Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВЕРТИКАЛЬНОЙ ДИФФУЗИИ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов, а именно к определению коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы с помощью нейтронно-активационного анализа мхов-биомониторов.

Известен способ определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы [1. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - С. 130], основанный на формуле Сольберга:

где R_n - нормальная составляющая силы внутреннего трения атмосферных потоков;

σ(z) - длина дуги годографа количества движения атмосферного воздуха, отсчитываемая от точки, соответствующей уровню земли;

z - высота от поверхности земли, на которой определяется коэффициент вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы;

r - радиус кривизны годографа.

Для использования формулы Сольберга необходимо произвести измерения на разных высотах скорости ветра, плотности воздуха и атмосферного давления.

Недостатки способа:

1. Измерения скорости ветра, атмосферного давления и плотности воздуха производят на основе большой серии (не менее трех) шаропилотных наблюдений, то есть являются трудоемкими и дорогостоящими процессами.

2. Полученные данным способом значения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы характеризуют вполне определенные состояния атмосферы, когда измеряемые на разных высотах скорость ветра, плотность воздуха и атмосферное давление можно считать неизменными величинами. Данное условие выполняется только при сравнительно малых периодах наблюдения.

3. Величина коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы, определенная данным способом, имеет большую погрешность, так как выражается через производную от функции σ(z), которая определяется по измеряемым на опыте скоростям ветра и плотности воздуха на разных высотах.

Известен способ определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы [1, с. 151-153.], основанный на формуле:

где В(ε,z₀) - табулированная в зависимости от параметров ε и z₀ функция;

ε - параметр, характеризующий температурную стратификацию атмосферы;

z₀ - параметр шероховатости, зависящий от рельефа местности;

z₁ - высота от поверхности земли и обычно равная 1 м;

u₁ - скорость ветра на высоте z₁.

Для осуществления этого способа необходимо измерить скорость ветра на высоте z₁, а также с помощью шаропилотных наблюдений определить температурный градиент на основе измерений температуры на разных высотах.

Основные недостатки этого способа:

1. Имеются существенные трудности в определении параметра шероховатости z₀. Данные по этой величине, приведенные в литературе для определенных типов рельефа, имеют значительный разброс. Обычно реальная местность имеет сложный рельеф, который трудно отнести к какому-либо определенному типу.

2. Полученные значения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы характеризуют вполне определенное состояние атмосферы и не могут быть использованы для других, быстро меняющихся условий.

Наиболее близким является способ определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы [2. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - С. 28], основанный на формуле:

k_z=k₁z,

где k₁ - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии, определяемый расчетным способом по измеряемым на опыте величинам,

z - высота от поверхности земли, на которой определяется коэффициент вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы.

Для устойчивого состояния атмосферы коэффициент k₁ определяют по формуле:

где æ=0,38 - аэродинамическая постоянная Кармана;

u₂, u₁ - скорости ветра, измеренные на двух высотах z₂ и z₁.

При неравновесных (неустойчивых) условиях в приземном слое атмосферы k₁ определяют из выражения [3. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - С. 22]:

где Б - параметр устойчивости, ;

δT - разность температур на высотах z₃ и z₂;

T_a - температура по абсолютной шкале;

h - высота приземного слоя атмосферы;

g - ускорение свободного падения;

z₁, z₂, z₃ - различные высоты, отсчитываемые от поверхности земли.

Для использования данной формулы необходимо произвести измерения температур на высотах h, z₂, z₃, а также скорость ветра на высоте z₁, равной 1 м.

Основные недостатки данного способа:

1. Полученные данным способом значения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы характеризуют вполне определенное состояние атмосферы и не могут быть использованы для других, быстро меняющихся условий.

2. При расчете коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы для неустойчивых состояний атмосферы возникают трудности, связанные с определением параметра шероховатости z₀, так как рельеф местности, как правило, трудно отнести к какому-либо одному типу.

3. Высота приземного слоя атмосферы h не имеет однозначного значения, так как изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от термической стратификации атмосферы, величины скорости ветра, а также шероховатости земной поверхности. Поэтому при различных условиях значение высоты приземного слоя атмосферы h изменяется от 50 до 250 м.

Задачей изобретения является разработка способа определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы, который можно использовать для любой местности независимо от ее рельефа и с учетом возможных для этой местности состояний атмосферы.

Поставленная задача решена за счет того, что способ определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы так же, как в прототипе, включает измерение скорости ветра на высоте 1 метр и определение коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы по формуле:

k_z=k₁z,

где k₁ - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии;

z - высота от поверхности земли, на которой проводят определение коэффициента вертикальной диффузии.

Согласно изобретению для определения коэффициента пропорциональности вертикальной диффузии k₁ в заданном направлении от промышленного предприятия на разных расстояниях от 1 до 5 км отбирают не менее 5 образцов эпифитного мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. с коры берез, осин и тополей на высоте от 1,5 до 2 м. Кроме того, один образец отбирают на фоновой территории с природно-климатическими условиями, одинаковыми с исследуемой территорией, и удаленной на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.

