Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов

Жуков, Сергей Алексеевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов"

ЖУКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И АВТОТРАНСПОРТНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ НА САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВНУТРИГОРОДСКИХ ВОДОЕМОВ

Специальность: 25.00.36. - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2006г.

Работа выполнена в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Полосин Иван Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кувшинов Юрий Яковлевич

кандидат технических

наук, доцент Князева Валентина Петровна

ведущая организация - Воронежский государственный университет

Защита состоится /£.£3. в /У часов на заседании

диссертационного совета ^£>.2/2. . в Московском

государственном строительном университете по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26, зал Ученого совета, тел/факс (495) 188-15-87.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского

иверситета (МГСУ).

государственного строительного университета (МГСУ). Автореферат разослан « 2 уурере^лл 200 £ года.

Ученый секретарь Диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

А.Д.Потапов

тлго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В крупных промышленных городах существует особенность - наличие внутригородского водохранилища со всеми его проблемами. Водохранилище оказывает существенное влияние на условия хозяйственно-питьевого водопользования населения.

Проблемы чистой воды и охраны водных экосистем становятся всё более острыми по мере исторического развития общества, стремительно увеличивается влияние на природу, вызываемое научно-техническим прогрессом. Так, дефицит питьевой воды, например, для города Воронежа, составляет около 105 тыс.м3 в сутки.

Водохранилища, размещённые в городской черте, являются, как правило, рыбохозяйственными водоёмами и в то же время играют роль водоприёмника возвратных вод - дождевых и талых вод, хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод.

В таких условиях к качеству возвратных вод и очистным сооружениям предъявляются высокие требования.

Опыт эксплуатации водоёмов, размещённых в селитебных зонах, показывает на отсутствие исследований, направленных на изучение седиментационного и диффузионного воздействия промышленных и автотранспортных выбросов на параметры водоёмов, прогнозирования уровня снижения атмосферных загрязнений, обеспечивающего улучшения их экологического состояния. В связи с чем, загрязнение воды учитывается только сточными водами, что не отражает реальной картины загрязнения водоёма вредными веществами.

Существующие методы расчёта рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере не позволяют оценить воздействие выбросов промпредприятий и автотранспорта на водоёмы Поэтому необходима: разработка методики прогнозирования предотвращённого ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха; технико-экономического и экологического обоснования внедрения аппаратов обезвреживания промышленных атмосферных выбросов, позволяющих своевременно принять меры по обеспечению чистоты приземного слоя воздуха и водоёма, предъявить повышенные требования к технологическому процессу и оборудованию, к аппаратам очистки выбросов вредных веществ в атмосферу; найти решения по реконструкции и строительству предприятий и автодорог, предотвращающие занос вредных веществ к водоёму; определить необходимое минимальное расстояние между источником выброса и водоёмом. В связи с вышеизложенным данную тему можно считать актуальной.

Кроме того, данная работа выполнялась в соответствии с областной целевой комплексной программой «Обеспечение эколого-гигиенической безопасности Воронежского водохранилища и бассейна реки Воронеж», а также с межвузовской программой «Строительство» по научному направлению, «Разработка систем теплогачосиайженшш в^тиляции с целью

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА | С.Пет —Ьпг/^/г .

оэ

та?;

экономии ТЭР и зашиты окружающей среды от промышленных и вентиляционных выбросов», гранта «Эколого-экономическое обоснование методов и средств обезвреживания промышленных атмосферных выбросов», что также её характеризует как актуальную.

Объектом исследования являются внутригородские водоёмы руслового типа с замедленным водообменом, отсутствием регулирующей ёмкости и постоянным уровнем воды; промышленные и автотранспортные атмосферные выбросы загрязняющих веществ предприятий, размещённых вблизи водоёмов.

Цель работы - прогнозирование уровня снижения атмосферных загрязнений промышленными предприятиями и автотранспортом, обеспечивающего улучшение экологического состояния внутригородских водоемов, посредством внедрения высокоэффективных технических средств очистки выбросов и регулирования режима работы предприятий. Задачи исследования:

обосновать целесообразность прогнозной оценки загрязнения водоёмов, размещённых в селитебной зоне, промышленными и автотранспортными атмосферными выбросами загрязняющих веществ;

разработать математическую модель, позволяющую прогнозировать образование туманов в акватории водохранилища, захват водяными каплями тумана загрязняющих веществ, эффективность их захвата, рассчитать концентрацию и количество загрязняющих веществ, проходящих через поверхность раздела фаз «газовоздушная среда - водная поверхность»;

разработать математическую модель распределения в атмосферном воздухе твёрдых и газообразных вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий, позволяющую рассчитать частоту загрязнения акватории водоема вредными веществами при различных направлениях ветра и его скорости, описать траекторию и скорость движения аэрозольных частиц, а также время их перемещения от источников загрязнения атмосферы до поверхностного слоя водоёма и расстояние на котором происходит выпадение аэрозолей различных фракций на поверхность водоёма;

оценить вероятность загрязнения акватории водоема выбросами отработанных газов автотранспорта, курсирующего по мостам над водной поверхностью;

разработать методику обработки результатов натурных наблюдений за метеорологическими параметрами в акватории водоема, позволяющую получить статистические модели распределения температуры поверхностного слоя воды и окружающего воздуха, распределение абсолютной и относительной влажности, дефицита влажности, скорости ветра над акваторией водоема и над водной поверхностью;

разработать методику и алгоритм прогнозирования предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха, позволяющих прогнозировать санитарно-химические показатели водоёма и требуемый уровень снижения атмосферных загрязнений для регионов с плотным и рассредоточенным расположением источников выбросов;

развить методику технико-экономического и экологического обоснования применения технических средств обезвреживания атмосферных промышленных выбросов применительно к различным режимам работы предприятий и климатическим условиям;

разработать и внедрить технологические решения, полученные на основе прогнозной оценки загрязнения окружающей среды промышленными выбросами загрязняющих веществ, направленные на обеспечение экологической безопасности внутригородских водоёмов.

Научная новизна заключается в разработках: аналитических зависимостей, позволяющих рассчитать распределение вредных веществ от промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов в акватории водоёмов с учётом неоднородности турбулентной структуры приземного слоя атмосферы и шероховатости приводной поверхности;

математической модели, позволяющей прогнозировать образование туманов в акватории водоёма, рассчитать распределение примеси при наличии тумана и скорость выпадения вредных веществ на поверхность водоёма за время существования тумана;

математической модели, позволяющей оценить среднюю скорость выпадения загрязняющих веществ на водную поверхность в зависимости от местоположения распада струи газовоздушной смеси и расстояния от источника выброса до водной поверхности и методики расчёта частоты загрязнения отдельных участков водоёма при различных направлениях ветра и его скорости;

аналитических зависимостей, описывающих характер взаимодействия струи, истекающей из выхлопной трубы автомобиля и потока ветра, позволяющих оценить вероятность загрязнения водоёма отработанными газами автотранспорта;

методики обработки результатов натурных исследований метеорологических параметров в акватории водохранилища, позволяющей получить картину их распределения над водной поверхностью, оценить воздействие волнообразующих факторов и туманов на санитарно-химические показатели водоёма;

аналитических зависимостей, позволяющих учитывать механизм абсорбции и свойства абсорбента при проектировании технических средств очистки пылегазовых выбросов. На защиту выносятся:

математическая модель процессов тепло и массообмена на границе поверхности раздела фаз: «газовоздушная среда - водная поверхность», позволяющая прогнозировать образование туманов в акватории водоёма, рассчитать эффективность захвата загрязняющих веществ водяными каплями тумана, концентрацию, количество и скорость выпадения загрязняющих веществ на поверхность водоёма за время существования тумана;

методика расчёта частоты загрязнения отдельных участков водоёма промышленными и автотранспортными атмосферными выбросами,

расстояния, на котором происходит выпадение вредных веществ на поверхность водоёма от источника загрязнения атмосферы;

статистический метод распределения метеорологических параметров в акватории водоёма, позволяющий оценить масштаб турбулентности водоёма, воздействие волнообразующих факторов на снижение концентрации вредных веществ;

метод и алгоритм прогнозирования уровня снижения негативного воздействия атмосферных загрязнений на водоемы и предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха для регионов с плотным и рассредоточенным размещением источников загрязнения окружающей среды;

методика научного, экономического и экологического обоснования применения экологически безопасных систем обезвреживания промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены:

применением фундаментальных аэродинамических и тепло-массообменных законов для газообразных сред, спектральной теорией турбулентности струйных течений;

теорией и натурными исследованиями, соответствием результатов теоретических и натурных исследований, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 95%, в том числе теорией математической статистики;

сопоставлением результатов теоретических исследований, полученных в работе, с другими результатами, известными в научной литературе, в том числе результатами института прикладной геофизики АН РФ;

одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих изучить одни и те же процессы, положенные в основу предлагаемых уравнений.

Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении методик прогнозирования негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов загрязняющих веществ на экологическую безопасность внутригородских водоёмов; расчёте предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха; технико-экономическому и экологическому обоснованию уровня снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух путём внедрения эффективных технических средств очистки выбросов и регулирования режимов работы предприятий.

Реализация результатов работы: состоит в разработке рекомендаций ОАО «Воронежсинтезкаучук», Воронежской ТЭЦ-1, районным котельным и автотранспортным предприятиям по внедрению эффективных технических средств очистки пылегазовых выбросов: дымовых газов котельных и ТЭЦ, цехов полировки и шлифовки металлических изделий, очистки выбросов от паров кислот, щелочей и других вредных

жидких аэрозольных частиц, в том числе многокомпонентных газовых смесей.

Кроме того, результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по дисциплинам: "Охрана воздушного бассейна", "Технические средства и методы защиты окружающей среды" на факультете инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Личное участие автора состоит в разработке теоретических моделей, проведении натурных исследований метеорологических параметров в акватории водохранилища, разработке метода и алгоритма прогнозирования снижения количества атмосферных выбросов вредных веществ промышленными предприятиями и автотранспортом, позволяющих регулировать экологическую обстановку в акватории водоёмов путём регулирования режима эксплуатации промышленных объектов, внедрения высокоэффективных технических средств обезвреживания выбросов.

Апробация работы. Положения диссертационной работы доложены в 2002-2005 гг. на 53-57 научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, на Первой международной научно-практической конференции «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ» (Воронеж, 2003г.)

По материалам исследований опубликована монография и 6 научных статей общим объёмом 135с. из них лично автору принадлежит 83с. В работах, выходные данные которых приведены в конце автореферата, автору принадлежит: /1/ - обзор исследований по загрязнению промышленными и автотранспортными атмосферными выбросами внутригородских водоёмов, разработка математической модели тепло - массообмена на границе раздела фаз "воздушная среда - водная поверхность", исследование метеорологических параметров над акваторией водохранилища и их влияния на образование туманов и загрязнение воды атмосферными выбросами, обоснование внедрения высокоэффективных технических средств в систему очистки промышленных выбросов; /3/ - структурный анализ и прогнозирование негативного воздействия автотранспортных выбросов на водоёмы; /4/ - участие в разработке методики прогнозирования предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха; /5/ - установление граничных условий при расчёте рассеивания вредных/ веществ в окружающей среде; /6/ - разработка математической модели загрязнения приводного слоя атмосферными выбросами; /7/ - участие в разработке методики расчёта концентрации вредных веществ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и библиографического списка литературы из 124 наименований. Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста и содержит 48 рисунков, 28 таблиц и 25 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, отмечается её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе представлен обзор и анализ исследований по загрязнению внутригородских водоёмов промышленными и автотранспортными атмосферными выбросами, дано обоснование необходимости разработки методики обработки натурных исследований метеорологических параметров в акватории водохранилища, приведён анализ методов расчёта распределения примеси в приземном слое атмосферы. Установлено, что исследования по проблеме прогнозирования седиментационного и диффузионного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на экологическую безопасность внутригородских водоёмов практически отсутствуют. Сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены схема рассеивания газовой струи из вертикальной трубы с принудительным истечением, формы струй и источники загрязнения атмосферы, а также существующие методики определения распространения промышленных выбросов в атмосфере. Анализ показал, что методики не учитывают шероховатость подстилающей и приводной поверхности, механическую турбулентность и конвективную диффузию, вызываемые волновыми движениями поверхности водоёма и температурным градиентом, интенсификацию седиментации и диффузии веществ на границе раздела воздушной и водной сред.

