Российская модель расчёта рассеивания выбросов в атмосферном воздухе

Российская модель расчёта рассеивания выбросов в атмосфере разрабатывалась в Главной геофизической обсерватории имени А.И. Воейкова под руководством М.Е.Берлянда и на протяжении 30 лет просуществовала в практически неизменном виде. Эта модель существенно отличается по своему характеру от моделей гауссового типа и относится к полуэмпирическим моделям.

Первоначально модель рассеивания выбросов в атмосфере, разработанная группой ученых под руководством М.Е.Берлянда была опубликована в виде общесоюзного нормативного документа ОНД-86 "Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий". Впоследствии, методика была доработана учениками М.Е. Берлянда и, на сегодняшний день, опубликована в виде Приказа Минприроды Российской Федерации от 6 июня 2017 г. N 273 "Об утверждении методов расчётов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе". Рассмотрим основные положения модели рассеивания.

Генеральная (основная) формула Российской модели рассеивания выбросов выглядит следующим образом:

где C_m - максимальная концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе, мг/м³;

А - безразмерный коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;

M - масса загрязняющего вещества, выбрасываемого в единицу времени, г/с;

F - безразмерный коэффициент, определяющий скорость осаждения твердых частиц (для газообразный примесей принимается равным 1)

m и n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса;

H - высота источника выброса над уровнем земли, м;

V₁ - расход газовоздушной смеси, выбрасываемой из источника выброса, м³/с;

- разность температур газовоздушной смеси (Т_г) и окружающей среды (Т_а), ⁰С.

Фактически, для использования этой формулы от нас не требуется получения каких-либо закрытых или дорогостоящих данных - все исходные данные либо имеются на предприятии, либо опубликованы в открытых справочниках, либо рассчитываются по известным формулам. Например, параметр V₁ для источника с круглым устьем можно посчитать следующим образом:

где D - диаметр устья источника выброса, м;

- скорость выхода газовоздушной смеси из устья источника выброса, м/с

В результате, графически, исходные данные для расчёта максимальной приземной концентрации можно представить следующим образом:

Используя генеральную формулу, мы можем рассчитывать концентрации загрязняющих веществ, как по оси факела выброса, так и на различных расстояниях от оси факела. Для расчёта концентрации по оси факела используется формула:

где S₁ - коэффициент, определяемый в зависимости от расстояния X на котором находится расчётная точка. Используя эту формулу мы можем проследить то, как меняется концентрация по мере удаления от источника выброса. Например, ниже, на рисунке показано изменение концентрации выброса от высокого источника загрязнения (трубы Экибастузской ГРЭС-2)

По расчётам, при выбросе 150 г/с, высоте источника 120 метров и диаметре устья 14,2 метра максимальная концентрация загрязняющего вещества будет наблюдаться на расстоянии более 3000 метров.

Аналогичным образом рассчитывается изменение концентрации на различных расстояниях от оси факела. В данном случае формула расчёта следующая:

где S₂ - коэффициент, определяемый в зависимости от расстояния по оси факела выброса (X) и поперек оси факела (Y).

Схематично, такой расчёт можно представить следующим образом:

И, наконец, концентрация загрязняющего вещества в заданной точке, создаваемая несколькими источниками загрязнения, определяется как обычная сумма значений концентраций, создаваемых отдельными источниками:

Как было сказано выше, методика расчёта рассеивания, используемая в России требует минимум исходных данных для расчёта. При этом, в последней редакции методики представлены алгоритмы расчёта как максимальных, так и среднесуточных и среднегодовых концентраций загрязняющих веществ. Правда, для точного расчёта среднесуточных и среднегодовых концентраций всё же требуется покупка дополнительного метеорологического файла. Но, опять же, методика предоставляет и упрощенные алгоритмы расчёта осредненных концентраций, если нет возможности приобрести файл.

В отличие от способа распространения моделей гауссового типа, о котором мы говорили в предыдущей части, в России отсутствует возможность получения готового программного обеспечения для расчёта рассеивания. Даже в виде обычного консольного приложения. В бесплатном доступе находится только сама методика, оформленная в виде Приказа Минприроды России, а всё программное обеспечение обязано проходить экспертизу в органах Росгидромта. Вот, что по этому поводу говорит федеральный закон "Об охране атмосферного воздуха"

Таким образом, отсутствие заранее верифицированной версии приложения, реализующего положения модели и, одновременно, требование экспертизы программного обеспечения для расчётов рассеивания приводит к резкому сокращению компаний-разработчиков программного обеспечения для экологов. Фактически, всех разработчиков программного обеспечения для расчётов рассеивания выбросов в России можно пересчитать по пальцам одной руки, что, в свою очередь, приводит к снижению конкуренции.

В этой части мы лишь кратко рассмотрели основные моменты работы российской модели расчёта рассеивания выбросов. Рассматривать полностью все алгоритмы и положения нет никакого смысла - всё этом можно найти и изучить в Приказе Минприроды №273. Однако, стоит отдельно затронуть вопросы связанные с историей разработки модели, чтобы понимать почему система управления качеством окружающей среды использует такое понятие, как "неблагоприятные метеорологические условия" чего нет в системах управления качеством окружающей среды в странах Европы и США.