Прикладные аспекты аварийных выбросов в атмосферу

Особые условия для прогнозирования радиационной или химической аварийной обстановки могут возникнуть в случае длительного истечения «холодных» загрязнителей, когда выбросы будут попадать в аэродинамическую тень аварийного здания. В этом случае картина загрязнений может существенно усугубиться как на промплощадке, так и на больших удалениях от неё за счет высоких значений полей приземных концентраций и увеличенной скорости выпадения при формирования интенсивного аэрозольного следа.

Для аварийных ситуаций, обусловленных проливами транспортируемых по железной или автомобильной дороге жидких токсичных продуктов или испарением тритиевой воды с поверхности водоемов-хранилищ жидких радиоактивных отходов, вторичный атмосферный источник может быть представлен в виде площадки. В этом случае расчет приземных концентраций от площадного выброса (истечения) можно выполнить, используя Методику ОНД-86 или аналогичную ей [104,115,148,153].

Рассмотрим специфику и особенности распространения загрязняющих примесей из источников разного типа и некоторые методы решения этой проблемы, широко представленной в литературных источниках. На сегодняшний день существует огромное количество научных подходов, описывающих процессы диффузионного загрязнения природных сред разными источниками при разных начальных и граничных условиях, обзор которых представляет собой самостоятельный и довольно громоздкий труд. Представленный ниже материал не ставит в рамках нашей книги такой цели, поэтому он имеет иллюстративный и фрагментарный характер.

Во многих работах расчет распространения радиоактивных и химически активных продуктов в атмосфере осуществлен на основе полуэмпирической теории атмосферной диффузии. В рамках этой теории концентрация примеси С описывается уравнением:

где U,V — проекции вектора скорости ветра на оси О_х и О_у, соответственно; λ(t) — функция, описывающая изменение концентрации примеси за счет радиоактивного распада или химических реакций;

К_х,К_у, K_z — коэффициенты турбулентной диффузии по соответствующим осям.

Начальные условия для этого уравнения принимаются в виде:

^C/_{t = 0} = Q₀(0)·δ(x)·δ(y)·δ(Z-h)

где Q₀ — начальное количество примеси; δ(i) — дельта-функция; h — эффективная высота источника загрязнений.

Краевое условие на поверхности земли учитывает осаждение примеси на подступающую поверхность

где β — параметр осаждения примеси, являющийся исходным данным задачи.

На больших расстояниях концентрация примесей стремится к нулю, что является еще одним краевым условием:

Решение этого уравнения представляет собой исключительно сложную математическую задачу, для решения которой в общем виде не существует эффективных методов. На практике широкое распространение получили различные приближенные методы. Одним из них является метод, основным на предположении о гауссовом распределении примеси в выбросе.

Тогда концентрация примеси, поступившая в атмосферу из мгновенного источника малых размеров, описываются следующим выражением:

здесь Q₀ — количество загрязняющих продуктов, поступивших в атмосферу к моменту времени t;

G(z,h,t) — высотное распределение примеси; х₀.γ₀ — координаты центра выброса в проекции на горизонтальную плоскость; σ²_x, σ²_y — дисперсии вдоль соответствующих осей.

Для определения концентрации от выброса конечной длительности используется интеграл — свертка, записываемая так:

где l(t — τ) — функция, описывающая изменение мощности источника по времени.

В частности, выхлопная струя или струя дыма от пожара, как источник загрязняющей примеси, заменяется эквивалентным распределенным объемным источником.

В этом соотношении:

σ²_z0 и σ²_y0 — дисперсии распределений примеси по соответствующим осям в месте разрушения струи (в месте начала рассеивания ее вещества под действием атмосферной диффузии); х₀ — расстояние от места инцидента до места разрушения струи в проекции на ось х.

Таким образом, конечность размеров источника учитывается введением дополнительных слагаемых в выражения для дисперсий выброса, т. е.

Центральным вопросом при использовании гауссовых моделей для описания полей концентраций является выбор параметров x₀, γ₀ и σ_x, σ_y.

В методах Пасквилла [50] и Бызовой [143] параметры σ_x, и σ_y определяются из экспериментов, а перемещение облака считается происходящим со скоростью ветра в слое диффузии на высоте источника.

В ряде работ при определении σ_х,σ_y, x₀ и у₀ учитывается реальный профиль ветра, а дисперсия вертикального распределения примеси определяется по формуле:

δ²_z= Кt

где К = К_х = К_у = K_z — эффективное значение коэффициента диффузии, определяемое состоянием атмосферы.

Кроме того, учитывается зависимость дисперсий клубов в виде облаков от скорости ветра с помощью соотношений:

σ² = σ²_T + σ²_дол

где σ²_T — дисперсия, определяемая только коэффициентом горизонтальной турбулентной диффузии; σ²_дол — дисперсия, описывающая рассеяние примеси по горизонтали в потоках с изменяющейся по высоте скоростью за счет вертикальной турбулентности.