Очищают образцы мха от инородных примесей, промывают дистиллированной водой, сушат при температуре от 80 до 100°С, гомогенизируют и изготавливают от 5 до 10 параллельных представительных проб. При использовании нейтронно-активационного анализа пробы подвергают облучению потоком тепловых нейтронов в течение не более 5 часов. После спада активностей Na²⁴ до безопасного уровня определяют удельную активность каждой пробы путем сравнения интенсивности гамма-линий радионуклидов химических элементов в пробе с интенсивностью гамма-линий эталонов.

Значения концентраций химических элементов в образцах мхов, определенные с помощью нейтронно-активационого анализа, методом наименьших квадратов аппроксимируют зависимостью вида:

где q_ф - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстояние не менее 100 км;

х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия, определяя при этом численные значения эмпирических коэффициентов А, С и θ, затем рассчитывают коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии k₁:

где n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=u₁zⁿ,

где u₁ - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;

Н - высота трубы промышленного предприятия.

Найденное значение k₁ используют для определения коэффициента вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы k_z.

Эпифитный мох Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. имеет продолжительный жизненный цикл до 10-15 лет, высокие аккумуляционные способности, широкое распространение, высокую встречаемость в различных климатических зонах, произрастают на коре старых осин, берез и тополей, поэтому могут быть отобраны в зоне действия промышленных предприятий. Использование определенной длины прироста мха позволяет варьировать время экспозиции от 2-3 до 10-15 лет, что позволяет определить коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии k₁ с учетом рельефа подстилающей поверхности и различных состояний атмосферы, реализованных за время экспозиции.

Изготовление параллельных представительных проб из образцов отобранного эпифитного мха позволяет уменьшить погрешность в измерениях без существенного увеличения стоимости анализа. Для проведения анализа необходимо использовать 5-10 параллельных представительных проб. Использование представительных проб для нейтронно-активационного анализа обеспечивает достоверное определение концентраций всех химических элементов в анализируемых пробах, что в свою очередь позволяет с большой точностью и объективностью построить зависимость концентрации химических элементов во мхах от расстояния от источника загрязнения и определить коэффициент вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы.

На фиг. 1 представлена карта пробоотбора в зоне влияния угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска; цифрами обозначены точки пробоотбора.

На фиг. 2 представлена карта пробоотбора в зоне влияния алюминиевого завода; цифрами обозначены точки пробоотбора.

В таблице 1 представлены средние значения концентраций Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) для угольной ТЭЦ-5.

В таблице 2 представлены средние значения концентраций Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V, накопленных во мхах, а также средние значения фоновых (природных) концентраций этих элементов (мкг/г) для Кандалакшского алюминиевого завода.

На фиг. 3 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где а) - Cs, б) - Eu.

На фиг. 4 точками изображены результаты измерений концентраций химических элементов во мхах, отобранных в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода, сплошными кривыми представлены результаты аппроксимации измеренных концентраций для этих элементов, а горизонтальной линией изображены фоновые концентрации химических элементов во мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G., где a) - Al, б) - V.

В таблице 3 представлены численные значения эмпирических коэффициентов А, С, θ, среднегодовая скорость ветра u₁ на высоте 1 метр, параметр n, а также коэффициент вертикальной диффузии выбросов ТЭЦ-5 г. Новосибирска для различных высот приземного слоя атмосферы.

В таблице 4 представлены численные значения коэффициентов А, С, θ, среднегодовая скорость ветра u₁ на высоте 1 метр, параметр n, а также коэффициент вертикальной диффузии выбросов Кандалакшского алюминиевого завода для различных высот приземного слоя атмосферы.

Образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. в соответствии с розой ветров отбирали в северо-восточном направлении от ТЭЦ-5 г. Новосибирска в 2008 году с коры старых осин и тополей на высоте 1,5-2 метра от земли, что соответствует слою воздуха, которым дышит взрослый человек: два образца отбирали на расстояниях 1-1,5 км, три образца на расстояниях 2-4 км (при высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м) и два образца на расстояниях около 5 км (фиг. 1).

В соответствии с розой ветров образцы мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G отбирали в северном направлении от Кандалакшского алюминиевого завода в 2013 году на расстояниях 1-7 км через приблизительно равные отрезки пути (при высоте трубы КАЗ H=120 м) (фиг. 2).

Кроме того, по одному образцу мха отбирали на фоновых территориях, удаленных на расстояние более 100 км от промышленных центров в направлении, противоположном преимущественной розе ветров.

После отбора образцы мха очищали от земли и различных примесей, затем производили промывку дистиллированной водой. Образцы мха высушивали до постоянного веса в духовом шкафу при температуре 80°-100°С и подвергали процессу гомогенизации, и делали по 5-10 параллельных представительных проб методом квартования.

Для исследования концентраций тяжелых металлов и других микроэлементов в отобранных образцах мха Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G. методом нейтронно-активационного анализа из каждой пробы были спрессованы таблетки. Для этого измельченный и перемешанный мох помещали в пресс-форму и использовали винтовой пресс. В результате были получены таблетки массой 0,1÷0,4 г диаметром 1 см. Все пробы взвешивали на аналитических весах и пронумеровывали. Каждую таблетку заворачивали в алюминиевую фольгу. Все пробы были разделены на несколько партий по 25-30 штук. Каждую партию заворачивали вместе с эталонами МАГАТЭ (листья березы - ЛБ-1 и листья табака - ТАБАК-5) в отдельную алюминиевую фольгу. Затем каждую упаковку помещали в пенал из алюминия высокой чистоты и облучали в канале реактора ВЭК-6 в потоке тепловых нейтронов плотностью 5·10¹³ нейтрон/см²·с в течение 5 часов. После окончания облучения пробы выдерживали в течение недели, что необходимо для спада активностей Na²⁴ до безопасного уровня, и распаковывали. Все пробы помещали в измерительные емкости, обозначенные порядковым номером каждой пробы. Удельные активности каждой анализируемой пробы измеряли на полупроводниковом гамма-спектрометре на базе полупроводникового детектора GC4020. Определение концентраций химических элементов проводили относительным методом, сравнивая интенсивности аналитических гамма-линий радионуклидов определяемых элементов с интенсивностью соответствующих гамма-линий эталонов, рассчитывали концентрации определяемых элементов [4. Кузнецов Рафаил Алексеевич. Активационный анализ / Р.А. Кузнецов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва, Атомиздат, 1974. - С. 37]. Время измерения составляло 1200-1800 секунд в зависимости от удельной активности измеряемых проб. Для обработки аппаратурных гамма-спектров была использована программа «Genia-2000», разработанная компанией CANBERRA. Таким образом, были определены средние концентрации следующих элементов в параллельных пробах мха, отобранных на территории угольной ТЭЦ-5 г. Новосибирска: Sm, Се, Sr, Cs, Fe, Zn, Sc, Co, U, Eu, Yb (таблица 1), и средние концентрации Al, Ва, Со, Cu, Li, Mn, Na, Sr, Ti, V в параллельных пробах мха, отобранных на территории алюминиевого завода (таблица 2). Погрешность измерений составила 15-20%.

Средние концентрации вышеперечисленных химических элементов в образцах, отобранных на разных расстояниях х от промышленных предприятий, с помощью метода наименьших квадратов аппроксимировали зависимостью вида [5. Радиоактивные выбросы в биосфере: справочник / Н.Г. Гусев, В.А. Беляев. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - С. 78. 6. Н.К. Рыжакова, В.Ф. Рапута, Н.С. Рогова, А.Л. Борисенко, Е.А. Покровская. Пространственное распределение химических элементов атмосферных выбросов угольной ТЭЦ // Экология и промышленность России, 2013, №1. - С. 53]:

где q_ф - фоновая (природная) концентрация химического элемента в пробе, отобранной на территории, удаленной от промышленных предприятий на расстоянии не менее 100 км;

х - расстояние от точек пробоотбора мхов до промышленного предприятия;

А, С, θ - эмпирические коэффициенты, численные значения которых определены методом наименьших квадратов при аппроксимации измеренных концентраций химических элементов, содержащихся во мхах, функцией q(x) (таблица 3, 4).

Концентрации химических элементов во мхах, накопленных за время экспозиции, пропорциональны их содержанию в приземном слое атмосферы, поэтому зависимость концентраций химических элементов во мхах от расстояния от источника имеет тот же аналитический вид, что и зависимость содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе [2, с. 32]. Тогда для эмпирического коэффициента θ справедливо следующее выражение:

k₁ - коэффициент пропорциональности вертикальной диффузии;

n - безразмерный параметр для интерполяции вертикального профиля скорости ветра: u(z)=u₁zⁿ,

где u₁ - среднегодовая скорость ветра на высоте 1 м;

Н - высота трубы промышленного предприятия, м.

Из формулы для коэффициента θ следует выражение для коэффициента пропорциональности вертикальной диффузии выбросов промышленных предприятий в приземном слое атмосферы:

Как видно из фиг. 3 и 4, зависимость концентраций химических элементов от расстояния х от источников загрязнения описывается функцией q(x).

В таблице 3 приведены значения эмпирических коэффициентов А, С, θ для разных химических элементов, определенных с помощью метода наименьших квадратов, а также значения коэффициента пропорциональности вертикальной диффузии k₁ и коэффициента вертикальной диффузии выбросов ТЭЦ-5 в приземном слое атмосферы k_z при среднегодовой скорости ветра на высоте 1 м u₁=3,7 м/с, n=0,2 [2, с. 28], высоте трубы ТЭЦ-5 H=260 м и высоте от поверхности земли z, равной 50 м, 100 м, 150 м, 200 м и 250 м.

В таблице 4 приведены значения эмпирических коэффициентов А, С, θ для разных химических элементов, определенные с помощью метода наименьших квадратов, а также значения коэффициента пропорциональности вертикальной диффузии k₁ и коэффициента вертикальной диффузии выбросов Кандалакшского алюминиевого завода в приземном слое атмосферы k_z при среднегодовой скорости ветра на высоте 1 м u₁=2,3 м/с, n=0,2 [2, с. 28], высоте трубы КАЗ H=120 м и высоте от поверхности земли z, равной 50 м, 100 м, 150 м, 200 м и 250 м.