автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Моделирование и прогнозирование загрязнения окружающей воздушной среды приаэродромных территорий выбросами воздушных судов

Введение.

1. Глава 1. Загрязнение окружающей воздушной среды приаэродромных территорий вредными выбросами и шумами воздушных судов.

1.1. Экологическое воздействие воздушных судов на окружающую среду.

1.2. Классификация и состав газообразных выбросов от газотурбинных двигательных установок и турбовинтовых двигателей летательных аппаратов.

1.3. Определение категорий источников выбросов и степени энергетического воздействия объекта на окружающую среду.

1.4. Акустическое воздействие воздушных судов на приаэродромные территории.

1.5. Методы и средства контроля за состоянием воздушного бассейна аэродромов.

1.6. Недостатки существующей методики оценки загрязнения окружающей среды и расчета платы за выбросы загрязняющих веществ в районе аэропорта.

1. 7. Теория определения уровня пространственного загрязнения окружающей среды летательными аппаратами.

1.8. Выводы, цель и задачи исследования.

Глава 2. Математическое моделирование формирования загрязнения окружающей среды приаэродромных территорий.

2.1. Формирование уровня концентраций загрязняющих веществ на выходе из газотурбинной двигательной установки.

2.1.1. Уравнение траектории струи за газотурбинной установкой.

2.1.2. Математическое моделирование формирования полей концентраций загрязняющих веществ на выходе из газотурбинной двигательной установки в цикле "взлет-посадка".

2.2. Диффузионная модель рассеивания легких загрязняющих веществ.

2.3. Рассеивание тяжелых частиц, содержащихся в отработавших газах летательных аппаратов.

2.4. Выводы.

Глава 3. Экспериментальные исследования процессов формирования уровней загрязнения окружающей среды приаэродромных территорий воздушными судами.

3.1. Цель и программа проводимых экспериментальных исследований.

3.2. Планирование и методика экспериментальных исследований.

3.3. Методика обработки опытных данных.

3.4. Анализ результатов опыта по определению загрязнения приаэродромных территорий.

3.4.1. Анализ полей концентраций в цикле взлет-посадка"самолета.

3.4.2. Формирование уровней загрязнения приаэродромных территорий.

3.5. Выводы.

Глава 4. Практическое приложение результатов исследований по разработке методики комплексного мониторинга и мероприятий по снижению загрязнения приаэродромных территорий.

4.1. Методика прогнозирования уровня загрязнения воздушной среды от летательных аппаратов.

4.2. Алгоритм определения уровней загрязнения приаэродромных территорий газообразными веществами.

4.3. Методика определения акустического воздействия воздушных судов в зоне приаэродромных территорий.

4.4. Разработка мероприятий по снижению шумов от летательных аппаратов в цикле "взлет-посадка".

4.5. Мероприятия по снижению воздействия газовых выбросов в цикле "взлет- посадка" при неблагоприятных метеорологических условиях.

4.6. Мониторинг окружающей среды приаэродромных территорий.

4.7. Выводы.

Актуальность темы. Летательные аппараты являются мощным источником загрязнения воздушной среды газообразными веществами и в местах сосредоточения на аэродромах и стартовых площадках сравнимым по мощности выбросов с работой крупных промышленных предприятий. По сравнению с загрязнением, вносимым в окружающую среду наземным транспортом, доля от двигателей воздушных судов невысока, однако удельные выбросы, приведенные к одному летательному аппарату, на порядки выше нежели от двигателей внутреннего сгорания. Решению вопросов загрязнения атмосферы двигателями летательных аппаратов посвящены работы Борисова Н. И., Жестовского Ю. Н., Иванова В. И., Цунко Н. И.

Мониторинг окружающей среды приаэродромных территорий требует значительных затрат, поэтому прогнозирование загрязнения воздушной среды двигателями летательных аппаратов на основе аналитических зависимостей является актуальной задачей. Кроме того, до настоящего времени не решена проблема акустического воздействия воздушных судов на персонал аэродромов и население приаэродромных территорий.

Целью настоящей работы является моделирование и прогнозирование пространственного загрязнения окружающей воздушной среды приаэродромных территорий газообразными выбросами от двигателей воздушного транспорта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель пространственного загрязнения атмосферы приаэродромных территорий газообразными выбросами от двигателей воздушных судов;

- разработать методику экспериментальных исследований уровня загрязнения окружающей среды приаэродромных территорий;

- проверить адекватность математической модели реальным условиям загрязнения воздушного пространства;

- разработать методику прогнозирования загрязнения воздушной среды от двигателей воздушных судов;

- разработать мероприятия по снижению вредного воздействия газообразных выбросов от воздушных судов и генерируемого ими шума на окружающую среду приаэродромных территорий;

- разработать предложения по осуществлению экологического мониторинга окружающей воздушной среды приаэродромных территорий.

Научная новизна:

- разработана математическая модель прогнозирования загрязнения воздушной среды аэродромов, отличающаяся от применяемых использованием при расчете фактора рассеивания вредных веществ, выбрасываемых двигателями воздушных судов;

- впервые предложены зависимости для определения категории источников выбросов и оценки степени воздействия двигателей воздушных судов на загрязнение атмосферного воздуха;

- впервые получены аналитические зависимости для расчета требуемого расхода воздуха в режиме "взлет-посадка", снижающего концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы до предельно допустимого уровня;

- разработан алгоритм расчета требуемого расхода воздуха в режиме "взлет-посадка" воздушных судов, снижающего концентрации загрязняющих веществ до предельно допустимого уровня.

На защиту выносятся указанные выше положения, составляющие научную новизну диссертационной работы.

Достоверностьрезультатов. Определена использованием закономерностей, фундаментальных законов термодинамики, применением аппробированных методов измерений. Для решения полученных систем уравнений применялись численные методы, достаточно хорошо зарекомендовавшие себя при решении задач подобного класса.

Адекватность математической модели подтверждается сходимостью с результатами экспериментальных исследований и исследованиями других авторов.

Практическое значение и реализация результатов исследований:

- предложена методика расчета концентраций загрязняющих веществ над приаэродромными территориями в цикле "взлет-посадка" воздушных судов и определения категории источников выбросов;

- разработана программа расчета полей концентраций и требуемого расхода воздуха для снижения концентраций загрязняющих веществ до уровня ПДК;

- предложена методика для оценки степени воздействия двигателей воздушных судов на загрязнение атмосферного воздуха;

- предложены мероприятия для снижения вредного воздействия двигателей воздушных судов на акустическую воздушную среду приаэродромных территорий;

- разработаны рекомендации по размещению и количеству постов контроля за состоянием окружающей среды на приаэродромных территориях.

Апробация результатов исследований на 55, 56, 57 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов ВГАСУ в 2000-2002 г.г.; на 7 международной научно-технической конференции "Информационная среда ВУЗов" (г. Иваново) в 2000 г.; на региональной научно-технической конференции СамГАСА (г. Самара) в 2002 г.; на 45, 46 научно-технических конференциях ВВАИИ (г. Воронеж) в 2001-2002.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 научные работы. В работах опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежит: в [36] разработка параметров оценки экологии приаэродромных территорий, в [35] усовершенствованная расстановка постов контроля. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованных источников из 93 наименований и содержит 141 страницу машинописного текста, 17 рисунков, 23 таблицы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель прогнозирования уровней загрязнения окружающей среды от двигателей летательных аппаратов, отличающаяся от применяемых использованием при расчете фактора рассеивания вредных веществ.

2. На основе математического моделирования впервые получены аналитические зависимости, позволяющие прогнозировать поля концентраций легких загрязняющих веществ над приаэродромными территориями в циклах "взлет-посадка".

3. Разработана методика экспериментальных исследований уровня загрязнения окружающей среды, заключающаяся в усовершенствовании схемы расстановки постов наблюдений и контроля, а также добавочных постов на взлетной полосе и приаэродромных территориях. Погрешность проводимых опытов не превысила 5 %.

4. Подтверждена адекватность математической модели реальным условиям загрязнения воздушного пространства приаэродромных территорий вредными контаминантами.

5. Разработаны методика, блок-схема и программа расчета уровня загрязнения воздушной среды на приаэродромных территориях и требуемого расхода воздуха для снижения концентраций загрязняющих веществ до уровня ПДК.

6. Получены аналитические зависимости для определения категории «источник - загрязняющее вещество» по параметрам Ф и Q: при Ф>0,01 и Q>0,5 - I категория (наиболее неблагоприятная в плане экологии), Ф>0,001 и Q<0,5 - II категория (для I и II категорий для рассматриваемого источника необходимо разработать мероприятия по сокращению выбросов данного вещества в атмосферу); Ф>0,001 и Q <0,5 - III категория , Ф<0,001 и Q< 0,5 - IV категория (для III и IV категорий допускается не разрабатывать мероприятия по сокращению выбросов).

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969. 339 с.

2. Авдюшин С.И. Мониторинг околоземной космической среды/В кн. Достижения в области гидрометеорологии и контроля природной среды. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 285 с.

3. Авиационная акустика. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов (ч. 1) / Ред. Мунин А. Г. М.: Машиностроение, 1988 - 248 с.

4. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. Под ред. А С. Монина. М., 1962.-512с.

5. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей (под ред. Ф. Т. М. Ньистандта и X. Ван Допа). Л.: Гидрометеоиздат, 1985,-351с.

6. Баранов А.М., Солонин С.В. Авиационная метеорология.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 390с.

7. Безутлая В.Н. Организация мониторинга состояния загрязнения городов. -М.: Высшая школа, 1986. 195 с.

8. Беккер А. А., Агаев Т. Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. -Л: Гидрометеоиздат, 1989. -225 с.

9. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнение атмосферы. Л.,1975.

10. Борисов Н.И. Авиационная экология (в 5 частях).- Воронеж: ВВАИИ,1998.

11. Буйков М.В. О граничном условии для уравнения турбулентной диффузии на подстилающей поверхности. Метеорология и гидрология, 1990, №9.

12. Бызова Н.Л., Иванов В.Н., Гаргер Е.К. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -191с.

13. Васильев В.П., Дмитриев Е.С. Формирование источника загрязнения окружающей среды при выбросе примеси в атмосферу сверхзвуковойструей//В сб. "Физика атмосферы и магнитосферы",- М.: Труды ИПГ, вып. 29, 1974. 88с.

14. Возженников О. И. О характеристиках превышения заданного уровня концентраций в стационарной струе. Метеорология и гидрология, 1979, №12. 92 с.

15. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. Введен 01.01.87. М.: Изд-во стандартов, 1986. 5с.

16. ГОСТ 17.2.1.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу. М.: Изд-во стандартов, 1986. -4с.

17. ГОСТ 17.2.3.02-78 Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленных предприятий. М.: Издательство стандартов. 1979. - 14с.

18. Государственная программа охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов СССР на 1991-1996 гг. и на перспективу до 2005 г. // Правительственный вестник, № 40,1990. с.5-12.

19. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z преобразования. - М.: Наука, 1971. - 276 с.

20. Езекиел М., Фокс К. Методы анализов корреляций и регрессий,-М. Статистика, 1966,- 557с.

21. Ершова B.C.,. Солонин С.В. О наивыгоднейшей скорости полета самолета с учетом ветра. Тр. ЛГМИ, 1968, вып. 34. - С. 102 - 109.

22. Закон Российской Федерации об охране окружающей природной среды от декабря 1991 г.- М., 1992. 64 с.

23. Защита окружающей среды при авиатранспортных процессах/Ред. Ененков В. Г., 2-е изд. М.: Транспорт, 1986. — 198 с.

24. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат, 1984.

25. Израэль Ю. А., Назаров И. М., Прессман А. Я. Кислотные дожди. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

26. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. — М.: Воениздат, 1984. 297с.

27. Инструкции о порядке рассмотрения, согласования и экспертизы воздухоохранных мероприятий и выдачи разрешения на выброс загрязняющих веществ в атмосферу по проектным решениям" ОНД 1-84 (Госкомгидромет), приложение 6, п.2., 1985. - 167 с.

28. Инструкция о порядке составления, согласования и контроля выполнения годовых планов по охране природы предприятиями гражданской авиации. -М.: Министерство гражданской авиации СССР, 1981. 89с.

29. Квитка В.Е. и др. Гражданская авиация и охрана окружающей среды. -Киев: Вшца школа, 1984.-136с.

30. Кимстон В.А. и др. Концепция системы экологического мониторинга России. Метеорология и гидрология, № 10, 1992. 134с.

31. Кузнецов Д.С. Специальные функции. М. : Высшая школа, 1965. - 424 с.

32. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука,1982. - 320с.

33. Маслов В.А., и др. Размещение приборов контроля окружающей среды в районе аэродрома./ Межвуз. сб. научно-методич. трудов "Совершенствование наземного обеспечения авиации". Ч. IV. Воронеж: ВВАИИ, 2000. -221 с.

34. Маслов В.А. /В кн. Сазонов Э.В., Турбин B.C., Ус Н.А. и др."Очистка газовых и пылевых выбросов". Воронеж: ВВАИИ, 2001.-221с.

35. Маслов В.А. Экологический мониторинг воздушной и акустической сред приаэродромных территорий/ Сб. материалов 59-ой научно-технической конференции СамГАСА. Самара: СамГАСА, 2002. - 217 с.

36. Международная организация гражданской авиации. Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации. Доклад 1-го совещания (Монреаль, июнь,1986): Документ ИКАО 9499, САЕР/1. Монреаль,1986. -235 с.

37. Международная организация гражданской авиации. Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации. Доклад 2-го совещания (Монреаль, декабрь,1991): Документ ИКАО 9592, САЕР/2. Монреаль, 1992. - 205 с.

38. Международная организация гражданской авиации. Рекомендации, касающиеся деятельности ИКАО в области окружающей среды: Раб. док. 134 сессии Совета ИКАО. C-WP/9375,1991.-c.l-17.

39. Международная организация гражданской авиации. Международные стандарты и рекомендуемая практика: "Охрана окружающей среды". Приложение 16 к Конвенции о международной гражданской авиации, т.1, "Авиационный шум", Монреаль, 2-е изд., 1988,- 200 с.

40. Международная организация гражданской авиации. Международные стандарты и рекомендуемая практика: "Охрана окружающей среды".