ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ВЫБРОСОВ

Таблица 3.2.

- перечень расчетных характеристик рассеивания, которые требуется определить для всех типов источников выбросов;

- номер источника выброса и наименование вредного вещества, для которого надо выполнить расчет концентраций в заданных точках местности, и значения фиксированных скоростей и направлений ветра, используемых при расчете в отдельных точках.

3.2. В разделе «Введение» необходимо кратко объяснить назначение и возможности применения численного (имитационного) моделирования в экологических исследованиях, а также охарактеризовать методологию, использованную при решении конкретной задачи, поставленной в курсовой работе.

3.3. «Основная часть» курсовой работы представляет собой последовательное описание выполненных студентом логических действий, расчетных процедур и графических операций в соответствии с общей схемой выполнения задания, которая будет приведена ниже.

4. ОБЩАЯ СХЕМА ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ.

4.1. Начертить карту-схему городской территории в размерах формата А2 (594х420) на листе формата А1 (841х594), расположив ее в левой нижней части ватмана. В верхней части листа А1 сделать заглавную надпись: «КАРТА-СХЕМА г. (название города)».

4.2. Провести оси городской системы координат из точки начала, которая выбирается в левом нижнем углу генплана города. С учетом заданного масштаба сделать на обеих осях отметки через каждые 1000 м от начала системы координат и обозначить их цифровыми значениями. Из этих точек провести линии, параллельные соответственно осям ОХ и ОУ, и тем самым образовав километровую координатную сетку, узлы пересечения которой будут использованы в дальнейшем в качестве расчетных точек.

Для источников 1-го и 2-го типа условные обозначения помещаются на карте в точку, определяемую координатами источника в своей заводской системе. Поскольку линейный источник (3-й тип) всегда имеет координаты двух концов, то он изображается отрезком прямой, проведенной из точек начала и конца источника.

Площадные источники (4-й и 5-й тип) отображаются на карте-схеме прямоугольными областями, выполненными в реальных размерах с учетом масштаба городской карты. В табл. 3.2. они задаются координатами геометрического центра, размерами сторон и углом поворота одной из сторон по отношению к условной линии, параллельной оси ОХ заводской системы координат. Угол поворота a отсчитывается от условной линии до той стороны прямоугольника, которая составляет с ней острый угол, т.е. угол a всегда должен быть £ 90^о. Пример такого отображения площадного источника представлен на рис. 4.1.

Здесь под обозначениями (Х_г, У_г) и (Х_з, У_з) – подразумеваются соответственно городская и заводская системы координат;

(Х_з^и, У_з^и) – координаты центра площадного источника в заводской системе;

j - угол поворота заводской системы координат относительно городской,

который отсчитывается против часовой стрелки от линии, проходящей через точку (Х_о,У_о) и параллельной оси ОХ городской системы, до оси ОХ заводской системы ( 0 £ j £ 360).

4.4. Найти на генплане и отобразить штрих-пунктирными линиями границы территорий промплощадок, зон отдыха, лесопарковых зон, водоемов в виде прямоугольных областей (не менее 2-х областей). Определить линейные размеры этих областей и занести в табл. 4.1. Такие территории мы будем считать «внутренними» по отношению к общегородской (селитебной) и при расчетах концентраций примесей в узлах сетки, находящихся внутри таких областей, надо использовать ПДК веществ для воздуха рабочей или курортной зон соответственно.

Параметры «внутренних» территорий

Табл. 4.1.

Задание координатных характеристик «внутренних территорий» производится таким же образом, как и для площадных источников.

4.5. Пересчитать заводские координаты источников в их значения в городской системе, используя формулы:

Х_г^и = Х₀ + Х_з^и ∙ cos φ - У_з^и ∙ sin φ ; (4.1)

У_г^и = У₀ + Х_з^и ∙ sin φ + У_з^и ∙ cos φ , (4.2)

где (Х_г^и, У_г^и) и (Х_з^и, У_з^и) – координаты источника выброса соответственно в городской и заводской системах координат;

(Х_о ,У_о) – координаты привязки начала заводской системы к городской (согласно табл. 3.1);

j - угол поворота заводской системы координат относительно городской (также выбирается из табл. 3.1).

Занести полученные результаты в табл. 4.2.

Таблица 4.2.

Далее следует проверить правильность полученных результатов путем визуальной проверки соответствия местоположения каждого источника на генплане города значениям его координат из граф 5 и 6 табл. 4.2. Убедившись в отсутствии ошибочных значений, необходимо приступать к дальнейшим операциям.

4.6. Выбрать из СНиП 2.01.01-82 [5] климатологические характеристики города:

Т_а - средняя максимальная температура воздуха самого жаркого месяца;

Т_з - средняя минимальная температура воздуха самого холодного месяца;

U - средняя максимальная скорость ветра самого жаркого месяца года.

Руководствуясь критериями, изложенными в ОНД-86 [1] , определить значение коэффициента А, зависящего от температурной стратификации атмосферы географического района расположения данного города.

4.7. Пользуясь блок-схемой алгоритма вычислений, которая будет приведена ниже, найти расчетные характеристики рассеивания (См, Хм, Uм) для всех источников, указанных в задании.

4.8. Рассчитать средневзвешенные опасные скорости ветра Uм.с. для групп источников, выбрасывающих одноименные примеси, по формуле:

U_м1 ∙ С_м1 + U_м2 ∙ С_м2 + … + U_мi ∙ С_мi

С_м1 + С_м2 + … + С_мi

где U_мi и С_мi – значение опасной скорости и максимальной концентрации і-того источника.

4.9. Рассчитать значения концентраций отдельной примеси в 4-х узлах ячейки координатной сетки, окружающей источник, указанный в задании. Расчеты выполнить для фиксированных направлений ветра (из задания), а в качестве значения реальной скорости ветра взять величину U, выбранную ранее из СНиП 2.01.01-82. В соответствии с алгоритмом вычислений произвести все необходимые преобразования координат, учитывающие поворот осей городской системы на угол b, характеризующий выбранное направление ветра.

Результаты расчетов занести в табл. 4.3.

Концентрации примеси в расчетных узлах

Таблица 4.3.

4.10. Определить на генплане линейные размеры прямоугольной области, описывающей весь город, и найти ее центр. Значения координат центра, а также длина и ширина городской территории будут приняты в качестве параметров расчетного прямоугольника при компьютерных расчетах.

Дальнейшая работа выполняется с использованием персонального компьютера.

4.11. Запустить программный комплекс «Пленэр». Используя информацию, предложенную в задании (табл. 3.1, 3.2 и т.д.), ввести в базу данных сведения об объекте (городе), параметрах привязки промплощадок, расчетных и «внутренних» (табл. 4.1) территориях, параметрах источников выбросов.

4.12. Выполнить процедуру «ДИАГНОСТИКА БАЗЫ» и проконтролировать графический образ введенных данных на соответствие их отображения расположению на генплане города (режим «ГРАФИКА»).

4.13. Сформировать в меню «ЗАДАНИЕ» два варианта, присвоив им различные имена. Первый вариант задания должен предусматривать расчет в 4-х узлах сетки при фиксированных скорости и направлениях ветра (табл. 4.3). Во втором варианте задания необходимо заложить возможность выполнения расчета для всех примесей по полному прямоугольнику, охватывающему весь город, с перебором скоростей и направлений ветра.

4.14. Активизировать пункт главного меню «РАСЧЕТ 1» и в режиме «ПРОСМОТР» снять данные для таблицы 4.4., информация из которой станет основанием для проведения сравнительного анализа итогов ручного и машинного счета.

Таблица 4.4

Провести анализ степени совпадения расчетных результатов. При значительных отклонениях сравниваемых величин вернуться к блок-схеме алгоритма и проверить, правильно ли была выбрана численная модель, имитирующая процесс рассеивания от конкретного типа источника. Прокомментировать итоги сравнительного анализа величин U_м, Х_м, С_м.

4.15. Выполнить режим “РАСЧЕТ 2” отдельно для каждого варианта задания.

4.16. В режиме меню “РЕЗУЛЬТАТ” сформировать материалы для печати, которые должны содержать:

а) входные таблицы 1,2,3, 4,5,6,9 (только для второго варианта задания);

б) выходные таблицы 1,2,3 (отдельно для 2-х вариантов задания);

в) цифровые карты изолиний концентраций веществ в масштабе генплана города.

Проанализировать сопоставимость результатов ручных расчетов, представленных в табл. 4.3, и результатов машинного счета по данным выходной таблицы 2 первого варианта задания на расчет. При этом следует учитывать то обстоятельство, что в машинограмме распечатываются не все вычисленные значения концентраций, а лишь то из них, которое в данной точке является максимальным при трех разных направлениях ветра.

Далее следует рассмотреть выходную таблицу 2 для каждого отдельного вещества и установить, из какого набора значений скоростей ветра рассчитывались концентрации в узлах регулярной сетки. Определить, использовалось ли значение средневзвешенной опасной скорости ветра и ее долей при расчетах в разных точках. Сравнить рассчитанное в пункте 4.8 значение U_м.с. с тем, которое использовалось программой «Пленэр». По данным выходной таблицы 3 определить, насколько отличаются максимальные концентрации в расчетных узлах от величины С_м источника, близлежащего к точке максимума. Значительные отклонения будут свидетельствовать о неудачном выборе шага расчетной сетки. Следовательно, его надо корректировать в сторону уменьшения, чтобы в реальных ситуациях не упустить максимальные значения. Дать комментарии и предложения по этому поводу.

Анализируя цифровые карты изолиний концентраций, определить, какие из них являются наиболее насыщенными цифровой информацией, и выбрать их для переноса на городскую карту-схему.

4.17. Перенести изолинии концентраций одной или нескольких примесей с цифровых карт на карту-схему города. Изолинии концентраций наносить в виде сплошных цветных окружностей, в разрывах которых указывать значения соответствующих долей ПДК. Оценить степень загрязнения воздуха селитебных зон, рабочих зон и зон отдыха.

