Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ системы методического обеспечения геоэкологической оценки загрязнения атмосферы
1.1. Характеристика загрязнения атмосферы крупного населенного пункта
1.2. Особенности загрязнения атмосферы аэродрома продуктами сгорания авиационного топлива
1.3. Анализ методов расчета уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива
2. Методика проведения экспериментальных исследований уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива на территории аэродромов
2.1. Методика проведения экспериментальных исследований с использованием устройства для автоматического отбора проб воздуха
2.2. Цель и программа проводимых экспериментальных исследований
2.3. Методика обработки опытных данных 54
2.4. Анализ результатов экспериментальных исследований переноса загрязняющих веществ от авиационных двигателей воздушных судов
3. Методика расчета концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха
3.1. Сравнительный анализ математических моделей и результатов экспериментальных исследований
3.2. Методика расчета концентрации пространственного распределения концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей
3.3. Методика определения значений опасной скорости ветра
при пространственно-временном распределении загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха
4. Анализ геоэкологической ситуации и определение экологической безопасности территории аэродрома
4.1. Оценка успешности методики расчета концентрации
загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей
4.2. Особенности экологического мониторинга загрязнения атмосферы на территории аэродрома
4.3. Оценка экологической безопасности территории аэродрома 103
4.4. Влияние метеорологических условий на уровень загрязнения двухметрового приземного слоя воздуха продуктами сгорания авиационных двигателей ВС
4.5. Разработка природоохранных мероприятий для снижения и локализации возможного загрязнения двухметрового приземного слоя воздуха на территории аэродрома
Заключение 126
Библиографический список использованной литературы
- Особенности загрязнения атмосферы аэродрома продуктами сгорания авиационного топлива
- Цель и программа проводимых экспериментальных исследований
- Методика расчета концентрации пространственного распределения концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей
- Особенности экологического мониторинга загрязнения атмосферы на территории аэродрома
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В результате резкого увеличения интенсивности движения воздушных судов (ВС), появления в эксплуатации тяжелых реактивных самолетов, а также значительной урбанизации городских территорий, прилегающих к военным объектам, связанным с эксплуатацией авиационных двигателей (аэродром, авиационная база и др.), оценка их воздействия на окружающую среду в настоящее время приобретает особую актуальность. Продукты сгорания авиатоплив оказывают наиболее неблагоприятное техногенное воздействие на экосистему в районе аэродромов. При этом большая часть выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) происходит в двухметровом приземном слое воздуха (ДПСВ) - зоне дыхания людей. В трудах М.Е. Берлянда, Э.Ю. Безуглой, Б.И. Кочурова, С.А. Куролапа, В.А. Луканина, И.Е Евгеньева, В.П. Подольского, В.Г. Ененкова, В.А. Маслова, В.Е. Квитка и др. сформулированы основные положения, теория и практика геоэкологических исследований. Однако, современное методическое обеспечение геоэкологической оценки загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива не в полной мере отвечает требованиям практики.
Степень разработанности тематики исследований в данной области находится на недостаточно высоком уровне. Прежде всего, это связано с отсутствием общепринятой методики оценки возможного загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива, что обусловлено трудностями точного количественного определения величин выбросов и условий распространения ЗВ в ДПСВ на территории аэродрома и прилегающих территорий с учетом многочисленных факторов. Точность и адекватность большинства разработанных моделей, в условиях переноса облака ЗВ от авиационных двигателей ВС, не всегда удовлетворяют требованиям практики. Существующие методы и методики инструментального контроля не во всех случаях позволяют получить достоверную информацию о пространственно-временных характеристиках полей загрязнения ДПСВ, формируемых кратковременными протяженными источниками большой мощности. Кроме того, специфические особенности авиационного двигателя ВС, как источника загрязнения атмосферы, не позволяют при проведении геоэкологической оценки корректно применять ряд существующих методик, в том числе и для определения метеорологических условий благоприятствующих переносу ЗВ.
В связи с этим, научной задачей исследования является разработка методического обеспечения оценки загрязнения атмосферы аэродромов продуктами сгорания авиационного топлива, эмитированных двигателями воздушных судов.
Целью исследования является повышение точности геоэкологической оценки уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива на основе разработки ее методического обеспечения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
1. Проанализировать существующую систему методического обеспечения
геоэкологической оценки загрязнения атмосферы аэродромов продуктами сгорания
авиационного топлива.
