ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ ПРИ НАЛИЧИИ МОЩНОГО ИСТОЧНИКА ИСПАРЯЕМОЙ ЖИДКОСТИ

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2010. Вып. 4
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.509.313.1+551.511

К.Г. Шварц, В.А. Шкляев 

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРЕ 
ПРИ НАЛИЧИИ МОЩНОГО ИСТОЧНИКА ИСПАРЯЕМОЙ ЖИДКОСТИ

Разработана модель переноса примеси в пограничном слое атмосферы при наличии мощного источника холода, 
образующегося в результате разлива большого объема испаряемой жидкости. На основании численных экспериментов было выявлено, что при сильном охлаждении образуются вихревые структуры с вертикальной осью 
вращения, количество которых изменяется от двух до четырех. Турбулентная диффузия примеси усиливается 
при увеличении горизонтальных градиентов температуры и концентрации загрязняющего вещества.

Ключевые слова: аварийный разлив, концентрация примеси, градиенты концентрации, диффузия примеси.

Перенос и рассеивание примеси, попавшей в атмосферу в результате аварийного разлива большо
го объема летучей жидкости, например аммиака, характеризуются несколькими специфическими условиями. Во-первых, необходимо учитывать затраты тепла на испарение разлившейся жидкости. В этом 
случае происходит интенсивное охлаждение нижней части приземного слоя. Если считать процесс переноса облака испарившейся примеси адиабатическим и при наличии устойчивой стратификации атмосферы над областью разлива, испарение жидкости приводит к адвективному притоку тепла к поверхности образовавшегося разлива. Этот приток тепла компенсирует затраты тепла на испарение, в результате чего скорость испарившейся жидкости достигает некоторой равновесной величины, определяемой 
поступившим количеством тепла. Во-вторых, локальное понижение температуры воздуха приводит к 
тому, что над разлившейся жидкостью в результате горизонтальной термической неоднородности образуются циркуляционные ячейки, усложняющие процессы переноса примеси вследствие появляющихся 
возмущений поля скорости [7]. В-третьих, над поверхностью разлива и охлаждения приземного слоя 
формируется очень устойчивая термическая стратификация, ослабляющая турбулентную диффузию 
примеси. Считается, что в этом случае облако примеси, слабо рассеиваясь, может переноситься на значительные расстояния. При таком условии была разработана модель прогноза последствий аварий [6]. 

В действительности при наличии второго из отмеченных факторов процесс распространения и 

рассеивания облака переносимого загрязняющего вещества усложняется. Для исследования основных 
физических механизмов этого процесса была использована квазидвумерная модель [1-3]. В качестве 
исходных были выбраны трехмерные уравнения гидротермодинамики «сухой» атмосферы и уравнение турбулентной диффузии примеси. Нижний слой атмосферы считался несжимаемым газом, использовались приближения Буссинеска, статики и крупномасштабности [4; 5]. На нижней и верхней 
границах задавались притоки тепла и потоки примеси, а на боковых границах использовались условия теплоизоляции.

Параметры пограничного слоя, используемые при численных расчетах, принимали следующие 

значения: толщина пограничного слоя соответствовала устойчивой стратификации в ночное время, 
средние в слое показатели коэффициента горизонтальной и вертикальной турбулентной диффузии вне 
источника и над источником принимали различные значения, температура на поверхности разлитой 
жидкости (аммиак) -33ОС. Мощность источника принималась в соответствии с методикой прогнозирования [6] при разливе аммиака из резервуара объемом 5000 м3. При численных расчетах горизонтальные 
размеры территории составляли 100х100 км; остальные параметры были получены расчетами или уточнены при проведении численных экспериментов. Скорость западного ветра принималась равной 1 м/с.

Рассматривались варианты расчетов с различными температурными градиентами и концентра
ционными изменениями плотности. Кроме этого, исследовалось влияние температурной стратификации непосредственно над источником холода. В этом случае принимались уменьшенные значения 
коэффициентов горизонтальной турбулентной диффузии, пропорциональные пути смешения, который определялся при различных типах стратификации. В качестве обобщающих количественных характеристик использовались максимальные значения концентрации на оси факела в долях величины 
токсодозы; средние значения скорости ветра в слое над холодным источником примеси; максимальные возмущения функции тока, вызванные влиянием перечисленных факторов. Рассчитанные количественные характеристики были сведены в таблицу.