Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Охрана природной среды. Механизмы государственного регулирования
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Дивергенция загрязнения

Обоснование выбора оператора

При создании того или иного вида товара в процессе созидательной деятельности человека обязательно образуются различные виды отходов. Эти отходы в той или иной степени загрязняют окружающую нас среду и делятся на три основных вида: газообразные, жидкие и твердые. Практика выброса (в атмосферу), сброса (в гидросферу и литосферу) отходов показала, что по мере удаления выбрасываемых (сбрасываемых) отходов от источника выбросов (сбросов), концентрация их в окружающей среде постепенно уменьшается по мере удаления от источников (стоков) [1], [2], [3], [4], [17]. В большинстве своем отходы производственной деятельности являются загрязняющими веществами для человека и окружающей его природной среды. Учитывая сказанное в дальнейшем излагаемый материал будет касаться в основном вопросов распространения загрязняющих веществ в границах и частично за границами отдельного промышленного региона.

Для математического описания процессов выброса (сброса) из источников загрязнения ЗВ и распространения их на первой стадии в окружающей среде наиболее подходящим, по мнению авторов, является оператор поля — дивергенция. С физической точки зрения дивергенция векторного поля является показателем того, в какой степени данная точка пространства является источником или стоком этого поля. В качестве примера можно привести родники бьющие со дна озера будут давать положительную дивергенцию поля скоростей течения, а подводные стоки (пещеры, куда вода утекает) — отрицательную дивергенцию. Математически приведенные примеры физических процессов записываются следующим образом:

й>¥ >- 0 — точка поля является источником загрязнения;

й>¥ -< 0 — точка поля является стоком загрязнения;

йї>¥ — 0 — стоков и источников нет, либо они компенсируют друг друга.

Математическое описание оператора дивергенции поля загрязнения представляется в виде

где Ф-р — поток векторного поля антропогенного загрязнения среды региона Т через сферическую поверхность площадью 5;

V — объем среды региона, включающий в себя объем атмосферы, гидросферы и литосферы.

При этом под объемом понимается 3-х мерный объем, а под площадью поверхности 3-х мерная площадь гиперповерхности соответствующей размерности.

Допустим, что векторное поле загрязнения региона дифференцируемо в некоторой области. Тогда в трёхмерном декартовом пространстве дивергенция будет определяться выражением

где Е — мощность выброса (в атмосферный воздух), сброса (в гидросферу), сброса отходов (в литосферу), г/с, соответственно;

х, у и 2 — направления распространения отходов в сферах соответственно (литосфера, гидросфера и атмосфера).

Литосфера

Рассмотрим вопрос математической идентичности оператора с используемыми в практике зависимостями, характеризующими проникновение загрязняющих веществ при сбросе их из источника в литосферу.

Литосферой называют твердую оболочку Земли, состоящую из земной коры и слоя верхней мантии, подстилающего земную кору. Верхние слои литосферы являются почвой. Почвой называется сложная многокомпонентная малодинамичная дисперсная система, в которой дисперсная среда представлена минеральными веществами (кристаллическим кварцем, алюмосиликатами, глинистыми минералами, природными макро - и микроэлементами), а дисперсными фазами являются органические вещества, все виды почвенной влаги (гигроскопической, пленочной, капиллярной, свободной гравитационной) и почвенного воздуха, микроорганизмы и макроорганизмы. Эта система, по В. В. Докучаеву, сформирована из материнской горной породы под влиянием местного климата, микроорганизмов, растений и животных, рельефа местности и времени. Почвенный покров является важнейшим природным образованием и компонентом биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.

Литосфера загрязняется жидкими и твердыми загрязняющими веществами, а также отходами производства. Источники загрязнение почвы могут быть классифицированы следующим образом.

Жилые дома и коммунально-бытовые предприятия. В составе загрязняющих веществ этой категории источников преобладают бытовой мусор, пищевые отходы, строительный мусор, отходы отопительных систем, пришедшие в негодность предметы домашнего обихода.

Промышленные предприятия. В твердых и жидких промышленных отходах постоянно присутствуют вещества, способные оказывать токсическое воздействие на живые организмы и растения.

Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды, оксид углерода, сажа и другие вещества, оседающие на поверхность земли или поглощаемые растениями. В последнем случае эти вещества также попадают в почву и вовлекаются в круговорот, связанный с пищевыми цепями.

Сельское хозяйство. Загрязнение почвы в сельском хозяйстве происходит вследствие внесения огромных количеств минеральных удобрений и ядохимикатов.

