Моделі поширення забруднюючих речовин в атмосферному повітрі, що використовуються під час складання звіту з ОВД

Під час складання звіту з ОВД виконавець повинен описати та оцінити ймовірні впливи на атмосферне повітря, в чому допомагає програмне забезпечення. На сьогоднішній день розробка програмного забезпечення та автоматична обробка даних надає широкі можливості в сфері аналізу розповсюдження забруднення повітря ПША, що відбувається за численними сценаріями. 

Експерти Сертифікаційного курсу для виконавців звіту з ОВД акцентують увагу учасників на математичних моделях розсіювання забруднюючих речовин у приземному шарі атмосферного повітря, що можуть бути використані задля оцінки впливу на довкілля

Моделі поширення забруднюючих речовин в атмосферному повітрі, у свою чергу поділяють на наступні класи: моделі розсіювання забруднюючих речовин в атмосферному повітрі; моделі забруднення атмосферного повітря. Основною метою, яких є: 

• визначення співвідношень джерело-рецептор та внеску викиду різних джерел до сумарної концентрації; 
• оцінка просторового розподілу концентрації та експонованого населення; 
• оптимізація стратегій зниження обсягу викидів різних видів підприємств і аналіз сценаріїв викидів; 
• прогнозування зміни концентрацій забруднюючих речовин відносно часу та сезону тощо. 

Використання даних моделей потребує наявності актуальної метеорологічної та фізико-географічної інформації досліджуваної місцевості. Також, необхідна вичерпна інформація про джерела викидів та дані щодо проживання населення на досліджуваній території. Зазвичай, моделі розсіювання описуються процесами турбулентної дифузії в атмосфері та класифікуються наступним чином: 

• Ейлерові моделі (розв’язання рівнянь атмосферної дифузії); 
• Гаусові моделі (Гаусовий розподіл концентрацій у горизонтальному та вертикальному напрямках); 
• Лагранжеві моделі (дослідження процесів у масах повітря, імітування процесів розсіювання). 

Модель Ейлера вирішує рівняння збереження маси для даного забруднювача. Особливістю моделі Ейлера є використання фіксованої решітки (вертикальної та горизонтальної). Розв’язання хімічного рівняння відбувається одночасно в усіх точках перетину даної решітки, при цьому відбувається врахування процесу обміну забруднюючими речовинами між точками перетину. Для оптимізації розрахункового процесу враховують особливості досліджуваної місцевості. Для різних випадків створюються особливі вбудовані архітектури. Так, для територій, де немає суттєвого забруднюючого навантаження і концентрації речовини в повітрі досить однорідні (наприклад, сільська місцевість), застосовують «грубі» архітектури, тоді як для територій міст, які мають яскраво виражені осередки забруднення – більш якісні. Це дозволяє знизити кількість обчислень для певних випадків.

Алгоритм моделі Гауса є найбільш поширеним у моделюванні аналізу повітряної дисперсії та використовується у програмних комплексах, які  затверджені в Україні. Алгоритм моделі заснований на припущенні, що забруднююча речовина буде розповсюджуватися згідно з нормальним статистичним розподілом. При цьому, можливе внесення деяких спрощень під час реалізації даної моделі, а саме: концентрації забруднюючих речовин не впливають на розріджений потік (пасивна дисперсія); молекулярна і поздовжня дифузія (дифузія вздовж напрямку вітру) незначні; турбулентні потоки є лінійними; бічна середня швидкість і вертикальна швидкість вітру дорівнюють нулю, ідеальний випадок плоскої поверхні.

Модель Гауса найчастіше використовується для прогнозування дисперсії безперервних, плавучих викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря від рівня поверхні землі або від наземних джерел викидів. Ця модель може також, бути використана для прогнозування дисперсії переривчастих викидів забруднення повітря (багатошарові моделі).

Модель Лагранжа. Цей алгоритм дозволяє аналізувати дані змін у базовій решітці та на основі цього прогнозувати дисперсію забруднюючої речовини. На зміни у базовій решітці головним чином, впливає процес потрапляння напрямку вітру або вектору поля вітру на напрямок руху хмари забруднюючої речовини.  При цьому функція ймовірності повинна бути визначена як функція повних метеорологічних даних, близьких до джерел забруднення. В тих випадках, коли у викиді джерела присутні суміші газу та часток пилу, аерозолів, для математичного опису процесу включають додаткові рівняння, що описують розподілення та щільність часток пилу. Кожна забруднююча речовина описується окремим рівнянням.

До допоміжних моделей забруднення атмосферного повітря також, можна віднести наступні моделі:

• напівемпіричні, що базуються на емпіричній параметризації та застосовуються для опису процесів турбулентної дифузії в атмосфері у моделях розсіювання; 
• стохастичні, основані на напівемпіричних чи статистичних методах та орієнтовані на проведення аналізу співвідношення між якістю атмосферного повітря та вимірюваннями атмосферних параметрів, або на прогнозуванні випадків підвищеного забруднення повітря; 
• рецепторні, розглядають концентрації забруднюючих речовин, що виміряні у рецепторній точці та оцінюють відсотковий внесок різних джерел у цій концентрації;
• моделі Ханна, базується на формулі для оцінки найбільшої концентрації забруднюючої речовини, що викидається точковим джерелом у напрямку вітру;
• Box-моделі, полягають у тому, що осад повітря розглядається у формі коробки та приймається, що повітря всередині коробки має однорідну концентрацію.

Також, потрібно зазначити, що всі моделі побудовані на основі розглянутих рівнянь можуть бути класифіковані за масштабами атмосферних процесів: 

• макромасштабні (протяжністю більше 1000 км); 
• мезомасштабні (протяжністю більше 1 км і менше 1000 км); 
• мікромасштабні (протяжність менше 1 км).  

З іншого боку за тривалістю на: 

• локальні (менше декількох хвилин); 
• від локальних до регіональних (декілька годин); 
• від регіональних до континентальних (декілька днів); 
• від континентальних до глобальних (тиждень і більше). 

На сьогодні, вищевказані моделі реалізовані в комп’ютерних програмах розрахунку розповсюдження забруднюючих речовин в атмосферному повітрі, які розроблені науковими установами і організаціями та рекомендовані на державному рівні як інструмент в дозвільній системі багатьох країн світу. При цьому, процес оцінювання величини концентрації атмосферного забруднення складається з кількох етапів, належне виконання яких забезпечує коректний результат. Спочатку, необхідно визначити особливості процесу забруднення повітря ПША та підібрати відповідну математичну модель із урахуванням особливостей рельєфу місцевості і висоти джерел викиду. Далі, потрібно визначити клас стійкості (турбулентності) для конкретних умов за допомогою відповідних вимірів або візуально отриманих параметрів. Наступними кроками є встановлення метеорологічних параметрів, які визначають розповсюдження забруднюючих речовин, параметрів джерел забруднення та рельєфу місцевості.

Потім, проводиться розрахунок коефіцієнтів турбулентності на визначеній відстані, концентрацій і коефіцієнтів дисперсії згідно з моделлю.