 4

Поврежденный газопровод можно рассматривать как точечный источник загрязнения в случае локального нарушения герметичности и как линейный источник - при протяженных разрушениях.

Концентрацию газа в точке М с координатами X, Y, Z при локальном повреждении газопровода Белов и Требин рекомендуют определять по формуле:

(3.58)

где Q - количество газа, выделенного источником;

σ_y, σ_z - дисперсии распределения концентрации в направлении осей соответственно Y и Z;

u_o - cредняя скорость ветра в направлении оси X.

Рис. 3.6. Номограммы для определения дисперсий распределения концентрации в направлении осей Y (а) и Z (б).А, В, C, D, E, F – категории устойчивости атмосферы.

В случае линейного источника загрязнения длиной l, расположенного под прямым углом к направлению ветра (рис.3.7, а), концентрацию газа в точке М можно определить по формуле Шаприцкого:

(3.59)

где Н – высота источника над землей, м.

Для подземных и наземных трубопроводов Н в формуле (3.59) принимают равной нулю.

Точная оценка мощности линейного источника затруднительна, поскольку она является функцией давления и температуры газа, которые в рассматриваемом случае переменны во времени. Однако для приближенных расчетов Q можно оценить по максимальному объему газа, выделяющегося из газопровода, и средней продолжительности его истечения.

Рис. 3.7. Расчетная схема для определения области загрязнения от линейного источника

Контур области загрязнения, в пределах которого концентрация ингредиента равна или выше ПДК, можно определить, если приравнять левую часть выражений (3.58) и (3.59) к значению ПДК, установленного для данного ингредиента, и вычислить Х при фиксированных значениях Y.

В тех случаях, если направление ветра образует некоторый угол φ с осью газопровода (рис.3.7, б), то расчетная длина источника в формуле (3.59)

Пример 3.6. Рассматривая поврежденный газопровод как точечный источник загрязнения, определить концентрацию газа в точке с координатами Y = 2 км, Z = 2 км на расстоянии Х = 2 км от места утечки. Средняя скорость ветра в направлении оси Х составляет 4 м/с, количество газа, выделяющегося из газопровода – 1 кг/ч.

Решение. По номограммам (рис.3.6) определим дисперсии распределения концентрации газа в направлении осей Y и Z в зависимости от удаленности точки от места утечки (X) и устойчивости атмосферы (F): σ_y = 60 м, σ_z = 17 м.

Воспользовавшись формулой (3.58), рассчитаем концентрацию газа в заданной точке пространства: