Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 4. Воздушная среда города

151

где Н

— глубрша слоя сточных вод в хранилище, м; к, т' — коэффициент

фильтрации и мощность пород зоны аэрации, м; п — пористость.

Как следует из приведенной формулы, время проникновения фильтрата

до уровня грунтовых вод зависит от фильтрационных свойств пород зоны

аэрации. Обычно это очень небольшой период. Так, при к > 0,5 м/сут. он не

превышает нескольких суток даже при относительно больших мощностях зоны

аэрации {т' > 10 м); при к < 0,01 м/сут. он возрастает до нескольких сотен

суток.

При многослойном строении зоны аэрации и значительном различии слоев

по проницаемости для расчетов применяются более сложные формулы. Од-

нако во всех случаях время проникновения загрязнения в грунтовые воды

определяется движением в наиболее проницаемом слое.

Если при сбросе сточных вод с постоянным расходом Q на поверхность

площадью F приведенный расход q = Q/F меньше или равен коэффициенту

фильтрации к пород подстилающего слоя, то сбрасываемые сточные воды

полностью фильтруются, не образуя на поверхности земли столба сточных

вод. В этом случае время достижения сточными водами уровня грунтовых

вод может быть определено по формуле:

•

t =

-k

Если пропускная способность подстилающего слоя меньше приведенно-

го расхода сбрасываемых сточных вод q > к, то на поверхности земли образу-

ется слой воды. В этом случае время фильтрации сточных вод с поверхности

земли до уровня грунтовых вод определяется по формуле:

т'

t =

(1 - п)-к ^ J( 1 ~ пУ-к

+ qk

2п 4л

2 +

После попадания сточных вод в водоносный горизонт они движутся по

пласту, смешиваясь с грунтовыми водами. Скорость движения загрязненных

вод вниз по потоку при их фильтрации из хранилища вытянутой формы оце-

нивается по формуле:

a v

v = -- + —>

2тп п

где q — фильтрационные потери на единицу длины хранилища, м

/сут.; v

—

скорость фильтрации естественного потока подземных вод, определяемая из

соотношения v, = к • i, где к — коэффициент фильтрации водоносного гори-

зонта, /' — градиент уклона потока.

Для хранилища круглой или изометрической формы расстояние х, на

которое произойдет перемещение загрязненных вод по пласту за время t под

152

Экология города

влиянием фильтрационных потерь из хранилища 0

и естественного движе-

ния подземных вод со скоростью v., определяется по формуле:

х= /д

I I У R

+ +

п Л'

где — радиус хранилища.

3.14.3. Самоочищение подземных вод

Кроме ведущего процесса — фильтрации, определяющего продвиже-

ние загрязняющих веществ в подземные воды, в породах проявляются про-

цессы их сорбции, диффузии в слабопроницаемые отложения, деструкции

органических загрязнителей и некоторые другие, которые ведут к сниже-

нию их концентрации, обусловливая тем самым как бы самоочищение

подземных вод.

Под самоочищением природных вод понимают всю совокупность при-

родных процессов в загрязненных водах, направленных на восстановление

их первоначального состава и свойств. В подземных водах к их самоочище-

нию приводят химическое и биохимическое окисление в водной массе и во-

довмещающих породах, процессы сорбции и ионного обмена, которые как

бы локализуют очаги загрязнения.

Для количественной оценки процесса самоочищения в подземных водах

используют уравнение:

К= l//ln(C

где К — суммарная константа скорости самоочищения, 1/сут.; t — время

очищения, сут.; С

,С

(

— начальная и конечная концентрация загрязняющего

вещества.

При наличии сети наблюдательных скважин и статистически обеспе-

ченных результатов гидрохимического анализа оценку интенсивности про-

цессов самоочищения проводят балансовым методом с использованием

уравнения

dm/dt — А — km ,

где т — общая масса загрязняющего вещества в зоне загрязнения, кг; А —

скорость поступления загрязняющего вещества, кг/сут., (оценивается расчет-

ным методом или по данным предприятия — источника загрязнения); к —

суммарный коэффициент скорости самоочищения, сут.

-1

Расчет коэффициентов самоочищения для ряда веществ-трассеров раз-

личных источников загрязнения подземных вод дает величину в пределах

0,00020—0,00045 1/сут. Таким образом, интенсивность процесса самоочище-

ния в подземных водах на три порядка ниже, чем в поверхностных.

Особенно важны контроль и изучение кинетики самоочищения подзем-

ных вод в районах городских свалок и полигонов складирования отходов.

Раздел 4. Воздушная среда города

153

3.14.4. Моделирование гидрогеологических процессов

Прогнозирование изменения гидродинамического и гидрохимического

режима территории может осуществляться разными методами, с использова-

нием разных моделей.

Для приближенных оценок или при отсутствии данных, необходимых для

использования более точных методов прогноза, прибегают к методу аналогий.

Метод аналогий основан на переносе на прогнозируемый объект результатов

анализа гидрогеологических данных, получаемых на территории с близкими

гидрогеологическими условиями и характером техногенного воздействия.

Методы физического моделирования используют в случаях, когда отсут-

ствуют математические модели (например, фильтрация сопровождается суф-

фозией и т.п.) или недостаточны гидрогеологические данные для использо-

вания математического аппарата. Физическое моделирование может быть

лабораторным и проводиться на моделях, сохраняющих природу явлений (на-

пример, трубка Дарси), либо натурным. Натурное моделирование заключает-

ся в проведении экспериментов на специально оборудованных скважинах в

производственных условиях.

Группа методов математического моделирования предполагает замену

физической сущности гидродинамического процесса его математическим

описанием. Здесь могут быть выделены несколько направлений. Метод гид-

равлических аналогий предусматривает замену природной области фильтра-

ции гидравлической моделью и основан на математическом выражении зако-

на Дарси. Метод электрогидродинамических аналогий (ЭГДА) основан на ма-

тематической аналогии процесса движения жидкости в пористой среде и тока

в проводнике. Близкие математические выражения закона Дарси и закона

Ома позволяют проводить аналогии между напором и потенциалом тока,

фильтрационным и электрическим сопротивлением, расходом воды и силой

тока. С учетом рассчитанных масштабных коэффициентов набирают по трем

координатам электрическую модель фильтрационной среды с заданными гра-

ницами фильтрационного поля. Моделирование проводят на сеточных моде-

лях либо на сплошной среде, которой служит электропроводная бумага. Ос-

новными недостатками методов ЭГДА являются необходимость построения

новой модели для каждого конкретного объекта и внесение дополнительных

погрешностей в результаты за счет побочных эффектов модели (неоднород-

ность электропроводной бумаги, шаг сетки и т.п.).

Метод численного моделирования с использованием ЭВМ основан на ре-

шении основного гидрогеологического уравнения баланса вод, которое пре-

образуется для определенных гидрогеологических условий. Так, для устано-

вившегося гидрогеологического режима водоносного пласта выражение ба-

ланса будет иметь вид:

где Я — напор, м; W — объем инфильтрации, м

/сут.; Т — водопроводность

пласта, м

/сут.; хну— пространственные координаты, м.

154

Экология города

Т= К -т, где К— коэффициент фильтрации, м/сут.; т — мощность слоя, м.

При у = const уравнение приобретает вид:

что позволяет решать линейные задачи, связанные с фильтрацией, по гидро-

геологическому профилю.

Принципиально большие возможности методов моделирования на ЭВМ

трудно реализуемы в большинстве случаев из-за недостаточной гидрогеоло-

гической информации и неуниверсальности модели, которая может подхо-

дить лишь для конкретного объекта.

Наиболее эффективно используется компьютерное моделирование для

построения постоянно действующих гидрогеологических моделей крупных

территориальных комплексов. Так, например, разработана гидрогеологичес-

кая модель Бердянска, отражающая взаимосвязь поверхностных и подземных

вод, в том числе интрузию морских вод в подземные. Аналогичные модели

разработаны для Днепровско-Донецкого артезианского бассейна, горноруд-

ных районов, крупных городских водозаборов и хозяйственных объектов.

Контрольные вопросы

1. Виды водных объектов в городской черте и их использование.

1. Показатели и нормативы качества воды.

3. Источники загрязнения водных объектов.

4. Городские системы водоотведения.

5. Принцип работы и состав городских очистных сооружений.

6. Виды очистных сооружений для небольших населенных пунктов.

7. Основные методы физико-химической очистки производственных сточных вод.

8. Требования к производственным сточным водам, сбрасываемым в городскую систему

водоотведения.

9. Требования к сточным водам, сбрасываемым в водные объекты.

10. Формирование, отведение и очистка поверхностного стока с городской территории.

11. Механизм самоочищения поверхностных вод.

12. Процессы эвтрофирования поверхностных водных объектов.

13. Методы и средства охраны водных объектов от загрязнения и истощения.

14. Методы и средства интенсификации внутриводоемных процессов.

15. Основные типы математических моделей качества воды.

16. Причины истощения подземных вод урбанизированных территорий.

17. Методы и средства охраны подземных вод от загрязнения и истощения.

18. Характеристика зон санитарной охраны поверхностных и подземных источников

питьевого водоснабжения.

19. Моделирование процессов формирования подземных вод.

Раздел 4. Воздушная среда города

155

Рекомендуемая литература

Алимов А.Ф. Введение в продукционную гидробиологию. — JL: Гидрометеоиздат,

1989. - 154 ».

Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин JI.C. Оценка запасов подземных вод. — К.:

Вища шк., 1989. — 407 с.

Бочевер Ф.М., Орадовская А.Е. Гидрогеологическое обоснование защиты подземных

вод и водозаборов от загрязнения. — М.: Недра, 1972. — 129 с.

Гидрогеологические основы охраны подземных вод. Отв. ред. Гольдберг В.М. - М.,

1984. Т.1. - 219 с.

Дикаревский B.C., Курганов A.M., Нечаев А.П., Алексеев М.И. Отведение и очистка

поверхностных сточных вод. — JI.: Стройиздат, 1980. — 224 с.

Йоргенсен С.Е. Управление озерными системами: Пер. с англ. — М.: Агропромиздат,

1985. - 160 с.

Караушев А.В. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного

влияния на качество поверхностных вод. — JL: Гидрометеоиздат, 1987. — 175 с.

JIaniuoe Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. — М.: Стройиздат, 1977. — 87 с.

Методика еколопчно1 оцшки якост1 поверхневих вод за в^дповщними категор1ями. —

К.: Держмшекобезпеки УкраУни, 1998. — 28 с.

Пааль JI.JI. Инженерные методы расчета формирования качества воды. 4.1,2. — Тал-

линн: ТПИ, 1976. - 146 с.

Рациональное использование водных ресурсов: Учебн. для вузов/Яковлев С.В., Про-

зоров И.В. и др. — М.: Высш. шк., 1991. — 400 с.

Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. — М.:

Стройиздат, 1984. — 236 с.

Романенко В.Д., Оксиюк О.П., Жукинский В.Н., Стольберг Ф.В., Лаврик В.И. Экологи-

ческая оценка воздействия гидротехнического строительства на водные объекты.

— К.: Наук, думка, 1990. — 256 с.

Справочник по водным ресурсам/Под ред. Б.И.Стрельца. — К.: Урожай, 1987. — 304 с.

Справочник по гидравлике/Под ред. В.А.Большакова. — К.: Вища шк., 1984. — 343 с.

Справочник по охране водных ресурсов/В.А.Львов, В.Н.Ладыженский и др. — К.:

Урожай, 1983. — 176 с.

Хендерсон-Селлерс Б. Инженерная лимнология: Пер. с англ. — Л.: Гидрометеоиздат,

1987. - 335 с.

Экологическая геология Украины: Справ. пособие/Шнюков Е.Ф., Шестопалов B.M.,

Яковлев Е.А. и др. — К.: Наук, думка, 1993. — 407 с.

Раздел 4

ВОЗДУШНАЯ СРЕДА ГОРОДА

4.1. Атмосферный воздух. Основные понятия,

определения и характеристики

Атмосфера — внешняя газовая оболочка Земли, механическая смесь раз-

личных газов, водяных паров и твердых (аэрозольных) частиц.

Атмосферный воздух необходим для дыхания живых организмов (существ),

используется в технологических процессах горения и плавки как сырье для

получения кислорода, азота, инертных газов, оксида углерода. Атмосфера

является средой для размещения газообразных отходов производства. Под

воздействием атмосферных осадков, солнечной радиации и в результате пе-

реноса воздушных масс атмосферный воздух избавляется от посторонних

примесей. Этот процесс называется самоочищением атмосферы.

4.1.1. Состав, строение, свойства и функции атмосферы

Атмосфера выполняет следующие функции:

• содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;

• является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;

• защищает живые организмы от космических излучений;

• сохраняет тепло Земли и регулирует климат;

• трансформирует газообразные продукты обмена веществ;

• переносит водяные пары по планете;

• является средой обитания летающих форм организмов;

• служит источником Химического сырья и энергии;

• принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.

Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия,

поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воз-

душных масс (ветер и конвекция) и атмосферные осадки, жизнедеятельность

животного и растительного миров, особенно лесов и планктфга мирового

океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений

и хозяйственной деятельности человека.

Примерный химический состав атмосферного воздуха (в объемных про-

центах в пересчете на сухой воздух) приведен на рис. 4.1.

Раздел 4. Воздушная среда города 157

78,1

Рис. 4.1. Химический состав атмосферного

воздуха (в объемных процентах):

азот (N) — 78,1%; кислород (О) — 20,85%; аргон

(Аг) - 0,93%; диоксид углерода (С0

) - 0,033%; на

долю остальных компонентов — неон (Ne), ге-

лий (Не), криптон (Кг), ксенон (Хе), озон (0

20 9 водород (Н

) и др. приходится не более чем

•— 0,087%; содержание водяных паров колеблется в

пределах 0,01-4%.

0,93 0,03 0,04

| I I

АГ С0

прочие (Не; Ne; Кг; Хе; О

; Н

)

Общая масса атмосферы составляет 5,14-10

т. Около 50% массы атмо-

сферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км. Масса слоя толщи-

ной 30 км составляет 99% всей массы атмосферы.

По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Выделение отдельных

зон (табл. 4.1) основано на изменении температуры с высотой.

Таблица 4.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере

Зона

атмосферы

Верхняя и нижняя границы

зоны от уровня моря, км

Температура, °С

Зона

атмосферы

Верхняя и нижняя границы

зоны от уровня моря, км

нижняя граница

зоны

верхняя граница

зоны

тропосфера 0-11

+ 15 -56

стратосфера 11-50 -56

-2

мезосфера 50 - 85

-2

-92

термосфера

85 - 500 -92

+ 1200

Верхняя граница атмосферы четко не выделяется. Она переходит посте-

пенно в космическое пространство.

Осредненная температура атмосферы на средних широтах уменьша-

ется линейно с высотой до отметки 11 км. При этом средняя температура

на уровне моря принимается равной 288 К, а на высоте 11 км — 216,7 К

(рис. 4.2).

Исходя из этого стандартный, или нормальный температурный гради-

ент равен:

—(dT/dH)

craim

= (28 8 - 2 1 6,7)/10,8-10

= 0,00 66 К/м.

Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.

А, %

60 •

40 •

20 -

158 Экология города

С Р, кПа

+50

-50

20 40 60 80 100 120 Н, км

Рис. 4.2. Распределение давления и температуры атмосферного воздуха по высоте

(при некоторых средних условиях)

При условиях, соответствующих среднему давлению на уровне моря и

многолетней среднегодовой температуре атмосферного воздуха на уровне моря,

равной 15° С, распределение давления с высотой определяется по междуна-

родной барометрической формуле:

Р(Н) = 101,3(1 - 6,5#/2 8 8 )

255

где Р — давление, кПа; Н — высота над уровнем моря, км.

Различия в нагревании воздуха приводят к горизонтальным градиентам

давления, которые, в свою очередь, являются причиной конвекций горизон-

тальных перемещений воздушных масс.

На перемещение воздушных масс воздействуют также сила Кориолиса, воз-

никающая вследствие вращения Земли; центробежное ускорение, возникающее

в районах, прилегающих к областям высокого и низкого давления; силы трения,

замедляющие движение воздуха вблизи земной поверхности. В северном полу-

шарии движение воздушных потоков вокруг центров высокого давления осуще-

ствляется по часовой стрелке с отклонением наружу и вниз от кругового движе-

ния. Этот поток получил название нисходящего и является одним из возможных

препятствий для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

При движении воздушных потоков вокруг центров низкого давления вектор

скорости направлен внутрь и вверх от кругового движения против часовой

стрелки. В этом случае загрязняющие вещества из нижних слоев атмосферы

переносятся вверх и рассеиваются в больших объемах воздуха.

При движении воздуха в северном полушарии против часовой стрелки

вокруг центра низкого давления формируется циклон, при движении в на-

правлении часовой стрелки вокруг центра высокого давления — антициклон.

Раздел 4. Воздушная среда города 159

4.1.2. Характеристика загрязняющих атмосферу веществ

и классификация источников загрязнения

Загрязнение атмосферы — изменение состава атмосферы в результате по-

падания в нее примесей.

Примесь в атмосфере — это рассеянное в атмосфере вещество, не содер-

жащееся в ее постоянном составе.

Загрязняющее воздух вещество — это примесь в атмосфере, оказывающая

неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.

Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превра-

щения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

Первичная примесь в атмосфере — примесь, сохранившая за рассматрива-

емый интервал времени свои физические и химические свойства.

Превращения примесей в атмосфере — процесс, при котором примеси в

атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влия-

нием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодей-

ствия между собой.

Вторичная примесь в атмосфере — это примесь в атмосфере, образовав-

шаяся в результате превращения первичных примесей.

По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подраз-

деляют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактив-

ное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, элек-

тромагнитные поля. К химическому — наличие химических веществ и их

соединений.

Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 при-

знакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и

массовому расходу выброшенного вещества.

Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смеси пыли,

дыма, тумана, пара и газообразных веществ.

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обус-

ловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), явля-

ющиеся результатом деятельности человека.

К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха от-

носят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степ-

ные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые есте-

ственными источниками:

• пыль растительного, вулканического, космического происхождения,

продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

• туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

• газы вулканического происхождения;

• продукты растительного, животного, бактериального происхождения.

160

Экология города

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенны-

ми) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмо-

сферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с

течением времени.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воз-

духа, представленные главным образом выбросами промышленных пред-

приятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообрази-

ем видов (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Источники загрязнения атмосферы:

1 — высокая дымовая труба; 2 — низкая дымовая труба; 3 — аэрационный фонарь цеха;

4 — испарения с поверхности бассейна; 5 — утечки через неплотности оборудования;

6 — пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 — выхлопная труба автомобиля;

8 — направление движения потоков воздуха

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационар-

ными (источники 1—6), когда координата источника выброса не изменяет-

ся во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 — авто-

транспорт).

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на: точечные, линейные и

площадные.

Каждый из них может быть затененный и незатененный*

Точечные источники (на рис. 4.3 — 1, 2, 5, 7) — это загрязнения, сосредо-

точенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные

шахты, крышные вентиляторы.