2. Разработать методику проведения экспериментальных исследований уровня
загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива на территории
аэродромов.
3. Разработать методику расчета пространственного распределения
концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в
условиях атмосферного переноса продуктов сгорания от двигателей воздушных
судов.
-
Разработать методику определения значений опасной скорости ветра для персонала аэродрома при пространственно-временном переносе загрязняющих веществ.
-
Апробировать разработанные методики в реальных условиях загрязнения атмосферы аэродромов с учетом метеорологических условий.
-
Разработать природоохранные мероприятия и предложения направленные на повышение качества геоэкологического мониторинга загрязнения атмосферы на территории аэродрома.
Объектом исследования является двухметровый приземный слой воздуха на территории аэродромов в условиях техногенного загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива.
Предметом исследования является геоэкологическое состояние двухметрового приземного слоя воздуха на территории аэродромов, нагруженных авиационными источниками загрязнения.
Методология и методы исследования. Методологической основой работы является геосистемный анализ экологических проблем связанных с воздействием военных объектов на окружающую среду. Для решения задач диссертационной работы использовались качественные и количественные методы эколого-географических исследований: районирования, картографический, математико-географического моделирования, анализа многомерных данных, экспертных оценок, статистической обработки исходных данных, компьютерного эксперимента.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработана методика проведения экспериментальных исследований уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива на территории
аэродромов с использованием запатентованного устройства для автоматического отбора проб воздуха, отличительной особенностью, которой является возможность автоматического отбора и сохранения проб воздуха для их последующего анализа в лабораторных условиях, позволяющая повысить точность измерений.
2. Разработана методика расчета пространственного распределения
концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в
условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей отличающаяся
тем, что пространственный источник загрязнения атмосферы представлен
совокупностью точечных источников в виде газодинамических образований (ГДО),
что позволяет уточнить существующие математические модели и повысить
точность геоэкологической оценки уровня загрязнения атмосферы аэродромов
продуктами сгорания авиационного топлива.
3. Разработана методика определения значений опасной скорости ветра для
персонала аэродрома при пространственно-временном переносе загрязняющих
веществ, позволяющая повысить точность проводимой геоэкологической оценки
уровня опасности загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного
топлива.
Информационную базу исследования составили результаты экспериментальных наблюдений за состоянием двухметрового приземного слоя воздуха в районе типовой авиационной базы 1 разряда и прилегающей к ней территории за период с 2010г. по 2013г. Эталонным загрязняющим веществом был определен оксид углерода как один из основных продуктов сгорания авиационного топлива в двигателе ВС. Он является химически инертным веществом, и состояние атмосферы, кроме скорости и направления ветра, слабо влияет на его распространение. Обработка и анализ геоданных, характеризующих состояние атмосферного воздуха на территории аэродрома, проводилась с использование стандартных программно-инструментальных средств MS Excel, Statistica, Mathcad.
Достоверность результатов работы достигается корректной постановкой задач исследования, использованием большого объема исходных экспериментальных данных, полученных с помощью современных аттестованных и числящихся в государственном реестре РФ приборов, использованием апробированного математического аппарата и удовлетворительным совпадением численных расчетов и результатов эксперимента, а также с результатами полученными другими авторами, широкой апробацией результатов на Международных и Всероссийских конференциях.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке моделей и методик геоэкологической оценки загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива. Соответствующий научно-методический аппарат развивает элементы геоэкологической оценки уровня загрязнения воздушной среды
пространственными источниками и техники измерения качественных параметров воздушной среды, расширяет известные концепции геоэкологического мониторинга.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные автором средства контроля качества атмосферного воздуха, а также предложенные методики и природоохранные мероприятия могут быть использованы при проведении организационных мероприятий на территории аэродрома по обеспечению экологической безопасности персонала.
Разработанный научно-методический аппарат может быть использован при проведении геоэкологической оценки загрязнения атмосферы на территории аэродрома и прогноза уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива.
Основные положения, выдвигаемые на защиту:
1. Методика проведения экспериментальных исследований уровня
загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива на территории
аэродромов с использованием запатентованного устройства для автоматического
отбора проб.
2. Методика расчета пространственного распределения концентрации
загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях
переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей.
3. Методика определения значений опасной скорости ветра для персонала
аэродрома при пространственно-временном переносе загрязняющих веществ.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 -«Геоэкология» (Науки о Земле) по следующим пунктам исследований: П. 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля; П. 1.17. Геоэкологическая оценка территорий. Современные методы геоэкологического картирования, информационные системы в геоэкологии. Разработка научных основ государственной экологической экспертизы и контроля.
Апробация и внедрение результатов работы. Основные научные положения, теоретические и практические результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на: VII Международной научно-практической конференции «Современные вопросы науки - XXI век» (Тамбов, 2011 г.); II Международной научно-практической конференции «Науки о Земле на современном этапе» (Москва, 2011 г.); V Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2012 г.); Международном форуме по проблемам науки, техники и образования (Москва, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных
комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения» (Воронеж, 2011 г.).
Отдельные результаты диссертации внедрены в учебный процесс при подготовке военных специалистов по дисциплинам “Военная экология”, “Организация обеспечения войск (сил) авиационно-техническим имуществом”.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций - 4,8 п.л., из них авторский вклад - 75%.
Список научных работ приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в производстве, анализе, статистической обработке данных натурных наблюдений, оценке уровня загрязнения атмосферы на территории аэродрома. В разработке методик проведения экспериментальных исследований уровня загрязнения атмосферы продуктами сгорания авиационного топлива и расчета концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей. В формулировании выводов и выработке практических рекомендаций по снижению уровня экологической опасности исследуемой территории. В разработке и внедрении в систему мониторинга атмосферного воздуха на территории аэродромов запатентованных устройств для автоматического отбора проб воздуха и контроля механических частиц в средах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы. Основная часть диссертационной работы изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 20 рисунков, 13 таблиц и библиографический список из 132 источников, в том числе 18 научных работ автора диссертации.
Особенности загрязнения атмосферы аэродрома продуктами сгорания авиационного топлива
Поскольку аэродромы, как правило, расположены вблизи крупных населенных пунктов, то для оценки их вклада в загрязнение атмосферы необходимо проанализировать загрязнение атмосферы городов классическими источниками – промышленными предприятиями и автотранспортом.
В настоящее время большинство крупных промышленных городов России являются центрами острейших экологических проблем, связанных с изменением микроклимата и загрязнением воздушного бассейна, которые вызывают рост экологически обусловленных заболеваний населения. Эта проблема особенно обострилась на рубеже XX - XXI столетий при высоких темпах развития промышленности, увеличении мощности предприятий теплоэнергетики, нефтехимии, металлургии, а также вследствие значительного увеличения автотранспорта в городах [75].
На фоне возрастающего техногенного загрязнения среды обитания урбанизированных регионов отчетливо проявляются негативные процессы, связанные со значительным ущербом здоровью горожан, материально техническим объектам (зданиям, промышленному и транспортному оборудованию, коммуникациям, промышленной продукции), а также зеленым насаждениям [54]. Городская среда в условиях высокой плотности населения, обилия автотранспорта и предприятий подрывает биологическую жизнеспособность человека, приводит к повышению его заболеваемости злокачественными новообразованиями [34]. В полной мере это справедливо и для города Воронежа - крупнейшего промышленного центра Центрального Черноземья, с населением более 1 млн. человек. По данным Управления по экологии и природопользованию Воронежской области основными факторами, формирующими качество воздушного бассейна, традиционно являются компоненты выбросов передвижных и стационарных источников, т.е. выбросы промышленных предприятий и автотранспорта. В 2010 году к этим факторам на территории Воронежской области добавился такой значительный источник, как лесные пожары, инициированные аномально высокими летними температурами.
Крупнейшим загрязнителем атмосферного воздуха города Воронежа является автотранспорт, на его долю приходится до 81,37% загрязнения [36]. Среди городов России Воронеж входит в первую десятку с максимальным загрязнением атмосферы от работы автотранспорта. Ежегодно происходит прирост автотранспорта, который в 2010 г. составил 35 тысяч единиц. В то же время, этот процесс происходит в условиях существенного отставания экологических показателей отечественных автотранспортных средств и используемого моторного топлива от достигнутого мирового уровня, а также отставания в развитии улично-дорожной сети. Несмотря на интенсивный рост автомобильного парка, средний «возраст» его остается значительным и составляет 10,5 лет.
Газообразные продукты, поступающие с выхлопами автомобилей в атмосферу, рассеиваются у поверхности земли, вследствие чего представляют наибольшую опасность для растений и живых организмов [34].
В отработавших газах автомобилей содержится более 200 компонентов, из которых 170 являются вредными для природы и человека, в том числе, 160 - это производные углеводородов. Среди них ученые - гигиенисты выделяют оксиды углерода (СО), азота (NO ), углеводороды (СН ), сернистый газ (SO ), альдегиды, сажу и т. д. Особую группу составляют соединения свинца, и углеводородные соединения канцерогенной группы. Токсичные выбросы автомобилей образуют в пространстве легкие и тяжелые аэрозоли. К легким аэрозолям относятся оксиды азота и углерода, а к тяжелым – соединения металлов (в основном свинца). Характерной особенностью легких фракций является то, что они в виде аэрозолей могут перемещаться на большие расстояния и выпадать или аннигилировать частично за пределами дорожной полосы [102].
Выброс загрязняющих веществ (ЗВ) от стационарных источников Воронежской области составляет 18,63% от общего объема выбросов. Основой вклад в загрязнение атмосферы, исходя из классификации по 35 отраслям, внесли предприятия осуществляющие транспорт продукции по трубопроводам (35% от общего количества), предприятия по производству строительных материалов (15,4%), химической (14,6%), пищевой (13,2%) промышленности, топливно-энергетического комплекса (6,12 %) [36].
По данным мониторинга наибольшие максимально-разовые концентрации традиционно зафиксированы в городе Воронеже. Их значения достигали: по пыли – 4,8 ПДК, оксиду углерода – 1,8 ПДК, диоксиду азота – 1,8 ПДК, формальдегиду – 1,2 ПДК. Наибольший уровень загрязнения зафиксирован на посту наблюдения №7, расположенному в юго-восточной части города, где сосредоточены ТЭЦ-1, ОАО «Воронежсинтезкаучук», ООО «Амтел-Черноземье» и проходит магистраль с интенсивным движением автотранспорта. В течение года увеличение средних концентраций пыли наблюдалось в летний и осенний периоды и составило 3,3 ПДК с.с., диоксида азота – в летний период и составило 2,3 ПДК с.с., оксида углерода – в летний период и составило 1,1 ПДК с.с., формальдегида – в летний и осенний период и составило 5,3 ПДК с.с. [36, 55].
Данные станций мониторинга указывают на высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха по основным загрязнителям, что говорит о низком качестве городской среды и общественном здоровье населения города.
В ходе корреляционного анализа, проведенного в работах [55, 9 , 117, 127], установлено наличие ряда достоверных сильных корреляционных зависимостей между отдельными загрязняющими компонентами природных сред и критериями общественного здоровья.
Установлено, что резкое увеличение числа случаев заболеваемости бронхитами у людей старше 55 лет отмечается на следующий день после повышения среднесуточной концентрации сернистого газа до 0,7 мг/м3 [117, 127]. Корреляция числа случаев смертности со среднесуточными значениями концентрации сернистого газа оказалась равной 0,87 [9]. При среднесуточных концентрациях сернистого газа 0,1-0,2 мг/м3 у населения наблюдается обострение заболеваний верхних дыхательных путей.
Пагубно отражается на здоровье населения загрязнение воздуха пылью и аэрозолями [94]. Особенно опасны для здоровья людей твердые взвешенные частицы мелких фракций диаметром менее 2,5 мкм. Мелкие частицы пыли адсорбируют на своей поверхности значительное количество газов и паров из окружающей среды, канцерогенные и мутагенные вещества, способны переносить микроорганизмы. Особое значение пыли и других взвешенных частиц определяется, в частности, тем, что они загрязняют атмосферу не только в результате прямых выбросов, но и в результате различных превращений газообразных веществ, выбрасываемых в атмосферу (сернистых соединений, окислов азота, углеводородов), заканчивающихся образованием мелкодисперсных аэрозолей [60]. Заболевание городского населения хроническими болезнями дыхательных путей (раком легких, хроническим бронхитом, эмфиземой, бронхиальной астмой и др.) значительно выше, чем сельского населения и непосредственно зависит от его численности - в городах с численностью населения 500 тыс. человек и более она примерно в 2 раза больше, чем в сельских местностях [94]. Также отмечается прямая зависимость для детского населения между концентрацией пыли в атмосфере города Воронежа и уровнем заболеваемости болезнями системы кровообращения, а также болезнями костно-мышечной системы [55]. Корреляция числа случаев смертности со среднесуточными значениями концентрации пыли, проведенная в работе [9], оказалось равной 0,88.
