Математика от А до Я: Справочное пособие (издание третье с дополнениями)

Рассмотрим вначале поле течений воздуха снаружи здания. На рисунке 5.1. показано влияние ветрового потока на характер распределения концентраций загрязняющих веществ внутри восходящего потока, инициируемого «теплым» зданием.

Рис. 5.1. Высотные распределения концентраций загрязняющих веществ внутри конвективных потоков, создаваемых строением в случае штиля (а) и при ветре (б).

Рис. 5.2. Распределение концентраций загрязнений в различных вертикальных значениях здания: 1 — границы конвективного восходящего потока; 2 — здание; 3 — ветер; «1», «2», «3» — контрольные сечения.

В отсутствии ветра конвективный поток, насыщенный загрязняющими веществами, поднимается вертикально вверх, концентрация загрязнений при этом возрастает до значения высотной координаты Z = Z_3д., где Z_зд — высота здания. При Z > Z_зд из-за вовлечения окружающей среды концентрация примесей в потоке резко уменьшается.

При наличии ветра конвективный поток лишь частично омывает здание, и высотные загрязнения в нем имеют выраженный куполообразный вид.

Рисунок 5.2. иллюстрирует характер загрязнений внутри здания, температура которого Т превышает температуру окружающего воздуха Т_е. Как известно, в этом случае над зданием возникает конвективный струйный поток восходящего типа. Концентрация загрязняющих веществ в различных частях здания зависит как от высотной координаты Z, так и от скорости сносящего ветрового потока V_e.

Для одного и того же значения скорости V_e концентрация загрязнений отдельных объемов здания в пределах границ конвективного потока возрастает с увеличением высоты Z.

Отметим, что в холодных погодных условиях, когда возрастает дефект температурного перепада Т = Т — Т_е, наблюдается увеличение архимедовой силы всплытия конвективного потока и рост высотных координат его верхней и нижней границ. При этом большая часть здания оказывается внутри области течения загрязненного потока. Особенно это сказывается на верхних этажах здания, концентрация загрязнений в которых заметно возрастает с ростом Т.

По данным работы [165] от 86 % до 100 % загрязнений поступает в жилые помещения с наружным воздухом. Из атмосферного воздуха в дома поступают сернистый газ, окись углерода, пыль, окиси тяжелых металлов и многие другие токсиканты.

Рисунок 5.3. иллюстрирует баланс загрязнений внутри здания от различных источников в условиях городской застройки. Как следует из этого рисунка суммарное загрязнение в помещении складывается от действия высоких (заводские трубы, котельные, градирни и т. п.) источников, низких (в первую очередь автотранспорт), фоновых и внутренних выбросов. Числовые загрязнения суммарных концентраций загрязняющих веществ в каждой конкретной части здания определяются как суперпозиция концентраций от указанных источников. Причем несмотря на различный вклад этих источников в суммарную концентрацию загрязнений внутри здания можно отметить возрастающий характер токсикации воздушной среды с уменьшением высотной координаты Z. Самый чистый воздух будет на верхних этажах здания, а наиболее загрязненный — на нижних.

Рис. 5.3. Характер рассеивания в атмосфере и высотные распределения концентраций загрязняющих веществ в городе: 1 — фон; 2 — от низких источников; 3 — от инфраструктуры; 4 — от высоких источников; 5 — суммарное значение; 6 — ветер.

Такой же характер распределения ядовитых веществ наблюдается и в наружном воздухе (при условии, что дом находится на достаточном удалении от постоянно действующего высокого источника загрязнений).

Подводя итог проведенному выше сравнению, можно сделать вывод, что наибольшему риску токсического воздействия подвергаются жители нижних этажей домов, на улицах — дети и домашние животные.

Заключение

Опасные технологии — в первую очередь ядерные, химические и ракетнокосмические — широко представлены в народнохозяйственном комплексе нашей страны. По данным МЧС в начале XXI века на территории России функционировало около 45 тыс. различных потенциально опасных объектов, свыше 3,5 тыс. объектов располагали значительными запасами хлора и аммиака, более 500 тыс. тонн хлора ежегодно перевозилось по железным дорогам. Эти объекты являются потенциально опасными для природных сред, в первую очередь для атмосферы.

Износ технологического оборудования в химическом комплексе составлял более 80 %, около половины магистральных трубопроводов эксплуатировалось более 20 лет, ремонт и замена изношенного оборудования намного отставали от потребностей. Около 200 водохранилищ, в их числе ряд особо крупных, эксплуатировались более 50 лет без требуемых реконструкции и ремонта. С каждым годом техногенная обстановка усложняется.

В сегодняшних условиях не исключается возможность террористических актов на потенциально опасных объектах и в местах массового скопления людей Ожидаемый максимальный совокупный материальный ущерб от чрезвычайных ситуаций различного характера может составлять заметную долю от национального дохода страны.

Ярким примером этого является авария на Чернобыльской АЭС. Только на преодоление последствий этого суперинцидента в конце XX века ежегодно затрачивалось около 20 % бюджета Белоруссии, до 12 % —

Украины, около 1 % — России. Расходы на ликвидацию последствий аварий и катастроф в России оказываются сравнимыми с затратами на некоторые статьи государственного бюджета. Крупные аварии на современных промышленных предприятиях и энергоемких объектах поражают своими негативными последствиями: материальными, социальными и экологическими.

Тем не менее при соответствующих мерах по прогнозированию и предупреждению чрезвычайных ситуаций, при своевременном принятии мер защиты последствия этих аварий могут быть локализованы, а в ряде случаев сведены к минимуму. Эти задачи лучше выполняются там, где налажено тесное сотрудничество органов власти, научных институтов, а также сил МЧС и населения.

Безусловно, многие катастрофы, стихийные бедствия и аварии имеют фатальный непредсказуемый характер — их невозможно предвидеть и предотвратить. Борьба за уменьшение ущербов и потерь от них должна быть важным элементов государственной политики страны, в основу которой положено прогнозирование предстоящего бедствия и своевременное оповещение людей о нем.

Отметим, что в настоящее время накоплено значительное количество лабораторных и экспериментальных данных о физических процессах, сопровождающих взрывы, пожары и токсические выбросы. Имеются также многочисленные математические модели этих процессов. Тем не менее многие важные данные, влияющие на процесс возникновения, развития и движения выбросов в реальной атмосфере изучены недостаточно. Слабо изучены экологические последствия происшествий, действие спасателей в различных аварийных ситуациях, рекультивация территорий и вопросы послеаварийного возвращения населения в районы бедствия.