5. БЛОК-СХЕМА АЛГОРИТМА ВЫЧИСЛЕНИЙ

Ниже приводится интерпретация обозначений переменных величин, принятых в расчетных формулах:

DТ(^оС) – разность между температурой газовоздушной смеси Т_с и температурой окружающей атмосферы Т_а;

Н (м) – высота источника выброса;

D (м) – диаметр устья источника 1-го типа;

V (м³/с) – объем газовоздушной смеси;

W_о(м.с) - средняя скорость выхода струи из устья источника;

М (г/с) – мощность выброса конкретной примеси;

С (мг/м³) – концентрация вредного вещества в какой-либо точке местности.

Величина V, D и W_о связаны соотношением:

π D²

V = W₀ ∙ --------- . (5.1)

В случае выбросов из источника с прямоугольным устьем (2-й тип) рассчитываются эффективный диаметр устья D_э и эффективный объем смеси V_э по формулам:

2 аb

D_э = ------------- , (5.2)

а + b

 

 

где а и b -длины сторон устья;

 

π D_э²

V_э = W₀ ∙ --------- . (5.3)

 

Для линейных источников (3-й тип) также рассчитывается эффективный диаметр D_э по формуле :

 

2 L ∙ V

D_э = ------------------ , (5.4)

L² ∙ W₀ + V

 

где L – длина линейного источника, которая находится из выражения:

 

 

L = √ (X₁ – X₂)² + (У₁ – У₂)² . (5.5)

 

 

Здесь Х₁ и Х₂, У₁ и У₂ - соответственно абсциссы и ординаты начала и конца источника.

Аналогично по формуле (5.3) определяется эффективный объем V_э для линейного источника. В расчетах используется также ряд безразмерных величин, имеющих следующие обозначения:

А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы, значение которого определяется согласно ОНД-86 [1];

F – коэффициент, учитывающий скорость оседания примесей в атмосфере (для газообразных вредных веществ F=1, а для твердых частиц и мелкодисперсных аэрозолей F=3);

h - коэффициент учета рельефа местности (задается в табл. 3.2).

Другие безразмерные величины, такие как параметры f, f_e, , , m, m¢, n, n¢, d, являются вспомогательными и их физический смысл не раскрывается.

Безразмерная величина b определяет соотношение реальной скорости ветра U (м/с) и опасной U_м (м/с):

U

b = -------- . (5.6)

U_м

 

Реальная скорость ветра U указывается в задании, а опасная - U_м – находится в процессе вычислений._.

Значение параметра b используется для определения поправочных коэффициентов r и p, первый из которых изменяет максимально возможную концентрацию вещества С_м до С_ми , а второй – опасное расстояние Х_м до Х_ми из-за несовпадения U и U_м.

При расчетах концентраций примесей в заданных точках местности направление ветра в общем случае не всегда совпадает с направлением от источника на точку расчета. Направление ветра задается углом b, который отсчитывается против часовой стрелки от условной оси ОХ, проходящей через источник. За нулевое направление принимается западный ветер. При этом положительный отрезок оси ОХ направлен на восток, а оси ОУ – на север:

 

С

Для удобства вычисления концентраций в заданных точках местности алгоритм предусматривает поворот городской системы координат таким образом, чтобы направление ветра в каждом случае совпадало с положительным направлением оси ОХ городской системы. При этом координаты источника (Х_и , У_и ) и координаты расчетной точки (Х_т, У_т) в старой системе координат преобразуются к своим значениям в новой системе (Х_и¢, У_и¢ ) и (Х_т¢, У_т¢). Величины Х¢¢ и У¢¢ представляют собой проекции расстояния от источника до расчетной точки соответственно на ось ОХ¢ и ОУ¢ в повернутой городской системе координат.

Введение параметров a и t_у необходимо для учета удаленности точки расчета от точки максимума концентрации на оси факела и по перпендикуляру от него соответственно. Уровень концентрации при этом корректируется поправочными коэффициентами S₁ и S₂.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Блок-схема

 

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В этом разделе следует обсудить все этапы проделанной работы и охарактеризовать значение каждого этапа при применении численного моделирования в экологии. Необходимо также дать оценку степени трудоемкости операций ручного и машинного вариантов выполнения задания. В завершение процесса курсового проектирования следует оценить знания, умения и опыт, приобретенные студентом в ходе разработки полученного задания.

 

7. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). Л., Гидрометеоиздат, 1987.

2. Методические указания к выполнению курсовых проектов по дисциплине «Экологический мониторинг и управление состоянием биосферы». Макеевка, ДонГАСА, 1998.

3. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Численное моделирование в экологии». Макеевка, ДонГАСА, 1999.

4. Программный комплекс «Пленэр» для расчета концентраций вредных веществ в атмосфере по методике ОНД-86. Руководство пользователя . Киев, «Веда», 1995.

5. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. М., Стройиздат, 1983.