Цель и программа проводимых экспериментальных исследований
По результатам проведенного расчета можно сделать вывод о том, что при проведении экспериментальных замеров, в соответствии с предложенной методикой, предельная ошибка измерений случайной величины уменьшается более чем на 30%.
Предложенная методика проведения экспериментальных исследований позволила зафиксировать данные отбора проб во всех выбранных точках. Это с достаточной достоверностью обеспечило возможность оценки уровня загрязнения ДПСВ и дальности распространения сформированных полей концентраций ЗВ от авиационных двигателей ВС на территории исследуемого аэродрома.
По результатам проведенной апробации был сделан вывод о том, что разработанное устройство для автоматического отбора проб воздуха обеспечивает возможность определения уровня загрязнения атмосферы на различной высоте и сохранение отобранной пробы в течение длительного времени, а использование предложенной методики позволит повысить точность проводимой геоэкологической оценки загрязнения атмосферы.
В данном разделе предпринята попытка изучения процесса загрязнения ДПСВ авиационными двигателями на территории аэродрома и уточнения метеорологических условий, благоприятных распространению ЗВ. Исследования проводились на территории военного аэродрома г. Воронежа – места базирования типовой авиационной базы 1 разряда. Данный аэродром предназначен для проведения полетов ВС в соответствии с планами боевой и учебной подготовки, научно-исследовательской работы, осуществления воздушных перелетов.
Район аэродрома расположен в зоне умеренно-континентального климата, на погодные условия которого оказывают влияние близко расположенные: водохранилище, промышленные предприятия и жилой массив. Аэродром расположен на южной границе города Воронежа на равнинном, лесостепном участке местности. Территория аэродрома с востока ограничена водохранилищем, с запада – р. Дон с широкими заливными лугами, с севера и юга – прилегающими урбанизированными территориями. Взлетно-посадочная полоса летного поля ориентирована в соответствии с преобладающим направлением ветра с учетом характера городской застройки.
В исследовании наблюдения проводились лишь за оксидом углерода, как одним из наиболее характерных продуктов неполного сгорания топлива. Оксид помимо высокой токсичности способен сохраняться в атмосфере длительное время. Основной причиной образования СО является недостаток кислорода в процессе сжигания топлива. Ввиду кратковременной работы авиационных двигателей, критерием опасности загрязнения воздуха CO при их работе является максимально-разовая ПДК м.р., равная 5 мг/м3 [97].
Все наземные работы на территории аэродрома, в период организации и проведения полетов, подразделяются на следующие этапы [106]: - предварительная подготовка ВС; - предполетная подготовка ВС; - запуск на технической позиции авиационных двигателей и опробование режимов их работы; - руление ВС для осуществления взлета-посадки; - буксировка специальной техникой ВС в зоны рассредоточения; - проведение проверки работоспособности всех систем и их отключение. При выполнении полетов 20 самолетами за одну полетную смену расходуется около 200 тонн авиационного топлива. При этом, на технической позиции (ТехП) сосредотачивается летно-технический состав численностью порядка 250 человек [106]. С момента начала подготовки ВС зафиксированные значения концентрации ЗВ, в зонах сосредоточения авиационной техники, отличаются от фоновой в сторону увеличения.
Период максимального загрязнения ДПСВ приходится на этап предварительной и предполетной подготовки ВС, запуска двигателей и их опробования [42, 85]. Этот этап проводится на ТехП, где на небольшой по площади территории одновременно могут совершать наземные операции по опробованию двигателей несколько ВС.
В этот период ВС представляет собой источник загрязнения большой мощности, обладающий высокой скоростью воздушной струи направленной параллельно земной поверхности, и разностью температур газовой смеси и окружающей среды. Основываясь на результатах проведенных ранее исследований [16, 42, 106], предположено, что при определенных метеорологических условиях, благоприятных для переноса, облако ЗВ, формируемое авиационными двигателями ВС, способно распространяться на значительные расстояния и создавать повышенные концентрации в местах скопления летно-технического персонала, как на территории аэродрома, так и на прилегающих к нему урбанизированных территориях.
Целью данного раздела является проведение и анализ результатов экспериментальных замеров СО, оценка содержания примесей и их динамическое распространение в ДПСВ, а также определение метеорологических условий благоприятных переносу ЗВ от авиационных двигателей. В результате этих исследований предполагается определение границ распространения опасных зон загрязнения ДПСВ, формируемых двигателями ВС в результате переноса примеси, и уточнение метеорологических условиях благоприятных переносу ЗВ.
Местом проведения экспериментальных исследований определена ТехП, как место наибольшего загрязнения ДПСВ продуктами сгорания авиационного топлива на территории аэродрома, и участки прилегающей к ней местности.
Экспериментальные исследования предполагали следующие виды инструментальных замеров уровня концентраций ЗВ: - вблизи ВС работающего в стационарном режиме; - вблизи группы ВС работающих в стационарном режиме. Началом исследований явилось проведение инструментальных замеров уровня фоновой концентрации ЗВ на ТехП и прилегающих к ней объектах аэродрома путем обхода их по периметру, а также на окраине, граничащей с урбанизированными территориями.
При этом отбор проб воздуха производился по периметру объектов расположенных в непосредственной близости от площадки исследования на высоте 1,5 – 2 метров от поверхности с интервалом от 2 до 10 метров. Разовая концентрация определялась газоанализатором посредством прокачки пробы воздуха в течение 15 минут. Установлено, что концентрации ЗВ до начала полетов, в большинстве случаев, не превышают значений ПДК и фоновых концентраций.
На первом этапе для оценки уровня загрязнения прилегающих территорий в период проведения полетов ВС и определения опасной скорости ветра были проведены экспериментальные исследования по определению концентрации оксида углерода в ДПСВ. Распространение облака ЗВ происходило над однородной поверхностью низкой шероховатости.
Замеры проводились на расстоянии до 500 метров по оси X с интервалом в 100 метров и по оси Y на расстоянии 20 метров в обе стороны с интервалом в 10 метров. Схема размещения приборов представлена на рисунке 2.4.
Методика расчета концентрации пространственного распределения концентрации загрязняющих веществ в двухметровом приземном слое воздуха в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей
Анализ рисунка 3.5 позволяет сделать вывод о том, что при использовании методики расчета концентрации ЗВ в ДПСВ в условиях переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей, при несовпадении направления ветра с осью струи выхлопных газов, расчетные значения имеют удовлетворительные совпадения с экспериментальными данными на участке переноса 50 - 100 метров по оси Y.
При этом наибольшие погрешности отмечаются на участке 50 - 80 метров по оси Y и находятся в пределах от 20% до 32%. Погрешности моделирования загрязнения ДПСВ моделью допустимы. Таким образом, методика может быть применена для оценки уровня загрязнения атмосферы авиационными двигателями ВС на территории аэродрома в условиях несовпадения оси струи выхлопных газов с направлением ветра.
Для расширения границ применимости предложенной совокупности моделей целесообразно использовать поправку fF на обеднение облака ЗВ за счет сухого осаждения продуктов сгорания и их вымывания осадками. Процесс распространения облака ЗВ в условиях осадков может приближенно описываться следующим выражением [16]: _ах/ fF=ce /м, (3.30) где а - коэффициент характеризующий взаимодействие примеси с каплями, и - скорость ветра.
Таким образом, разработанная методика, в отличие от Гауссовых моделей распределения примеси от точечного источника, позволяет учесть физические процессы формирования облака ЗВ авиационным двигателем ВС за счет учета параметров реактивной струи. Отличительной особенностью методики является возможность ее использования при углах отклонения направления ветра от оси авиационного двигателя до у/ 90. Это значительно расширяет границы математического моделирования загрязнения атмосферы при проведении геоэкологической оценки.
Кроме того, введение в расчетные выражения поправка fF на обеднение облака ЗВ за счет сухого осаждения продуктов сгорания и их вымывания осадками, позволит использовать данные модели при метеорологических условиях способствующих самоочищению атмосферы значительной без потери точности моделирования.
Опытная проверка адекватности предложенной автором методики расчета концентрации загрязняющих веществ в ДПСВ в условиях переноса облака от авиационных двигателей рассматривается ниже.
