WEB-ресурс научно-практических конференций

К.ф.-м.н Заурбеков Н.С.

Казахский экономический университет им. Т.Рыскулова, Республика Казахстан

ПОСТРОЕНИЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КАРТЫ РАСПРОСТРА-НЕНИЯ ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ НА ПРИМЕРЕ КАРАЧАГАНАК-СКОГО НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Построение геоэкологической карты распространения вредных примесей на основе диффузионных моделей. Базовый алгоритм позволял рассчитывать поле концентраций загрязняющих примесей в плоскости «источник выброса – направление ветра» от локального источника (назовем это плоскостью XOZ). Пересчет поля концентрации на ось OY осуществляется с помощью соотношения:

. (1)

Из формулы (1) следует, что наибольшая концентрация достигается при y =0, т.е. на оси дымового факела Х.. От оси Х в поперечном направлении у – концентрация убывает симметрично по экспоненциальному закону, причем с ростом х это убывание замедляется. Для достаточно больших х коэффициент начинает зависеть от х : .

Основная часть примесей, таким образом, сосредоточена в сравнительно узкой струе (факеле), ось которого соответствует у =0. Фактическая высота выброса примеси в атмосферу равна геометрической высоте трубы только в тех случаях, когда температура выбрасываемой примеси не отличается от температуры окружающего воздуха и его скорость истечения мала. Это условие не соблюдается при выбросе газовой смеси из труб месторождения. Начальная скорость струи и перегрев примеси ведут к дополнительному ее подъему. При этом высота источника становится равной некоторой эффективной высоте: , где: – геометрическая высота трубы; – эффективная высота трубы; – высота подъема струи над трубой вследствие инерции движения и плавучести.

В работе Берлянда [ 1 ] была предложена приближенная формула для определения начального подъема:

, (2)

где: – объем уходящих газов в единицу времени; u – скорость ветра на высоте флюгера ( =10 м); – начальная скорость уноса примеси; – радиус трубы; – перегрев примеси относительно температуры окружающей среды.

Для реализации расчетов базой данных служило параметры выбросов основных источников Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения (КНГКМ) [2] . Вследствие некоторых модельных особенностей численные эксперименты отражают наиболее характерные метеорологические ситуации в регионе, и учитывают наиболее важные источники. Было определено девять основных источников выбросов вредных веществ в районе КНГКМ.

В табл. 1 представлены полученные в результате расчета по формуле (2) эффективные высоты труб для девяти групп источников и девяти вариантов расчетов. Из таблицы следует, что при некоторых метеорологических условиях эффективная высота труб может отличаться от геометрической на порядок. При проведении расчетов удобно ввести две системы координат. Первая система , связанная с источником и направлением ветра с метровым масштабом. Вторая система XYZ, связанная с картой месторождения и, соответственно, с километровым масштабом. Моделирование происходит в системе , а затем осуществляется перерасчет в систему XYZ путем параллельного переноса: ; .

Условия проведения расчетов. Алгоритм моделирования распространения загрязняющих примесей в атмосфере месторождения был реализован в виде программы. Исходные данные для расчетов приведены в табл. 2.

Характерные масштабы расчетов в системе – 2500 м х 2500 м х 200 м , а в системе XYZ – 25 км х 25 км х 0,2 км .

Варианты 1-3 соответствуют устойчивой стратификации ( T>0, где Т – разность температур на двух высотах в приземном слое воздуха =10 м, =100 м). Вариант 4 соответствуют неустойчивой стратификации ( T>0). Скорость ветра определяет, где , – координаты источника в системе XYZ, и поворота на угол в направлении ветра:

; .

Итоговое поле концентрации примеси находится как суперпозиция полей от локальных источников загрязнения: ,где число источников. Ветер на высоте =1 м, дальнейшее изменение скорости ветра с высотой определяется по формуле:

Таблица 1. Эффективная высота трубы

Таблица 2. Параметры выбросов основных источников КНГКМ

Таблица 3. Высота приземного слоя, рассчитанная по модели

,

где = 0,01 – параметр шероховатости. Направление ветра юго-восток (варианты 1-3) и северо-восток (вариант 4).

Уровни наблюдения брались на двух высотах z =10 м и z =100 м. В табл. 3 приведены данные о высоте приземного слоя h , которая рассчитывается в модели по формуле: , где = – вертикальная составляющая скорости вращения Земли. Возможность рассчитывать величину h по данной формуле является одним из важных преимуществ данной модели.

На рис. 1-4 представлены результаты расчетов распределения двуокиси серы по территории месторождения, отмеченного контуром. Выделены три группы из девяти групп источников, соответствующие своим истинным положениям. Карта местности приводится в таком виде, что ось OY направлена на север, а ось OX – на восток. Номера изолиний соответствуют следующим значениям концентрации: , где: k – номер соответствующей изолинии; ПДК – предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе ( = =0,05 мг/м – среднесуточная). Изолинии, соответствующие ПДК, достигаются при К =7, но таких изолиний на рисунке нет, вследствие выбранных условий расчета.

Анализ результатов вычисления. Рис. 1-3 изолинии реализует вариант с различными уровнями наблюдения ( =10 м, =100 м). В верхних слоях атмосферы с увеличением высоты увеличивается скорость ветра и увеличивается размер вихрей, обслуживающих турбулентный обмен, что приводит к большому распространению загрязняющих примесей. Как уже указывалось, в силу поставленных условий расчета, выделить изолинии уровня единиц ПДK нет возможности (уровень 7).

Может вызвать удивление сравнение рис. 1 и 3 для аналогичных условий (меняется только скорость ветра, для рис. 3 скорость ветра в 2 раза меньше) – размывание на рис. 3 больше, чем на рис. 1, хотя ветер меньше. Но изучение табл. 1 проясняет ситуацию – группа важных по вкладу в загрязнения источников 4-6 в четыре раза увеличила свою эффективную высоту, что и послужило более далекому распространению примесей.

Аналогичные рассуждения можно привести и к случаю неустойчивой атмосферы (рис. 4). Различие двух групп рисунков (устойчивой и неустойчивой атмосферы) обусловлено более высоким подъемом и дальним переносом примеси в случае конвекции, что приводит к более сжатым изолиниям в случае неустойчивой атмосферы на высоте z =10 м и большим различием на высоте z =100 м.

Список литературы:

1. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 273с.

2. Айдосов А.А., Заурбеков Н.С. Теоретические основы прогнозирования природных процессов и экологической обстановки окружающей среды. Книга 3. Теоретические основы прогнозирования атмосферных процессов, экологической обстановки окружающей среды и построение геоэкологической карты на примере Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения. - Алматы: ? аза? университеті, 2000. – 220 с.