Салогуб, Александр Леонидович Геоэкологическая оценка загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ :

Краткое описание

Введение...4

Глава 1. Геоэкологические проблемы оценки загрязнения территорий аэродрома...10

1.1. Анализ состояния и перспективные направления по методам геоэкологической оценки загрязнения территорий аэродрома...10

1.2. Физико-географические особенности района объекта исследования...15

1.3. Оценка влияния метеорологических факторов и климатических характеристик, на уровень загрязнения летного поля аэродрома твердыми частицами___...___...___...____,...»..,...,.»,,..,.,...,,,..,___...___...20

1.4. Влияние условий эксплуатации аэродрома на уровень загрязнения территории летного поля.___...___...____._____________,31

Выводы по первой главе...____..._____...__________38

Глава 2. Полевые и лабораторные исследования количественного, элементного и дисперсного состава загрязнения твердыми частицами летного поля аэродрома...40

2.1. Общая методика полевых исследований загрязнения твердыми частицами поверхности летного поля аэродрома...40

2.2. Экспериментальное определение количественного состава загрязнения твердыми частицами поверхности летного поля аэродрома___...___... .45

2.3.Определение элементного и дисперсного состава загрязнения твердыми частицами неорганических веществ поверхности летного поля аэродрома методом электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа... .48

2.4. Исследования количественного состава взвешенных твердых частиц в поверхностном стоке взлетно-посадочной полосы летного поля аэродрома в полевых и лабораторных условиях...___.—...60

Выводы по второй главе ...------... .65

3

Глава 3. Теоретические исследования элементного, количественного и дисперсного состава твердых частиц неорганических веществ, поверхностного стока летного тюля аэродрома...____...67

3.1. Разработка уравнений зависимости элементного и количественного состава загрязнения твердыми частицами неорганических веществ различных участков летного поля аэродрома...67

3.2. Определение плотности распределения радиусов твердых частиц на исследуемых участках поверхности взлетно-посадочной полосы аэродрома.. ,74

3.3. Моделирование расчета концентрации загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома взвешенными твердыми частицами...82

Выводы по третьей главе...___... 89

Глава 4. Геоэкологическая оценка загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома, природоохранные инженерные мероприятия и локализация негативного техногенного воздействия на окружающую среду... 90

4.1. Алгоритм и блок схема расчета концентраций загрязнения взвешенными твердыми частицами поверхностного стока взлетно-посадочной полосы летного поля аэродрома ...90

4.2. Геоэкологическая оценка загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома...92

4.3. Разработка технического средства, по использованию водоотводной сети аэродрома для частичной очистки поверхностного стока взлетно-посадочной полосы от твердых частиц...94

4.4. Разработка природоохранных инженерных мероприятий и локализация негативного техногенного воздействия на окружающую среду...99

Выводы по четвертой главе...102

Заключение...103

Список использованной литературы...106

Приложения...117
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

В связи интенсивным развитием авиации возникают специфические проблемы по определению уровня загрязнения территории аэродрома от суммарного воздействия авиационной техники и средств аэродромно-технического обеспечения полетов. Одной из них является геоэкологическая оценка загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома, твердыми частицами неорганических веществ.

Поверхностный сток от атмосферных осадков с загрязненного летного поля аэродрома, уходит через водоотводную систему на рельеф местности. В результате происходит загрязнение почвы территорий аэродрома и прилегающих водоемов в районе аэродрома.

Существующие методики оценки валовых выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации воздушного и автомобильного транспорта позволяют определить уровень загрязнения участков местности только от выбросов оксидов углерода (СО), суммарных несгоревших углеводородов (СН), суммарных оксидов азота (NO*) и суммарных оксидов серы (SO*), без учета воздействия твердых частиц неорганических веществ.

Для объективной и всесторонней оценки уровня загрязнения территории необходимо исследование дисперсного, элементного и количественного состава загрязнения твердых частиц поверхностного стока летного поля аэродрома, с учетом метеорологических, климатических и физико-географических характеристик местности.

Актуальность данной темы подтверждается государственным заказом инженерно-аэродромной службы Тыла Всюнно-воздушных Сил России на проведение научно- исследовательской работы «Аэрозоль» (регистрационный Ш 30118) по данной проблеме.

Целью работы является геоэкологическая оценка уровня загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома твердыми частицами., неорганических веществ от суммарного воздействия авиационной техники и средств аэро-дромно-технического обеспечения полетов и разработка природоохранных инженерных мероприятий по локализации негативного воздействия на окружающую среду.

Достижение цели связано с решением следующих задач:

- определением влияния метеорологических факторов, климатических и фшиш-географических характеристик на уровень загрязнения летного поля аэродрома твердыми частицами;

- оценкой дисперсного, элементного иг количесгвешшго состава загрязнения в микроооъемах твердых частиц неорганических веществ поверхности летного поля аэродрома, методом электронно-зоидового ^ттшшенешрраяьного микроанализа;

- составлением уравнений зависимости элементного и количественного состава загрязнения, различных участков поверхности летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ, в период максимального воздействия технических средств эксплуатации;

- разработкой модели и алгоритма расчета концентраций загрязнения, поверхностного стока летного поля аэродрома взвешенными твердым» частицами, & зависимости от их характерного радиуса и температуры поверхностного стока;

- геоэкологической оценкой загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома и разработкой природоохранных инженерных мероприятий по локализации негативного воздействия на окружающую среду.

Объектом исследований является территория летного поля аэродрома в городе Воронеже, в летний период экетщуатации.

Предметом исследований является уровень загрязнения территории летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ.

Положения, выносимые на защиту:

- оценка дисперсного, элементного и количественного состава загрязнения поверхности летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ, полученная методом аяектронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа;

- уравнения зависимости элементного и количественного состава загрязнения, различных участков поверхности летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ, в яериод максимального воздействия технических средств эксплуатации;

- модель и алгоритм расчета ковдентрадий затрЕЗнешш, поверхностного стока летного поля аэродрома взвешенными твердыми частицами, в зависимости от их характерного радиуса и температуры поверхностного стока;

- геоэкологическая оценка загришеяшг поверхностного стока летного поля аэродрома, природоохранные инженерные мероприятия но локализации негативного воздейетшя на окружающую среду и техническое средство, защищенное патентом на изобретение, для очистки поверхностного стока от взвешенных твердых частиц.

Методы исследования - электронно-зондовый рентгеноспектральный микроанализ, аналитический и статистический.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследован дисперсный, элементный и количественный состав загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ, методом электронно-зондовся^ рентгеноспектрального микроанализа;

- составлены уравнения зависимости элементного и количественного состава загрязнения, различных участков поверхности летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ, в период максимального воздействия технических средств эксплуатации;

- разработаны модель и алгоритм расчета концентраций загрязнения по-верхностпого стока летного поля аэродрома, взвешенными твердыми ...частицами, в зависимости от их характерного радиуса и температуры поверхностною стока;

- проведена геоэкологическая оценка загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома, разработаны природоохранные инженерные мероприятия по локализации негативного воздействия на окружающую среду и внедрено техническое средство, защищенное патентом на изобретение, для очиет-ки поверхностного стока от^взвешенныхтвердых частиц.

Теоретическая значимость работы состоит в геоэкологической оценке загрязнения различных участков поверхности летного поля аэродрома, твердыми частицами неорганических веществ на уровне дашерсного, элементного и количественного состава, полученных методом эяешрохшо-зогщового реште-носпектрального микроанализа и создании модели, позволяющей раесчиты-вать копцеитрациш загрязнения поверхностного стока в зависимости от характерного радиуса твердых частиц и температуры стока.

Разработаны природоохранные инженерные мероприятия и предложено техническое средство для очистки поверхностного стока взлетно-посадочной полосы летного поля аэродрома от взвешенных твердых частиц, с использованием водоотводной системы аэродрома, защищенное патентом на изобретение.

Практическая ценность работы. Разработанный автором подход к исследованию проблемы и результаты работы позволяют оценивать максимальный уровень загрязнения летных полей аэродромов твердыми частицами неорганических веществ и использовать водоотводную систему летного поля аэродрома для очистки поверхностного стока от твердых частиц.

Информационная обеспеченность и характеристика исходных материалов исследования.

В диссертации использованы материалы наблюдений метеослужбы военного аэродрома г. Воронежа и метеорологической обсерватории Воронежского

8

военного авиационного инженерного института за период с 1997 по 2002 год, справочники и ежегодники по климату Воронежской области.

Оценка уровня загрязнения территории аэродрома проводилась с участие автора методом рентгеноспектрального микроанализа в составе международного стандарта ASTM, с использованием оборудования лаборатории физико-химического анализа ЗАО "ВЗПП — Микрон" г. Воронежа.

Все экспериментальные и тюлевые исследования проводились по нормативным методикам, лично автором. Точность полученных результатов и исходной информации находится в пределах 5-10 %,

Достоверность результатов работы подтверждается проведением экспериментальных исследований в соответствии со стандартными требованиями; применением апробированных методик обработки исходных материалов, применением современных приборов и оборудования, в том числе электронного микроскопа с системой энерго дисперсионного рентгеновского анализа, а также применением современных физико-химических методов исследования.

Для решения полученных уравнений применялись численные методы, хорошо зарекомендовавшие себя при решении задач подобного класса.

Реализация и апробация работы

Результаты диссертационных исследований внедрены при частичной реконструкции водоотводной сети военного аэродрома г. Воронежа и подтверждены актом внедрения Инженерно-аэродромной службы Тыла ВВС России.

Материалы диссертации используются на лекционных и семинарских занятиях с курсантами ВВВАИУ при изучении дисциплины « Экология».

Основные положения диссертационной работы и отдельные её разделы докладывались и получили одобрение на межвузовской конференции Воронежского военного авиационного инженерного института «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации» в 2000 году; на межвузовской региональной научно-практической конференции Воронежского филиала Московского гуманитарно-экономического института «Преодоление кризиса в эконо-

мике страны» в 2002 году; на четвертой и седьмой меэкдународных научно-практических конференциях «Высокие технологии в экологии» в 2001 и 2004 годах в Воронежском государственном архитектурно- строительном университете.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, общим объемом 1,7 п.л., в том числе лично автором составлено 0,9 п.л.

Автором получен патент № 221083 с приоритетом от 29.03.2002, на изобретение технического средства для очистки поверхностного стока от взвешенных твердых частиц с поверхности взлетно-посадочной полосы летного поля аэродрома.

Личный вклад автора заключается в полевых и лабораторных исследованиях, сборе и статистической обработке исходных данных, в проведении исследований по теме диссертационной работы, в составлении уравнений, разработке модели, анализе результатов и формулировании выводов по геоэкологической оценке загрязнения поверхностного стока летного поля аэродрома.

Структура и объем работы. Диссертация, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка исдтодьзованной литературы т 114 источников на русском и иностранных языках и четырех приложений. Объем работы составляет 132 страницы машинописного текста, включает 24 таблицы и 35 рисунков.

10

ГЛАВА 1. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ АЭРОДРОМА

1.1. Анализ состояния и перспективные направления но методам геоэкологической оценки загрязнения территорий аэродрома

Вопросами поиска оптимальных методов геоэкологической оценки загрязнения территорий, от эксплуатации различного транспорта занимаются в нашей стране и за рубежом: Бобовников Н.А. [3], Борисов Н.И. [4], Васильев А.П. [6], Дмитриев Е.С. [7], Евгеньев И.Е. [25...28], Ененков Е. Г. [34], Иванов В.И. [76], Канищев А.Н. [83], Квитка В.В. [39], Крэжтон Д. [114], МасловВ.А. [48], Подольский В.П [81,82], Спиридонов Е.Г. [106], Турбин B.C. [96], Филиппов В.В. [Ш] и другие [33, 55, 56,57,113,114].

Существующие модели и методики геоэкологической оценки загрязнения территорий, разработанные Васильевым В.П. [7], Канищевым А.Н. [83], Масловым В.А. [48] Подольским В.П. [81,82], Турбиным B.C. [96], позволяют определить уровень загрязнения выбросов оксидов углерода (СО), суммарных несгоревших углеводородов (СН), суммарных оксидов азота (NOx) и суммарных оксидов серы (SOx), без учета воздействия твердых частиц неорганических соединений.

Математическое моделирование уровня загрязнения твердыми частицами неорганических веществ, проведено Подольским В.П., и Канищевым А.Н. только для свинца [81,82].

Выполненные в последние годы Егоровым Н.К. [30], Луканиным В.И. [46], Трофименко Ю.В. [47] и Немчиновым М.В. [71], работы по исследованию автотранспортного загрязнения территорий и поверхностных вод продуктами смыва вредных веществ с поверхности дороги, выполнялись как частные задачи, для конкретных участков автомобильных трасс.

11

Аэродромы храждаисюэй авиации, в соответствии с Федеральными авиа-ционными Правилами сертификации объектов воздушного транспорта, имеют достаточное количество нормативных документов, в основном ведомственных, по определению уровня загрязнения территории вредными выбросами органических соединений, от воздействия воздушных судов {61,67,68,110];

Все имеющиеся нормативные документы, регламентирующие нормы и методы определения выбросов загрязняющих веществ двигателей газотурбинных самолетов* ориентированы только на геоэкологическую оценку загрязнения от воздушных судов и не охватывают другие источники воздействия на окружающую среду [54, 79,93].

Загрязнение от эксплуатации средств аэродромно-технического обеспечения полетов, при геоэкологической оценке территорий аэродрома, не учитывается.

Существующая методика оценки валовых выбросов загрязняющих веществ от эксплуатации воздушных судов позволяет определять только выбросы оксида углерода (СН), суммарных оксидов азота (NOx) н суммарных оксидов серы (5ОХ), на земле, в приземных слоях и в полете при любых атмосферных условиях, скоростях и высотах полета [61].

Эта методика основана на результатах исследований по геоэкологической оценке загрязнения территории опубликованных в работах Васильева ВЛХ [6], Дмитриева Е.е.|7], Ененкшщ Е. Г\ [34], йшвша В31 [76], Квитка В.В. [34], Тищешш №Ф. [109].

Все эти теории, сводятся к функции распределения концентрации загрязнителя, а именно, нормальному или Гауссову распределению [2].

При расчете загрязнения территории чаще всего используется метод Гауссова распределения примесей в атмосфере. Модель, представленная нормативной методикой [61] расчёта, является однонаправленной диффузией загрязни*

12

телей по вертикали и не учитывает диффузное перемещение загрязняющих веществ в горизонтальной идоскости.

Для проектируемых и эксплуатируемых аэродромов нормативной методикой рассматривается накопление загрязняющих органических веществ, в приземном атмосферном слое в условиях штиля и инверсии, т.е. наивысшем потенциале загрязнения.

Результатами расчета загрязнения по нормативной методике является уровень концентраций вредных органических соединений в наиболее характерных точках летного поля.

При расчетах учитшвакггеяследующие параметры"

- типы воздушных судов;

- эмиссионные характеристики данного типа двигателя, представляющие собой отношение выделяемого вредного ингредиента в граммах, к килограмму сожженного топлива;

- индексы эмиссии, характеризующие качество топлива;

- максимальная фактическая получасовая интенсивность полетов воздушных судов для самого напряженного месяца года;

- неблагоприятные метеоусловия для самого напряженного по интенсивности полетов месяца года.

Маслов В.А., и Турбин B.C. [48,96], предложили математическую модель прогнозирования загрязяенш окружающей среды территорий аэродрома, которая отличается от нормативной, использованием фактора рассеивания вредных веществ, выбрасываемых двигателями самолетов.

Математическая модель [48, 96] сводится к диффузионной задаче о движущемся источнике, при определенном времени работы двигателя, находящемся в оиредеяенной точке с трехмерной системой координат.

Модель позволяет получить аналитические зависимости, прогнозирующие поля концентрации легких органических загрязняющих веществ над территорией аэродрома в циклах «взлет- посадка».

13

Масловым В.А. [48J предложены математические зависимости рассеивания тяжелых частиц, содержащихся в струе работакнцего двигателя воздушного судна, при совпадении направления ветра и направления вхчета, с учетом скорости частиц в струе» обусдовденными силами их осаждения и диффузионного перемешивания.

Данная модель., также как и нормативная^ не учитывает воздействие средств азродромно-техничеекого обеспечения полетов на уровень загрязнения, не дает геоэкологическую оценку загрязнения поверхности летного поля аэродрома твердыми частицами неорганических веществ.

Наиболее полно воздействие средств азродромно-техничеекого обеспечения полетов на уровень загрязнения территории определяют исследования Подольского ВДХи Канищева А.Н. [81].

Подольским В.П. предложены три модели: диффузионная линейная модель перемещения и распространения загрязнителей над транспортными территориями, диффузионная пространственная модель распространения легких газообразных загрязнителей и диффузионная модель загрязнения окружающей среды твердыми частицами свинца и серы [82,83].

Расчет концентрации загрязнения по моделям Подольского В.П [81,82,83] ведется с учетом стандартного отклонения Гауссова рассеивания в вертикальном направлении, мощности эмиссии данного вида загрязнения от всех транспортных средств, фоновой концентрации загрязнения по данным санитарных органов и скорости ветра.

Мощность эмиссии загрязняющего вещества в атмосферу определяется, как функция от среднего эксплуатационного расхода топлива и интенсивности движения.

Величина стандартного отклонения Гауссова рассеивания учитывает распределение загрязнения ш вертикали с учетом устойчивости состояния атмосферы.

14

Рассмотренные модели Подольского [81,82,83} имеют хорошую сходимость результатов, полученных по нормативным методикам проведения оценки выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортных предприятий и баз дорожной техники.

Данные модели [81S82, 83].дают возможность оценивать уровень загрязнения от воздействия автотранспорта, не только газообразными органическими соединениями, но и твердыми частицами свинца и серы.

Таким образом, в настоящее время существует модели для геоэкологической оценки загрязнения легкими органическими соединениями от всех видов транспорта присутствующих на аэродроме и модели геоэкологической оценки загрязнения территорий твердыми частицами неорганических веществ свинца и серы от воздействйм средств аэродромно-технического обеспечения полетов.

Существующими моделями рассеивания в атмосфере можно пользоваться только при условии накопления статистических данных о связях между концентрациями отдельных загрязняющих веществ с метеорологическими и ландшафтными условиями.

Как показывают исследования отечественных и зарубежных ученых, наибольшую сложность при оценке состояния окружающей среды в зоне влияния загрязнения от транспорта, представляет переход от качественных гшказателей к. кшшчестводным'.

Для количественного моделирования требуется знание закономерностей изменения связей между отдельными факторами и параметрами, входящими в систему взаимоданошений при образовании загрязнения.

Однако на современном этапе развития науки эти закономерности выявлены лишь для небольшого числа параметров и отдельных задач.

Основные недостатки существующих моделей в том, оценки загрязнения в значительной степени зависят от скорости: и направления ветра.