Кроме перечисленных источников загрязнения в практической деятельности имеют место многочисленные аварийные источники. В частности аварийные сливы нефтепродуктов при их транспортировке и хранении, аварии коллекторов городских водоканалов со сливом на почву сточных вод городских сооружений и промышленных предприятий. И другие виды аварийного слива загрязняющих веществ.

Почва относится к трехфазным системам, однако физико-химические процессы, протекающие в почве, чрезвычайно замедлены, и растворенные в почве воздух и вода не оказывают существенного ускоряющего воздействия на протекание этих процессов. Поэтому самоочищение почвы, по сравнению с самоочищением атмосферы и гидросферы, происходит очень медленно. По интенсивности самоочищения эти компоненты биосферы располагаются в следующей последовательности: Атмосфера - гидросфера - литосфера.

Рассмотрим зависимости, используемые для практического расчета проникновения загрязняющих веществ при сбросе их в литосферу. Почва как физическая среда не является монолитной. Она относится к пористым средам. Наука изучающая движении нефтепродуктов, растворов загрязняющих веществ, газа и их смесей (флюидов) через почвы, имеющие пустоты, которые могут представлять собой поры или трещины называется подземной гидродинамикой (ПГ). Теоретической основой ПГ является теория фильтрации, описывающая движение растворенного ЗВ с позиции механики сплошной среды. Движение флюидов (ЗВ) при сбросе их на поверхность литосферы происходит в пористой среде.

Одной из основных задач, решаемых в области экологии литосферы является задача распространения ЗВ по поверхности и вглубь почвы.

Основной характеристикой пористой среды является пористость, определяемая как отношение объема пор Ур к объему породы V

В трещиноватых средах аналогом пористости служит трещиноватость, определяемая как отношение объема трещин Vt к объему породы V

Для анализа движения жидкости и газов в пористой среде, как и в обычной механике сплошных сред, используются уравнения непрерывности, движения и состояния. Уравнение непрерывности в теории фильтрации приобретает вид [68]

где т — пористость среды;

р — плотность флюида (смеси загрязняющих веществ); 6) — скорость фильтрации.

Уравнение движения в пористых средах загрязняющих веществ устанавливает связь между вектором скорости фильтрации и полем давления, вызывающего течение. Уравнение движения в пористых средах выражает закон сохранения импульса и, в случае фильтрации ньютоновской жидкости, может быть получено из уравнений Навье — Стокса, описывающих течение жидкости внутри пор, с помощью осреднения. В простейшем случае линейной фильтрации в качестве уравнения движения используется закон Дарси, который определяет величину расхода ЗВ в единицу времени по формуле

где к — коэффициент пропорциональности, являющийся характеристикой пористой среды и не зависящий от размеров образца и свойств жидкости;

р — плотность смеси загрязняющих веществ;

g — ускорение силы тяжести;

Л// — разность уровней в пористой среде;

  • 5 — площадь сечения пористой среды, через которое распространяется ЗВ;
  • () — размер (длина) пористой среды, через которую распространяется ЗВ;

// — кинематическая вязкость смеси загрязняющих веществ.

Загрязняющие вещества, растворенные в потоке (например —при разрыве коллектора сточных вод города и поступления загрязнений в литосферу), переносятся этим потоком и одновременно диффундируют относительно несущей жидкости. Скорость переноса равна скорости жидкости, ширина области диффузионного размывания пропорциональна л/гЙ, где ? - время с момента введения примеси, а О — коэффициент диффузии. Если представить себе подобный опыт, выполненный с потоком грунтовых вод (а это часто происходит, когда в грунт проникают загрязненные сточные воды), то обнаруживаются два важных отличия. Во-первых, скорость переноса ЗВ оказывается меньше, иногда значительно (в несколько раз), чем средняя скорость потока V = и / т. Во-вторых, диффузионный размыв происходит значительно быстрее, чем это предсказывает теория диффузии, и с разной скоростью вдоль и поперек потока.

Отставание примеси от несущего ее потока в пористой среде объясняется явлением адсорбции. Молекулы растворенных в жидкости ЗВ могут временно закрепляться (адсорбироваться) на поверхности пор. Между раствором и поверхностью устанавливается динамическое равновесие, и среднее количество адсорбированного вещества зависит от его концентрации в растворе: а = а(с). Эта зависимость носит название изотермы адсорбции.