При движении воздуха у поверхности подстилающего слоя возникает внутреннее трение, описываемое соотношением:

, Ли

где г - касательное напряжение трения; к? - коэффициент турбулентности в вертикальной плоскости; и — скорость ветра, м/с, на высоте г.

Для приземного слоя можно принять т =сопи изменение к, от почти нулевого значения у подстилающего слоя до некоторого минимального значения к,л, тогда изменение скорости на любой высоте в приземном слое подчиняется логарифмическому закону распределения между высотой шероховатости га и некоторыми высотами г и 2, то есть:

1пг/-г° (2)

1п г,/г0'

где и/-замеряемая скорость на некоторой высоте г/

При распространении в атмосферном воздухе и акватории водохранилища вредных веществ (аэрозолей пыли, дыма), содержащихся в выбросах предприятий, со скоростью седиментации не больше, чем у капель воды диаметром менее 100 мкм уравнение движения частицы в

горизонтальном направлении представляется в виде детерминистической модели:

„.аЛ.^.с-р, О)

6 </г * ' 4 2

где р,- плотность частицы; \У^-скоросгь ветра; скорость частицы; С„ -коэффициент лобового сопротивления, равный

С, =

n/R^

где v - вязкость атмосферного воздуха. Из уравнения (3) следует:

dr = -

Р'dr (*Y2 d^-Wr) 1

39 рк~ UJ После интегрирования последнего получим:

4_ Л- j \dr

39 Р, »v

(4)

(5)

Выражая Wt через т, имеем:

г +

i/г

где Ьг - путь частицы. После интефирования представляется возможным получить:

А1 А

(6)

т +

№

Система уравнений (5) и (6) позволяет описывать путь аэрозольной частицы в атмосферном воздухе при известной расчётной скорости ветра.

В работе решена задача о скорости вращения частицы, обеспечивающей горизонтальность ее траектории. Установлено, что скорость вращения частицы изменяется по мере ее движения.

На основании аналитических зависимостей построена номограмма (рис.1), позволяющая в зависимости от соотношения W/W« , известной высоты источника выброса получить информацию о расстояниях, соответствующих выпадению аэрозолей различных фракций, в единицах Н. Высота Н учитывает непосредственно высоту источника загрязнения

атмосферы от уровня земли и высоту инерционного подъёма струи над устьем источника.

Расстояние от трубы в единицах Н

Рис.1.Зависимость скорости выпадения аэрозолей различных размеров от расстояния от источника загрязнения атмосферы (цифры на кривых-

В работе представлена также теоретико-вероятностная модель загрязнения окружающей среды вредными газообразными выбросами с плотностью вредного газа относительно плотности среды больше 1,0.

Высота собственного падения газообразного вредного вещества на длине пути от распада струи, истекающей из источника загрязнения атмосферы, до касания земной поверхности равна xg/ V/«,, где g - средняя вертикальная составляющая турбулентного оседания частицы, которая во много раз меньше моля.

Поскольку после распада струи вредные газообразные вещества продолжают своё движение со «средним ветром», степень турбулентности которого равна е, то вектор еУ/*, - случаен по своему направлению. Поскольку все направления этого вектора равновероятностны, то среднее значение равно математическому ожиданию проекции его на вертикальную ось. Элемент поверхности среды единичного радиуса будет равен

где р- угол между вертикальной осью и направлением вектора, - широта точки сферы, пересекаемой этим вектором. Вероятность направления р вектора еН^,

1 г" 1 Р = ~ Jsin pdpdv = -sin pdp, (8)

4 o ^

Вертикальная составляющая eW^ направления J3 суть (eWw) cos Д а математическое ожидание

а(е (9)

Горизонтальную площадку сверху вниз могут пересечь лишь векторы в пределах угла 0 ... к/2

- £ - W \ E-W

= —=- Jsincospdp = —=-, (Ю)

Чтобы частицы газа, находящегося на геометрической высоте выброса Н ( в сумме с высотой собственного подъёма Y) выпали из основного потока не дальше некоторого наперёд заданного расстояния х, необходимо и достаточно, чтобы