Методика определения значений опасной скорости ветра при пространственно-временном распределении ЗВ в ДПСВ Точность геоэкологической оценки загрязнения атмосферы авиационными двигателями ВС на территории аэродрома определяется многими факторами, в том числе и точностью определения метеорологических условий, способствующих максимальному уровню загрязнения атмосферы. Анализ существующей методики [50], проведенный в первой главе, показал ее несостоятельность по определению значений опасной скорости ветра применительно к авиационным двигателям. Ввиду этого, оценка и прогноз геоэкологического состояния ДПСВ на территории аэродрома требуют уточнения метеорологических условий, благоприятных загрязнению атмосферы на различном удалении от ВС. Таким образом, представляется целесообразной разработка методики определения значений опасной скорости ветра при пространственно-временном распределении концентрации оксида углерода в ДПСВ на территории аэродрома в условиях переноса облака ЗВ от авиационных двигателей ВС.
Задача математического моделирования состоит в том, чтобы на основе результатов экспериментальных исследований определить зависимость изменения уровня концентрации оксида углерода (C) от значений скорости ветра (U), осуществляющего перенос облака ЗВ по оси струи, на различном удалении от авиационных двигателей.
Для этого рассмотрим двумерную случайную величину (C, U), где C и U –взаимозависимые случайные величины. Представим величины C в виде линейной функции величины U [28]: C = g(u) = aU + P, (3.31) где а и p - параметры, подлежащие определению. Для этого воспользуемся методом наименьших квадратов. Функцию (3.31) называют наилучшим приближением U если математическое ожидание M[C-g(U)f принимает наименьшее возможное значение. Линейная средняя квадратическая регрессия C на U имеет вид: g(u) = mc+r (U-mu), (3.32) и где щ.=М р),Щ=ЩС),а.=ЩІ), с=4т,г = ІІтЦрЛ) - коэффициент корреляции величин U и C. Графическое отображение результатов экспериментальных исследований, приведенных во второй главе, свидетельствует о том, что изменение уровня концентрации оксида углерода в облаке ЗВ, распространяющемся от источника, происходит нелинейно [72]. Ввиду этого представим зависимость (3.31) в виде:
По обучающей выборке, составленной из данных экспериментальных исследований уровня загрязнения ДПСВ авиационными двигателями ВС на удалении 100 метров от источника, исследуем зависимость переменной C от значений скорости ветра U.
Для проверки значимости коэффициентов регрессии b0, b1, b2 на уровне значимости = 0,95 воспользуемся выражением [115]: где Sft- среднее квадратическое отклонение коэффициента регрессии, W,-1 – табличное значение t-критерия коэффициента Стьюдента, определенное на уровне значимости а при числе степеней свободы к = п-р-1, n – число наблюдений, p - количество независимых переменных в уравнении.
Особенности экологического мониторинга загрязнения атмосферы на территории аэродрома
Для определения экологической безопасности на участке переноса продуктов сгорания от авиационных двигателей необходимо провести оценку условия (4.12). С этой целью для координат п поперечника на пересечении элементов первых столбца и строки вычисляются значения элементов Кь, которые сравниваются с 1 [102]. В результате оценочных расчетов элементов матрицы Леопольда можно выделить определенную ширину участка переноса, отвечающую условию (4.12).
Таким образом, для оценки экологической безопасности территории, аэродрома прилегающей к ВС, необходимо определить основные параметры матрицы Леопольда, которые являются долями ПДК загрязнения ДПСВ выбросами ВС, влияние ПДУ шума, и т.п.
Комплексные оценки и прогнозирование загрязнения на основе матрицы Леопольда могут быть представлены в векторной форме: A = S(V,W,R\RW,RVW,RWV). (4.13) Комплексная оценка загрязнения ДПСВ может быть осуществлена с помощью коэффициента приведения различных загрязнителей к СО по формуле [102]: Ії сі =ILk pCco, (4-14) где кпрі- коэффициент приведения концентрации і-го загрязнителя к концентрации СО как наиболее изученного и статистически определимого контаминанта: прСО = 1, прNOx = 41,1, прlCnHm = 3,16. Эти коэффициенты находятся по выражению [104, 105]: = а,.а;МД, (4.15) где а\– показатель относительной опасности присутствия загрязняющего вещества в воздухе, а– поправка, учитывающая вероятность накопления вредных веществ или вторичных загрязнителей в атмосфере и других компонентах окружающей среды («! = 1 5), ЗІ - коэффициент, учитывающий вероятность вторичного заброса примеси в атмосферу после оседания на поверхность (i = 1 1,2), # - коэффициент учитывающий вероятность образования при участии исходных вредных веществ, выброшенных в атмосферу, других (вторичных) ЗВ, более опасных, чем исходные (i = 1 5).