Таким образом, в среднем некоторая доля содержащихся в пористой среде загрязняющих веществ не движется вовсе, поэтому средняя скорость примеси меньше скорости жидкости. Более точно: можно показать, что каждое значение концентрации с переносится с постоянной скоростью и(с), причем

где штрихом обозначена производная функции.

В частности, если изотерма адсорбции линейна, а = Гс, то все значения концентрации переносятся с постоянной скоростью

и эта скорость тем меньше, чем больше постоянная Г, то есть чем сильнее адсорбция.

Если загрязняющих веществ несколько и их адсорбция различна, то есть различны постоянные Г, то в потоке через пористую среду они переносятся с разными скоростями. Это явление носит название хроматографии. Оно лежит в основе метода хроматографического анализа химических веществ и хроматографического метода разделения смесей, особо важного при получении чистых веществ. Чем больше эта поверхность, то есть чем меньше размер зерен, тем больше адсорбция.

Адсорбция в пористых телах обладает особенностями, прямо связанными с геометрией порового пространства. Согласно молекулярной теории адсорбции, количество адсорбированного вещества увеличивается с ростом его концентрации вблизи поверхности, пока вся поверхность раздела не окажется покрытой мономолекулярным адсорбционным слоем. Зная площадь 5*, которая приходится на одну молекулу, и измерив предельную адсорбцию аа}, можно вычислить удельную поверхность пористого тела (полную поверхность пор в единице объема среды)

где Ыл — число Авогадро;

/Иг — молекулярная масса адсорбирующегося вещества.

Результат измерений зависит от размеров используемых в опыте молекул. Чем меньше молекулы, тем больше оказывается измеренная площадь поверхности пор.

Рассмотрим процессы диффузии ЗВ в фильтрационном потоке. Причиной ускоренной диффузии в пористой среде также оказывается особая геометрия пор, а именно: разброс размеров пор и изменение этих размеров от точки к точке пласта. В результате скорость жидкости испытывает резкие флуктуации от точки к точке пористой среды. Поэтому при одинаковой средней скорости примесь переносится с разной скоростью по различным путям. Возникающий разброс положений частиц примеси внешне выглядит как диффузия, хотя и порожден главным образом гидродинамическими причинами. Он носит название гидродинамической дисперсии. Два основных свойства этой квазидиффузии достаточно очевидны уже из качественной картины: коэффициент диффузии возрастает с ростом скорости фильтрации, а величина его различна в направлении потока и поперек него. Коэффициент диффузии будет тем больше, чем больше характерный масштаб неоднородности потока. В природных пластах, где неоднородность носит случайный характер, вероятность встретить флуктуацию большого масштаба тем больше, чем больший путь проходит жидкая частица. Поэтому наблюдаемое значение эффективного коэффициента гидродинамической дисперсии тем больше, чем больше размер области наблюдения.

В соответствии с [69] устанавливаются физические зависимости, характеризующие степень загрязнения почвы как одним загрязняющим веществом:

— коэффициент концентрации загрязнения почвы вычисляют по формуле

где С — общее содержание загрязняющих веществ;

Сф — среднее фоновое содержание загрязняющих веществ;

СщК — содержание предельно-допустимых количеств загрязняющих веществ;

так и несколькими загрязняющими веществами:

— интегральный показатель полиэлементного загрязнения почвы вычисляют по формуле

где Су — сумма концентраций контролируемых загрязняющих веществ;

Сф}- — сумма концентраций фонового содержания загрязняющих веществ.

Рассмотрев зависимости, используемые для расчета проникновения загрязняющих веществ при сбросе их в литосферу, изложенные выше, и структуру оператора поля можно сделать вывод об их математической идентичности. Основным признаком определяющим идентичность предложенных зависимостей является факт изменения концентрации (уменьшения) загрязняющих веществ с удалением их от источника. Под математической идентичностью понимается идентичность уравнения непрерывности в теории фильтрации сплошных сред и уравнения характеризующего структуру оператора поля ёыГ. Данный признак подтверждается:

  • — общим видом уравнения непрерывности принятым в теории фильтрации (наличие оператора <Иу(рсо) ;
  • — фактом отставания примеси от несущего ее потока в пористой среде, который объясняется явлением адсорбции ЗВ на поверхности пор;
  • — разностью скоростей переноса при наличии в потоке нескольких загрязняющих веществ и различной их адсорбцией;
  • — наличием факта гидродинамической дисперсии при движении ЗВ, в результате чего скорость жидкости испытывает резкие флуктации от точки к точке пористой среды.
 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші