Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Минимизация нецелевого воздействия химических веществ на компоненты окружающей среды при проведении специальных авиационных работ

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Минимизация нецелевого воздействия химических веществ на компоненты окружающей среды при проведении специальных авиационных работ"

На правах рукописи

ПОРТИИКОВ Борис Александрович

МИНИМИЗАЦИЯ НЕЦЕЛЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ НА КОМПОНЕНТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ АВИАЦИОННЫХ

РАБОТ

(на примере Оренбургского авпапредприятпя)

11.00 11 - Охрана окружающей среды к рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург 1998

Работа выполнена в Оренбургском Государственном университете

Научный руководитель: доктор технических наук Н.З. Султанов

Официальные оппоненты: Академик РАЕН, доктор технических наук

Л.С. Скворцов

кандидат технических наук, доцент

Е.Г. Владимирова

Ведущее предприятие: Государственный комитет но охране окружающей среды Оренбургской области

Защита диссертации состоится 16 июня 1998 г. в 14 часов на заседании диссерташ онного совета К.064.64.02. в Оренбургском Государственном университете по адрес; 460352, г. Оренбург, проспект Победы, 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Оренбургского Государственно! университета

Автореферат разослан 12 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертациошюго совета юктор географических наук

О.К. Рыч1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур предполагают повсеместное и экологически обоснованное применение современных химических препаратов и удобрений. Стоимость и эффективность этих препаратов требуют строгого дозирования и высоких технологий внесения с учетом ограничений, направленных на защиту окружающей среды (ОС). Это является основными предпосылками инноваций в области применения авиационно-химических работ в сельском и лесном хозяйствах и возникновения комплекса антропогенных (техногенных) воздействий на окружающую среду и здоровье человека.

Тема диссертационной работы непосредственно связана: - с планом госбюджетных научно-исследовательских работ и целевой федеральной программой, проводимых Оренбургским Государственным университетом на кафедре «Экологии и природопользования» ( № гос. Регистрации 019600057000 и 01960011341 ), Институтом Инноваций ОГУ ( № гос. Регистрации 01960011340); - с научно-технической программой Министерства оборонной промышленности (Постановления Правительства РФ № 878 от 17.11.1992 г. и № 15/16 от 28.12.1996 г.) на производственном объединении «Стрела»; - с программой 054.05 Департамента воздушного транспорта «Определение потребности в авиаработах с расширением сферы применения авиатехники» на Государственном унитарном авиапредприятии «Оренбургские авиалинии»; - с программой Межпарламентской ассамблеи государств-участников СНГ, разд. 2 «О природоохранной инноватике».

Цель исследований состоит в разработке концепции, принципов и методов минимизация нецелевого воздействия химических веществ (химикатов) и минеральных удобрений на компоненты окружающей среды при проведении специальных авиационных работ.

Объест- исследований - компоненты окружающей среды при выполнении авиационно-химических работ (АХР) с использованием самолетов (СХС), вертолетов (СХВ) и мотодельтапланов (МДП).

Задачи исследований: . ..

1. Обобщение предыдущих исследований по охране ОС при проведении АХР. Анализ подходов к предупреждению неблагоприятных эффектов действия химикатов.

2. Разработка концепции и целевой схемы исследования нецелевого внесения.

3. Создание банков данных по:

• объектам и субъектам ОС; средствам воздействия (химикатов);

• сельскохозяйственным авиационно-химическим работам (объектам воздействия); средствам доставки.

4. Схематизация взаимодействия и взаимовлияния подсистем АСС и окружающей среды, разработка модели функционирования.

5. Создание алгоритмов параметрического анализа, технико-экономической оценки эффективности инноваций и защитных природоохранных мероприятий.

6. Определение экологической надежности АСС, анализ вариантов, синтез структуры и размерности парка ВС, средств воздействия, перспектив инновационных процессов.

7. Формирование требований по недопущению ущерба ОС к сельскохозяйственному оборудованию и к эксплуатационным характеристикам ВС.

Методы исследований. В работе использован системный подход, основанный на комплексном использовании моделей и результатов экологического мониторинга, многофакторного анализа, исследования операций и общей теории систем, методов декомпозиции задач большой размерности, релаксации ограничений, математического программирования. Использовались методы стендовых и летных (натурных) испытаний.

Научная новизна.

1. Разработан комплекс операционных и параметрических моделей и алгоритмов по определению экологической надежности основных операций и недопущения ущерба окружающей среде авиационной специализированной системой для сельскохозяйственных авиационно-химических работ.

2. Определены зоны рационального применения авиационных средств с минимизацией нецелевого воздействия химикатов на человека, животный мир и компоненты ОС.

3. Разработана программа инноваций в организации и технологии АХР.

4. Выявлены и проанализированы ограничения по природоохранной, технической, организационной, технологической и экономической целесообразности проведения АХР.

Практическая значимость.

1. Результаты работы позволили обосновать потребность в сельскохозяйственных авиаработах в зонах рационального применения химикатов.

2. Методики, разработанные в работе, использованы организациями: - опытно-конструкторскими бюро по новой сельскохозяйственной авиационной технике; - отделами ПАНХ региональных управлений гражданской авиации; - областными государственными комитетами по охране окружающей среды; - областными центрами санэпиднадзора; -станциями зашиты растений; - областными Управлениями сельского хозяйства; - руководителями хозяйств, экологами, специалистами и учеными смежных областей.

3. Благодаря гибкости и универсальности, разработанные модели могут бьггь применены при выборе состава и некоторых параметров технических мобильных объектов другого класса, которые оказывают воздействие на компоненты окружающей среды.

4. Формулы и методики расчета используются в практике определения экологической надежности технологических решений по внесению химических препаратов в сельском и лесном хозяйствах.

5. Доказана перспективность и безопасность для окружающей среды авиационной обработки посевов и внедрения новых видов АХР.

Достоверность результатов. Двухуровневая критериальная оценка позволяет проанализировать большее число вариантов с использованием апробированных методов исследования. Учет верхних пределов погрешности исключает потери зон возможных опти-мумов. Расчетные показатели эффективности с учетом затрат на недопущение ущерба при анализе сравниваются с отчетно-статистическими данными эксплуатации систем-аналогов на АХР. Использовались апробированные методы обработки данных эксперимента.

Реализация результатов работы. Материалы исследований реализованы при проведении сравнительного анализа и определении параметрических условий конкурентоспособности новой техники в зонах экологической надежности с учетом минимального воздействия на окружающую среду. Изданы методические указания, проведены семинары и специальные занятия для специалистов, выполнены серии плакатов, разработаны новые технологические и технические требования.

Основные положения работы использовались в экспериментальных исследованиях по программе «Томок» в 1979...86 годах совместно с ОКБ им. O.K. Антонова и ОКБ «Ка-мов» (темы III /79 и 5/84), в которых автор принимал участие, будучи командиром 356-гс летного отряда ПАНХ и заместителем командира ОАО по летной работе. Результаты диссертационной работы также нашли отражение в учебном процессе Оренбургского Государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Концепция оптимизации параметров авиационной специализированной системы с минимизацией нецелевого воздействия химикатов на человека, животный мир и компоненты окружающей среды при проведении АХР.

2. Комплекс структурных, функциональных и параметрических моделей по определению экологической надежности основных операций.

3. Методика формирования оптимального парка ВС по зонам рационального применения химикатов (зоны специализации).

4. Программа инновационных решений в организации и технологии АХР по экологической целесообразности.

Апробация работы. Основные положения, материалы и результаты работы докладывались и обсуждались: - на ежегодных Международных научно-технических конференциях «Концепции развития и высокие технологии произв. и рем. трансп. средств в услов постиндустр. эконом.» (г. Оренбург, 1995...97 годы); - на Ученых советах и семинарам Оренбургского Государственного университета (1996...97 годы); - на НТС областной стан

ции защиты растений, отдела ПАНХ Оренбургского объединенного авиаотряда, главного управления сельского хозяйства Администрации Оренбургской области ( 1993...96 годы );

- в отделе 011 «Перспективная авиационная техника» ГосНИИГА (г. Москва), Московский зональной лаборатории ВНИИПАНХ, лаборатории «Вертолетный транспорт» УзНПО «Кибернетика» (г.Ташкент), Ухтомском вертолетном заводе им. Н.И. Камова (1989...93 годы); - на ПО «Стрела» с участием главного конструктора ОКБ им. Камова (1995...97 годы);

- на Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в образов., науке и эконом. России на пороге XXI века», на Российской научно-практической конференции "Оптимизация природопользования и охрана окружающей среды Южно-Уратьского региона" (г. Оренбург. 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать работ, в том числе раздел в монографии, отчеты по НИР, депонированные во ВНТИЦ, статьи в центральных изданиях, тезисы в материалах конференций, методические указания и информационные листки Оренбургского ЦНТИ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и выводов и занимает 153 страницы машинописного текста. Содержание иллюстрировано 72 рисунками и 46 таблицами. 11 приложений к диссертации оформлены на 70 страницах. Список литературы - 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние проблемы

К числу нерешенных проблем можно отнести: - неудовлетворительное качество вне-:ения химикатов, что наносит ущерб окружающей среде в результате сноса химикатов за пределы обрабатываемого участка; - отсутствие в эксплуатации современной авиационной техники и сельскохозяйственного оборудования для высокоточного внесения химикатов; -устаревшие неэффективные технологии и несовершенная организационная структура с яизкой экологической надежностью.

Исследованиям проблем посвящены работы научно-исследовательских институтов Минздрава. ВАСХНИЛ, лесной промышленности, Госгидромета. Министерства охраны зкружающен среды и природных ресурсов РФ, ГосНИИГА, ВНИИСХСПГА. ТСХА. Сев-ШИГиМ, НИИСХЦЧП им. Докучаева и отдельных ВУЗов. Это известные труды Ю.А. 1зраэля, А.И. Козырева, Б.Н. Ласкорина, Н.Ф. Реймерса. Т.С. Хачатурова, Р. Пентлаи др.

Проведенный обзор и анализ позволил классифицировать направленность исследо-1аний. где нет рассмотрения вопросов: - способов управления физико-химическими провесами, протекающих под влиянием АХР; - моделирования процесса внесения и переноса симикатов при выполнении АХР, влияния на этот процесс конструктивных особенностей и 1араметров разных типов ВС, а также параметров и характеристик движения ВС. в том шеле и траектории полета. Нормативно-справочная документация и методическая литера-ура по АХР уже длительное время не пересматривается. Системного анализа инноваций и ффективности АХР с учетом их экологической надежности в настоящее время нет. Не »азработано направление по конкретной оценке ущерба наносимого окружающей среде гроведением АХР, и по оценке возможных способов уменьшения этого ущерба

Концепция исследования, функциональные и структурные модели воздействия АХР на окружающую среду

Концепция предусматривает: - построение технико-экономической модели и ее штематическую формализацию; - структуру АСС в модели состоящей из трех подсис-ем. функционально разделенных (автономность) и одновременно связанных (рис. 1); -чет в критериях нецелевого функционального воздействия АХР на среду (рис. 2); -чет экономического ущерба от нецелевого внесения химикатов; - учет ряда отрнца-ельных последствий целевого воздействия АХР (рис. 3); - совместный учет всех требо-аний в единой целевой функции (рис. 4), т.е. параллельную декомпозицию; - двух-тапную последовательную декомпозицию (рис. 5).

Воздействие на окружающую среду при проведении АХР осуществляется через: -редные выбросы при работе энергоустановки; - шумовое воздействие: - функциональное

11 Исследование АСС для проведения АХР

Л

Параметры ВС и НКМ (х)

Х,,х,..

• тип

• варианторазмер

»лтх - впх

• энерговооруженность

• ремонтопригодность

• условия базирования » удаленность ВПП

• надежность_

~(Ч) < 0. х е

Воздушные суда и наземный _комплекс

Ых>

• производительность

• топливная 'эффективность

• весовая отдача

» стоимость летного часа

"С

Параметры АХР и ОВ (у)

у. = Уь-У.

• ВИД

• метод внесения

• объем

• объект воздействия

• дальность перелета

• длина гона

« норма расхода

• ширина захвата время загрузки_

Пу) < 0. у е О,

Объекты воздействия и авиа-ционно-химические работы

Параметры та и ОС (2)

• вид

• агротехнические сроки

• климатические условия

• токсичность

• избирательность

• объем

• технология

• высота обработки

средства воздействия и ок_ружающая среда

частные критер и и

«У)

> сбережение урожая

> рост урожайности

> стоимость обработки

»снижение трудоемкости

• экологическая надежность

• стоимость химикатов

• целевое воздействие

• точность внесения

X

| ОБЩИИ КРИГГЕРНЙ ^ (х, у, г) |

Рис. 1 Структуризация авиационной специализированной системы для выполнения авиационно-химических работ

Нецелевое функциональное воздействие АХР

Истоценже ¡«сурка растительного и животного вхра.

Рис. 2 Влияние нецелевого функционального воздействия АХР на качество

среды обитания

Применение химических средств защиты растений я химических _удо^зевий_

Накопление в почве

продукты питания

ЦЕЛЕВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

<У

У цт

Содержание в воздухе вместе с пылью в ре-ультатс эрозии

2.

Вынос в водоемы

рыбы и водные растеши

Аккумуляция в организме человека

Ряд отрицательных последствий

Накопление в кормах животных

отрицательное влияние

Структур» и рииершеа плрга мтскшетяйлвмшш ВС

паранвтр« АСС

Декогаюзшия оценки Неопределенности всей типов

¿Г

Обобщенный критерий

АГРОХИМИЯ Требования целевой надежности

Техниюптаскал эффективность

ЭКОНОМИКА Требования максимальной производительности и шшимальных заэдаг.