15

Существующие модели не в состоянии математически описать уровень загрязнения в конкретной точке территории в момент максимальной концентрации загрязнения при отсутствии ветра.

Они не решают проблему определения качественного и количественного максимального уровня загрязнения твердыми частицами неорганических веществ поэлементно, от совокупного воздействий воздушных судов и средств аэродромно^техничееког© обеспечения полетов.

Данные модели не учитывают также дисперсный и элементный состав и гидравлическую крупность твердых частиц, температуру стока, необходимые для определения концентрации загрязнения твердыми взвешенными частицами поверхностного стока с территорий аэродрома.

Данные пробелы в некоторой степени были решены в предлагаемой работе на пример эксплуатации военного аэродрома г. Воронежа

1,2 Физико-географические особенности района объекта исследования

Воронежская область расположена в центре Русской равнины, она входит в состав Центрального Федерального округа России. Климат Воронежской области уверенно-континентальный средних широт. Он определяется прежде всего положением области на равном удалении от экватора и Северного полюса (50-52* с. ш.).

В границах области климатические условия изменяются в целом с северо-северекзапада на юго-юго-восток.

Отклонение изменений термических показателей от широтного направления вызвано влиянием основного циркуляционного потока умеренного пояса - западно-восточного переноса.

Воронежская область получает в среднем около 500 мм осадков в год. Ветры западных румбов, приносящие морской умеренный, а изредка и морской тропический воздух, наиболее характерны в летнее время. С ними связаны ци-

16

клональная деятельность и выпадение осадков. Из годового количества осадков примерно 60-70% приходится на теплый период, с мая по сентябрь. Средняя густота речной сети - 0,14 км на 1 кв. км [32].

В годовом стоке наблюдаются два минимума, один из которых относится к летне-осеннему, а другой к зимнему периоду. Причем обычно минимальный расход летне-осенней межени является наибольшим в году, минимальные расходы за летнюю межень обычно наблюдаются в августа, за зимнюю — в конце октября.

Сток растворенных веществ р. Воронеж в етворе г. Воронежа составляет в среднем 513 тыс. т в год-Средний многолетний модуль стока р. Воронеж у г. Воронежа равен 3,46 л/(с*км2), средний годовой расход воды 73,0 м^с.

Внутригодовое распределение стока определяется характером шгшния реки, преобладающее значение в котором имеют снегозапасы.

Неоднородность и многообразие природных условий и процессов, протекающих на территории Воронежской области, позволяет провести физико-географическое районирование с помощью основных принципов ( принцип ведущего фактора и комплексности, принцип неразрывной однородности) которое было осуществлено ландшафтоведами Милышвым Ф.Н, и Михно В. Б. [69].

Целью комплексного физико-географического районирования является выделение на основе таксономической системы единиц районирования: зона - провинция - район. Это районирование зависит от выявления набора сходных компонентов природы [69].

На территории области расположены несколько аэродромов, в том числе пять аэродромов первого класса.

Три аэродрома первого класса находятся на территории города Воронежа, по одному в районах Борисоглебска и Бутуряиновки. Все аэродромы раеноло-

17

жены на водоразделах рек Воронеж, Хопер и Осередь. Карга природных зон, провинций и районов Воронежской области представлена на рисунке 1.

Рис.1. Карта природных зон, провинций, и районов Воронежской облас-

ти:

Зоны и провинции: IA - лесостепная зона, лесостепная провинция Окско - Донской равнины; 1Б - лесостепная зона, лесостепная провинция Среднерусской возвышенности; П В - стенная зона, степная Среднерусская провинция;

Природные комплексы: 1- лесо-полевые плоские недостаточно дренированные суглинистые равнины с лугово-черноземными почвами и слабо врезанной балочной сетью; 2 - преимущественно лесные плоские дренированные суглинистые равнины с серыми лесными почвами и средневрезанной балочной се-

Список литературы