Таким образом, представленная комплексная оценка экологической безопасности на основе матрицы Леопольда позволит повысить точность геоэкологической оценки загрязнения атмосферы аэродрома авиационными двигателями ВС за счет возможности ее использования при наличии ограниченной информации о количественных соотношениях, простотой составления и использования, возможностью учета неограниченного количества факторов и воздействий с любой степенью дифференциации.
Влияние метеорологических условий на уровень загрязнения ДПСВ продуктами сгорания авиационных двигателей ВС
Рассмотрим влияние погодных условий на изменение уровня загрязнения ДПСВ двигателями ВС на различном удалении от источника.
Используя результаты исследований [8, 16, 108, 117], можно сделать вывод о том, что концентрация ЗВ на различном удалении от источника при постоянных параметрах выброса, главным образом, зависит от метеорологических условий. Влияние метеорологических условий проявляется по-разному для различных типов источников. В соответствии с классификацией источников загрязнения атмосферы, ВС, при выполнении наземных операций апробирования авиационных двигателей, можно отнести к низким источникам, выбросы которых происходят в приземном слое воздуха [108]. Наибольшие концентрации ЗВ вблизи таких источников наблюдаются при наивысшем потенциале загрязнения атмосферы (наличие штиля и инверсии температуры).
Ветер способствует переносу и рассеиванию ЗВ, так как с его усилением возрастает интенсивность перемешивания воздушных слоев. Концентрации ЗВ вблизи источника снижаются, но в результате ветрового переноса примеси происходит распространение сформированных полей загрязнения на прилегающие территории. Максимальные концентрации ЗВ на различных 111 расстояниях от источника в этом случае обычно наблюдаются при некоторой скорости ветра, называемой опасной [87]. Вопросам определения опасной скорости ветра и переноса ЗВ для различных источников уделено большое внимание в ряде работ по метеорологическим аспектам загрязнения воздуха, проводимых Главной геофизической обсерваторией им А. И. Воейкова [8, 16, 108]. Существование для различных источников опасной скорости ветра объясняется особой зависимостью концентрации ЗВ от скорости ветра. При фиксированной высоте источника концентрация загрязнителя в ДПСВ возрастает с уменьшением скорости ветра. В тоже время, для некоторых источников с уменьшением скорости ветра возрастает подъем примеси, уменьшающий концентрации вблизи них. Опасная скорость ветра зависит от параметров выброса. Значения ее могут составлять от 1 до 2 м/с, для источников со сравнительно малым объемом выбросов и низкой температурой газов, и до 5-7 м/с для мощных источников выброса с большим перегревом дымовых газов относительно окружающего воздуха.
Работающий в режиме максимальных оборотов авиационный двигатель, является мощным источником загрязнения атмосферы различными ЗВ. Особенностями его является сильно перегретая по отношению к окружающему воздуху и направленная горизонтально реактивная струя. В результате высокой скорости истечения продуктов сгорания из сопла авиационного двигателя и температурному перегреву, в результате которого происходит подъем реактивной струи, ЗВ переносятся на большие расстояния.
При малых расстояниях от источника до рецепторной точки опасными являются небольшие значения скорости ветра. С увеличением расстояния опасные значения скорости ветра увеличиваются. Данное увеличение возможно в пределах реальных изменений рассматриваемых параметров.
На основе представленной классификации источников загрязнения атмосферного воздуха авторами [16, 87] предложена методика по определению опасной скорости ветра. Однако, указанные особенности авиационного двигателя ВС как источника загрязнения атмосферы делают некорректными попытки использования данной методики применительно к ним. Ввиду этого, одной из задач исследования явилось разработка методики определения значений опасной скорости ветра при пространственно-временном распределении концентрации оксида углерода в ДПСВ на территории аэродрома в условиях переноса облака ЗВ от авиационных двигателей. Данная методика приведена в третьей главе. На основе результатов проведенных исследований определено, что значения опасной скорости ветра для авиационных двигателей ВС составляют от 2 до 3,7 м/с. Наибольшие концентрации оксида углерода на значительном удалении от источника наблюдаются при неблагоприятных метеорологических условиях. Чаще всего это происходит при слабом ветре и наличии в атмосфере задерживающих слоев, которые препятствуют перемещению загрязняющих веществ по вертикали. Под слабым ветром здесь подразумевается ветер со скоростью до 3 м/с. Слабый ветер является необходимым условием для сохранения высоких концентраций в облаке при переносе от низкого источника легких контаминантов.