Эхо тоническая эффектность

оос

Требования

зоологической

надежности

апологическая

Рис. 3 Ряд отрицательных последствий применения АХР

Ж

Области предпочтительного применения

_Е

Структура парка ВС

Экологические требования

Номенклату рай объем АХР

Ж

Размерность парка ВС

ч

Технологии АХР

Инновационные процессы

Рис. 4 Направления действия н учета факторов, влияющих на структуру и размерность парка

Таблица I

В 1С. 5 Схема влияшш эколошческих трсбовашш

ШЩ,1

тишины <0,15 [ неподвижные гезагард •

производные мочшпал 0,15.-0,18 И малоподвижные которая •

хлорацетанщцды 0,8... 1,3 Ш умеренно подвижные дуал, телл, логран • •

окстювьшэФпш 1,3...2,5 IV более подвижные —

днпюосфаты и пго1 ¡годные 2,5...5,0 V подвижные топик • •

СТЛЬФОНШП.1Ш& шшы > 5,0 VI снльноподвпжные дпкуран форге, сатис, трезо)> • • •

s

воздействие (целевое и нецелевое) за счет (рис. 2 и табл. I): уноса ветром (СВ и ОС); неточности внесения (ВС и НКМ); технологического попадания в почву (OB и АХР); специфики воздушной струи и вихреобразования. Обозначения подсистем приведены на рис. 1.

Математическая постановка

1 этал: отыскание Х™, Уош„ Z,„„, таких, что f„ (Х01Ш, У01Ш, Zonn) = maxC, (х. у, z): х, у. ze G„n„ при условии R« < | Rc, R>, R*,™ I или RHC= 0. Критерий R-»max. Цель: определение областей предпочтительного применения каждого типа ВС с учетом экологической надежности (R) в координатах, характеризующих параметры АХР.

Целевая функция: R,,i(T,mljk, пц, Vj, Ц, Ьяга1], mXMJ, NnpBBijk) —► шах.

2 этап: отыскание x*,y*,z* таких, что F„( x*,y*,z*) = minF„(x, у, z),

G = Gx U Gy U G„ xeGx> yeGy, zsG2. Критерий ПЗ —» min (приведенные затраты).

Цель: определить технологически эффективный тип и варианторазмер ВС в зонах рационального применения химикатов, технологии АХР и организационные решения с минимизацией воздействия на компоненты окружающей среды, выявление дополнительных ограничений применения, синтез структуры и размерности парка. Целевая функция: П3,,к (Vp«,, ш^,,,, Р.» NnoTpijk» Пук» NnpH«jjk» Q„ ПДК, ППК)->тт.

Операционное и параметрическое моделирование

МОД (r])|=<Act, Kon(Act),{ U } >, где т| - показатель эффективности АСС; |= - знак оператора модельного отображения; совокупности действий (Act), противодействий Kon (Act), условий { U }. R = Рис,,к -Pnpijk 'Pcmjk -fnnj -PiKijt, где P„c,jt - коэффициент исправности парка; Р,1р^ - коэффициент использования ВС; Pümjk - коэффициент благополучности полета; P,K1j - коэффициент надежности системы; - коэффициент экологической надежности j-ro типа ВС на i-ом виде АХР, под которым в работе принята вероятность невозникновения нецелевого внесения и воздействия на ОС k-ым средством. Программа расчета в диалоговом режиме позволила определить точки пересечения кривых распределения целевой и экологической надежности разных типов ВС при разных технологиях АХР и вариантах СВ и определить границы областей предпочтительного применения (ОПП). Сравнительная целевая и экологическая надежность ВС для выполнения специальных работ по Оренбургской области приведена в табл. 2.

На штатной сельскохозяйственной аппаратуре проведены сравнительные стендовые и эксплуатационные испытания для разных ВС (методика опубликована в отчетах по НИР) и исследования по оседанию частиц и характера их распространения при АХР. Получены: - особенности поля скоростей разных типов ВС: - закономерности распространения воздушной струи и сноса химикатов при разных методах АХР (рис. 6); - способы увеличения зон высокого качества (рис. 7). Определено, что четкая работа механизма охраны среды при проведении АХР зависит, наряду с вышеперечисленными факторами: - от уровня общей экологической культуры, экологического мышления (образование); - от уровня профессиональной подготовки специалистов ПАНХ (госавиапредприятие); - от четкой взаимосвязи со станциями защиты растений (выбор средств воздействия); - от выбора и применения методов и технологий АХР (госавиапредприятие); - от качества распыла (дисперсионного состава частиц) химиката. Аналитическому моделированию поддаются три последних фактора. Отразим воздействие этих факторов величиной нецелевого воздействия:

МП = К ->п ,где К - коэффициент нецелевого воздействия, который зави-XIV/A' хм -Щ]к

сит от: - относительной величины зоны высокого качества (ЗВК) - рис.7; - от рабочей высоты полета (Н); - от направления ветра (HB); - от вероятности воздействия (Qb) - рис.6.

Дополнительный эффект (увеличение результативности) AR/ АС' > AR/ ДС показывает полное возмещение затрат на сохранение окружающей среды (ОС) - рис.8.

Построена эмпирическая зависимость экологической надежности по результатам исследований и испытаний:

р LL.JL] р <10

Разноречивые зависимости составляющих критерия (рис.9) для разных типов ВС предполагают возникновение ОПЛ по экологической надежности (рис.10) для разных методов АХР: 00-1 опрыскивание; 00-3 рассев; 00-4 разбрасывание; 00-5 МО и 00-6 УМО.

Технико-экономическая модель и зоны специализации по экологической надежности

Оценка эффективности технологических, экологических, и организационных инноваций проводилось по схеме: Э = ДЭУ - ( АС + Е„ЛК ), где ДЭУ - снижение величины ущерба за счет технологических и организационных инноваций в проведении АХР; ДК -дополнительные капитальные затраты по защите ОС; ДС - увеличение себестоимости обработки гектара. При этом, безусловно, выполняется ПЗ^ —» min, а дополнительные инвестиции по ООС при проведении АХР определяются в зависимости от объема Q и насыщенности АХР- Nnpm,:

К. ..=59972+0,1746-Q./N ..+11,58-(QJN „;<м»475з +

дот) i HKMij 1 hkmij

+2,02 • jV0-647?56 + 0,06645-/V05304 +8,9954-TV0-6062 + 3,708-W0-6653

nptteij npueij npueij npueij,

Прямые и косвенные расходы определяются с учетом целевых расходов на ООС.

Составляющие критерия ПЗ с учетом затрат по недопущению ущерба окружающей среде имеют разнородный характер изменения по разным типам ВС и параметрам АХР и объектов воздействия, что позволило аналитически получить зоны специализации.

Исследования показали, что существуют оптимальные зоны для норм расхода химикатов- 2...S кг/ га (что соответствует МО и УМО) и для длин гона 400...700 м, причем высокоточные средства доставки и внесения (CJIA и вертолеты) эффективнее в 1,5... 1,8 раз.

Учет экономического ущерба от нецелевого внесения химикатов

ведем в совокупности ущерба, наносимого за счет повышения расходов: химикатов (пестицидов, химических удобрений и других средств обработки растений) - ЭУ^; энергии -ЭУ,; эксплуатационных дополнительных расходов - ЭУ,,; по сельскому хозяйству -ЭУ„ (снижение урожайности и плодородия почв, болезней птиц и животных); по коммунальному хозяйству - ЭУ* (разрушение ускоренное дорог, построек, транспортных средств и коммуникаций в сельской среде обитания); по водоемам, рыбному и лесному хозяйству -ЭУ, (загрязнение водоемов, снижение воспроизводства рыбных запасов, уничтожение лесозащитных насаждений); связанных со снижением здоровья людей - ЭУ, (рост заболеваемости, потери трудоспособности) и нанесением ущерба природе - ЭУпр (снижение воспроизводства лесов, животного мира, насекомых и других педобионтов). Таким образом:

ЭУ= ЭУ„ + ЭУ, + ЭУР + ЭУШ + ЭУ, + ЭУ» + ЭУ, + ЭУпр.

Экономический ущерб за счет повышения расхода химикатов:

Э У uti'-k = ^хмИк--n^'^'-ik' Здесь: Авд " стоимость химикатов, израс-

ijk

ходованных за летный час на i-ом виде АХР j- ым типом (варианторазме-ром) ВС, при ком виде средств воздействия; П,^- производительность; Q,k - объем i- го вида АХР.

Дополнительные расход энергии и эксплуатационные расходы определяем по методу сопоставимости дополнительного внесения химикатов для технологически качественного и агротехнически правильного проведения АХР.

И)

Таблица 2

Целевая и экологическая надежность ВСнаавиационно-химических работах

Тип ВС О = 10« ООО га, = [0 "/„ О = 300000 га. = 100 кг/га

Сельскохозяйственной Модификации 1**, = 4км Ьпер № км

Р«= Рп. Рб,, Р«,, Р„ Я Рг Рбп Р» Р-» Я

Самолет 0.96 0.29 0.9% 0,994 0.90 0.25 0.958 0,559 0.994 0,992 0.9) 0.48

Вертолет 0,964 0,39 0,9% 0.996 0,95 0,35 0.961 0,511 0,994 0,993 0,94 0,46

Мотодельтаплан 0.969 0.31 0,990 0.990 0.91 0,266 0.963 0.500 0,990 0.Н87 0,93 0,39

0ь=1.о И зона прямого воздействия

0ь=0,85 га зона косвенного воздействия

0ь=0,61 1 1 зона частичного воздействия

Оь=0,20 1 ! зона вторичного воздействия

, км

-5

К/направление

/ ветра (НВ)

10

км, В

направление попета

Рис. 6 Зависимость интегрального коэффициента ^ воздействия АХР на экосистему: 1>си <3,,-вероятность воздействия

НВ

ППШШПШ |ПН||||||11|

ииитцщиимпилии

ЗВК=Шо величина потерь химикатов в %

Шо 12 - попоса высокого качества внесения Ш - ширина рабочего захвата, НВ - направление ветра

Рис. 7 Методическая схе ма определения величины потерь и зон вь сокого качес ва (ЗВК)

Результативность (эффективность) I сезон И сезон III сезон . IV сезон

Рис. 8 Принцип полной окупаемости затрат на проведение АХР в областях предпочтительного применения с учетом показателя экологической надежности: ДС -приведенные затраты на единицу дополнительно произведенной продукции; ЛЯ - результативность с учетом сохранения н естестветюй отдачи ОС

Рис. 9 Графическая интерпретация зависимостей целевой и экологической надежности

к *-1 — ^_ ч

ч V. — Ч оо з > (МО) V ОО-б г (умо) Ч ч ^=300000 ; га ч

V ч N Ч схс

Ч Ч / СХЕ

/ У \

\ Ограничения*

1 \ вдг \ ;ьтр=16ю" \ ч

Ч ч -НС-

10 15 20 25 ^„„иЛа

400 203

ГС "¡" схс ОЗОООООга 1 г16нм ШЗ -

\ Ч] ч

мдп ч V к

НС

¿У ^

20 40 60 80 100 ЧхщКГ/га

0 20 40 60 80 100 Чю^Лга

600

Рис. 10 Области предпочтительного применения по экологической надежности

Экономический ущерб от снижения плодородия почв:

ЭУШ = Рпгст г к, где Z - коэффициент, учитывающий характер использо-

1=1

вания территорий в зоне влияния; К- коэффициент, учитывающий зональные особенности территорий; 1'п, - годовое количество ¡-ой недоданной сельскохозяйственной продукции из-за нарушения земель, т/ га; Сп, - себестоимость ¡-ого вида продукции, получаемой в зоне влияния нарушенных земель (по сравнению с контрольной зоной), у.д.е./ т.

Экономический ущерб, наносимый загрязнением воздушной среды:

ЭУТ

. Здесь: ДшХып - нецелевое внесение химикатов на

ва} знги-дгпдкмр

¡-ом виде АХР j-ым типом (варианторазмером) ВС; ЗН,д - показатель, учитывающий зоны токсического действия химикатов; И - среднее количество воздуха, поступающего в организмы особей, проживающих в данной сельской среде обитания, м в сутки (~15м3 на одну особь); Щ - число дней в году, когда осуществляется ¡-ый вид АХР ^ым типом (варианторазмером) ВС; ВП; - среднестатистическая величина валового продукта (в у.д.е.) сельскохозяйственного производства (для которого производится ¡-ый вид АХР) в расчете на душу населения в год; СТ; - показатель, учитывающий степень загрязнения воздушной среды, СТ= ТС| / ППКмр; ТС| - токсичная часть Ат»,^ .

Остальные составляющие определяем по принципу «долевого участия».

Определение экономического эффекта в зонах рационального применения

ведем путем сопоставления приведенных затрат на обработку одного га сельхозугодий с учетом ЭУ и без учета последнего, но с фиксацией затрат на природоохранные мероприятия:

т п

XI

;=н=I

ЭУ

0»

т и >11

>11=1

пз,

3

I о осу

а

V У

•у _ оосу аоа ^ "^опу оосу ~~ гт

11 и

+Е.

V

^рсоосу Ксбооа)

N -П—Т ■■ I

14 потру ' у ' илу У

Для снижения ущерба ОС создана детальная модель производственного цикла, подготовки участков и выбора структуры полетов, проанализированы энергетические возможности изменения скорости и высоты рабочего гона ВС по уравнениям движения для увеличения точности внесения. Предложена новая организационная структура.

Исследование особенностей внесения химикатов При проведении авиаопрыскивания капли менее 50 мкм имеют тенденцию к испарению и сносу, а крупные капли (более 800 мкм), как правило, вызывают ожоги растений и повышенный расход химикатов. В ходе проведения НИР автором были разработаны и реализованы методики стендовых и эксплуатационных испытаний, обработки результатов и проведена технико-экономическая оценка. Исследовались: - оседание частиц и характер их распределения на специально созданном испытательном стенде и в ходе летных испытаний (табл.3); - распространение и особенности воздушной струи за ВС; - снос химикатов ветром; - потери из-за испарения; - особенности поля скоростей разных типов ВС при проведении АХР. Летные испытания проводились на серийных ВС 164-го объединенного авиаотряда. По ширине захвата на поле устанавливались экспонирующие карточки с размеченными «окошечками» для подсчета количества и размеров отпечатков капель. По границам ширины захвата и за ее пределами с определенным шагом расстилались рулоны экспонирующей бумаги. Кроме того, производилось фотографирование вихревых щнуров по ходу движения ВС. С помощью компьютерной графики оценено поведение вихревых шнуров, сноса химикатов и зон высокого качества внесения.

в

Таблица 3

Результаты испытаний дисперсности состава_

Разряды Состав, % Требования

Капель, мкм на стенде в полете

50. 100 0.5 4.4 < 10%

100 .200 20,1 22.0

200...300 18.7 13,2

300 . 400 13,8 13.2 > 70%

400. .500 12.4 (65) 36.9 (85,3)

500 ..600 15.9 6,5

600..7000 13,1 3.4 < 20%

700. .800 5.5 0,4

Данные с учетом коэффициента расплывания на фотобумаге

Структура п размерность оптимального парка в зонах рационального применения

химикатов

Зонами рационального применения назовем области:

D (х, у) у = {ХоГ[/ Э(РН) max, NmTrp —> min} - которые выделяются для каждого исследуемого ВС. Очевидно, что D(x, у)с ^ D(x, у)„ г^ D(x, у)млп ~ 0 -не пересекаются и решаются как задачи оптимального распределения. Если ВС с х,- экологически универсален для всех АХР у б d,(x), т.е. может выполнять все задания, то допустимое множество его вектор-параметров X сужается и определяется пересечением множеств: = П х = { х е X : для всех у е d,(x)}. yed {x) ■

Таким образом, с учетом коэффициента перекрытия X, зависящего от периода проведения (Д(1 Д,.]), N,„rp корректируется с учетом маневрирования.

Потребный парк ВС по зонам рационального применения и его дифференциация для Оренбургской области следующая: 19 МДП, 29 СХВ и 91 СХС.

Для реализации идеально-конечного результата (ИКР) по минимизации воздействия АХР на ОС на каждом ¡-ом виде АХР должен быть оптимальный j- ый вариант параметрического ряда ВС. Достижение ИКР на сегодняшний день потребует инвестиций в течение первых в сумме 2,5 млрд. у.д.е.

Основные выводы н результаты исследований

1. Разработаны принципы оптимального формирования самолетно-вертолетного парка в зонах рационального применения химикатов и удобрений, представляющие собой единый комплекс операционных, параметрических моделей и алгоритмов, предназначенных для оценю! инновационных решений в применении и планировании авиационно-химических работ в сельском хозяйстве с недопущением ущерба окружающей среде.

2. Результаты работы интерпретированы в ряде представителей широкого класса ВС и доведены до соответствующих методик оценки нецелевого воздействия химикатов, затрат на недопущение экологического ущерба, применение которых показало сравнительно высокую эффективность предлагаемых методов и достоверность результатов.

3. Получены оптимальная структура и размерность парка в зонах специализации с минимизацией нецелевого воздействия химикатов на окружающую среду.

4. Определены области предпочтительного применения (ОПП) по зонам рационального воздействия химикатов: вертолеты сельскохозяйственной модификации имеют ОПП во взаимозависимых координатах характерных параметров при нормах внесения 3...125 кг/га и длинах гона 150...1300 м; при длинах гона более 800 м и больших расходах (<125 кг/га) экологическая надежность самолетов выше: - мотодельтапланы эффективнее при коротких длинах гона (<150м) и при малых расходах химикатов на гектар (<3 кг/га).

5. Проанализировано влияние на ОПП всех характерных параметров подсистем. Данные использовались для составления рекомендаций по использованию новой авиационной техники в зонах рационального воздействия химикатов и для разработки техниче-

-•ких требований к сельскохозяйственному оборудованию и средствам технологической штоматикн.

6. Сравнительный анализ по целевой и экологической надежности показал, что:

• сельскохозяйственные вертолеты более эффективны за счет большего соотношения величин рабочей скорости и скорости разворота;

• особенности воздушной струи позволяют более точно, с меньшим нецелевым воздействием вносить химикаты на малых высотах;

• новые отечественные воздушные суда сельскохозяйственной модификации соответствуют практически всем требованиям проведения сельскохозяйственных АХР и при „■оответствующем оборудовании могут экологически надежно использовать современные методы мало- и ультрамалообъемного опрыскивания.

7. Выделены зоны рационального применения (специализации) по минимизации нецелевого воздействия на компоненты окружающей среды по всей номенклатуре видов лХР. Результаты, после экспериментального подтверждения в ходе эксплуатационных испытаний. использовались в определении размерности парка для выполнешшх в 1995... 1997 годах объемов АХР.

8. Экономический эффект от эксплуатации по зонам экологической специализации и недопущения ущерба окружающей среде составит 4,22 у.д.е./га в год. Абсолютный экономический эффект составит 42 200 тыс, у.д.е. по всей Российской Федерации на первый год эксплуатации оптимальной системы. В дальнейшем, экономический эффект будет возрастать в связи с реновацией затрат на защиту окружающей среды и техники и окупаемостью инновационных решений.

9. Получен ряд рекомендаций по технологиям и параметрам внесения в зависимости от средств воздействия с учетом экологических требований, на основе которых разработаны новые ТЗ на доработку ВС сельскохозяйственной модификации.

10. Определен идеально-конечный вариант системы: три типа ВС при пяти вариан-горазмерах. При этом достигается минимизация воздействия АХР на человека, животный мир и компоненты окружающей среды.

11. Операционное моделирование производственного цикла в реальном режиме времени позволило получить подтвержденные опытной эксплуатацией значения характеристик элементов полета и значения экологической надежности. Рекомендуемые оптимальные соотношения скоростей при рабочем гоне и развороте и использование энергетики перепада высот сокращают время производственного полета тем самым, увеличивая производительность АСС, сокращая потребный парк ВС на 3...5% и снижая нецелевое внесение на 5...6%.

12. Предложена новая структура организационной и технологической подготовки АХР с минимальным воздействием на компоненты окружающей среды, нашедшая поддержку и одобрение заинтересованных организаций и специалистов. Подтвержденный документами экономический эффект от применения практических рекомендаций составляет 0.524 триллиона рублей (уровень цен 1996 года).

Основное содержание диссертации и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Архиленко Ю. И.. Вольф Г. П., Портников Б. А. и др. Исследование и проектирование агрегатов с/х оборудования самолетов Ан-2 и Ан-3 для проведения опрыскивания / Деп. во ВНТИЦ. Тема 111/ 79, часть I. Инв. 0284.0.000541.-М: ВНТИЦ. 1984,- 79с.

2. Архипенко Ю.И., Гулямов А.Д., Платов А.Е.. Портников Б.А. и др. Патентно-информационное исследование по НИР- 111/ 79/ Деп. во ВНТИЦ. часть2. Инв. 0284 0. 900541.- М: ВНТИЦ. 1984,- 65с.

3. Абдрашитов Р.Т., Портников Б.А., Султанов Н.З, и др. Исследование и разработка мокли комплексной оптимизации параметров и характеристик вертолета сельскохозяйственной модификации и режимов эксплуатации на авиационно-химических работах / Деп, во ВНТИЦ. Тема 7/И- 95, часть 1. № гос. per. 01960011340,- М.: ВНТИЦ, 19%.- 121с.

4. Портников Б.А. Выбор рациональных параметров сельхозоборудования в зонах целевой и экологической надежности внесения/ Междунар. сб. научн. трудов: Актуальн. пробл. механики и экол. -Ташкент-Москва-Алма-ата-Анкара, 1994, с. 13... 17.

5. Абдрашитов Р.Т., Портников Б.А., Султанов Н.З. и др. Исследование условий конкурентоспособности вертолета Ка-126 сельскохозяйственной модификации / Деп. во ВНТИЦ. Тема 7/И-95. часть 2. № гос. per. 01960011340.-М.: ВНТИЦ, 1996,- 126 с.

6. Портников Б.А. Исследование и оптимизация технологий и парка машин для проведения сельскохозяйственных авиациокно-химических и других работ/ Деп. во ВНТИЦ. Тема 7/И-95, часть 3. Кя гос. per. 01960011340VI.: ВНТИЦ 1996. -139 с.

7. Портников Б.А. Применение авиационных средств для внесения химикатов с учетом влияния на окружающую среду / ИЛ № 190- 97. Серия Р.68.85.17.- Оренбург: ЦНТИ, 1997,- 4 с.

8. Дибихин К.Ю., Портников Б.А., Султанов Н.З. Сравнительный анализ математических и эвристических методов прогнозирования параметров сложных технических систем / Сб. матер, науч-метод. сем. "Внедр. информ. техн. в образ, процесс". - Оренбург: ОВЗРКУ, 1997,- 4 с.

9. Дибихин К.Ю., Портников Б.А. Концепции, понятия и определения в дисциплине "Теория принятия решений" / Метод, руководство для студ. всех спец техн. профиля,-Оренбург: ОГУ, 1997,- 30 с.

10. Портников Б.А. Инновационный процесс в организации и технологии проведения спецавнаработ с учетом экологической надежности / Тез. докл. на Междунар. научн-практ. конф. "Иннов. процессы в образ., науке и экон. России на пороге 21 века", часть 2. -Оренбург: ОГУ, 1998, с.182... 184.

11. Портников Б.А., Дибихин К.Ю. Проектирование конкурентоспособных объектов сложной техники в целях создания перспективных технологий и инструментальных средств инжиниринга / Там же, с.74...76.

12. Карташов Л.П., Локтионов А.П., Портников Б.А., Султанов Н.З. Комплексный научно-исследовательской проект: Оптимизация парка ВС для сельскохозяйственных авиационных работ с учетом экологической надежности / Монография «Теор. и практ. регионального инж.» // Под ред. B.C. Колосова и др. - Сашег- Петербург: Издательство "Политехника", 1998,- 228 с.

Лицензия Л» ЛР020716 от 02.02.93. Подписано в печать 5.05.98 Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 Заказ 295

Отпечатанно в Оренбургском государственном университете. 460352, г.Оренбург, ГСП. пр. Победы. 13. ИПК ОГУ