Используя аналитическую зависимость распределения концентрации газа в плоскости перпендикулярной направлению скорости потока, предложенную Брэдшоу П., и, обозначив по аналогии с теорией свободных турбулентных струй через у "Л координату, при которой Сх = 'Л С,шх можно получить коэффициент турбулентного обмена

4* In 2

, 2 - - , (11)

Если известна интенсивность турбулентности потока, то с учётом координаты у'А можно получить формулу для расчёта текущей концентрации газообразного вредного вещества

С = С„„ ехр

—г -W,

2-х2 W

(12)

Для прогнозирования уровня снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на водоёмы, необходимо знать частоту загрязнения определённых участков акватории водоёмов.

Поскольку определённому значению средней скорости ветра всегда соответствует некоторая норма степени турбулентности е0, то вероятность выпадения аэрозолей в определенном пункте территории в зависимости сгг скорости ветра и флюктуации Ь0

Р-1-

1 + Ф1 И-е.

(13)

где Ф - функция Гаусса, е0 - средняя порывистость ветра; (знак (+) соответствует расстояниям, большим Ь0 знак (-) - меньшим Ь0

Частота загрязнения данного пункта территории при известной скорости ветра

т№ =2,5 Руд- агс8Н1£-,% (14)

Для Воронежского водохранилища при продолжительности расчётного периода 210 суток, частота загрязнения рассматриваемого пункта, как показывают расчёты, превосходит 27 суток.

Во второй главе также дана оценка вероятности загрязнения водоема выбросами автотранспорта, движущегося по мостам над водной поверхностью. Установлено, что вероятность загрязнения водоёма выбросами автотранспорта, курсирующего по мостам над водной поверхностью, составляет 99,9%, при этом вероятность обнаружения загрязняющих веществ на высоте 0,5-2,Ом от уровня земли составила 76%, на высоте более 2,0м - 24%, на высоте 5,0м - 0,01%.

В работе получены зависимости, обуславливающие сток загрязняющих веществ (ЗВ) в поверхностный слой водоёма, а также рассмотрены физико-химические процессы на границе раздела фаз «воздушная среда - водная поверхность». Предложены критериальные зависимости, позволяющие определить убыль концентрации ЗВ в воздухе,ДС

Л = 05)

Яе Рг

*т!ТТ1с; 06)

Зависимости (15), (16) могут быть использованы для прогнозной оценки влияния атмосферных выбросов ЗВ на качество воды водоёма.

Для описания кинетики физико-химических процессов на границе раздела фаз «воздушная среда - водная поверхность» использована двухплёночная модель. В работе приведены результаты расчёта коэффициента захвата ЗВ в зависимости от размера аэрозольных частиц и размера капель скоагулированного тумана.

Обозначив через Ь количество аэрозольной капельной жидкости в пограничном слое; в - количество ЗВ в приграничной зоне, Н, - общую высоту рассматриваемой приграничной зоны, участвующую в переносе ЗВ, определяемую по результатам расчёта рассеивания выбросов, Б -рассматриваемую поверхность водоёма, подверженную воздействию выбросов, и введя переменную го = кух-Б-НЛ, получим: (в/ЬУф/сЬ - у + ух = 0, (Ыск - у + угх - О, Х= Хч при 2=0,

У =

у-уо при г=го, (17)

где х,„ у„ - граничные условия расчётных координат.

Решая систему уравнений (17) в предположении, что массоперенос происходит при встречном движении ЗВ и аэрозолей капель воды, получим значения относительных весовых концентраций ЗВ в воздухе и зоне приводной среды:

у-у/ х, _ (/-¿/О ехр [-(у-¿/С?) г] (18)

у „-у хк ч/-ЬЮ ехр

Х = х~х" = ^^

у.- у х„ \p-LIG ехр[-^-Л/О>20]

При = = -—--, где У=а/1-а, Х = в/1-в,

1 + Г-г, \ + ф

а, в - весовые составы ЗВ в воздухе и в зоне приводной среды.

По зависимостям (18), (19) с допустимой погрешностью для прогнозных оценок можно определить влияние каждой составляющей ЗВ на водоём, что позволяет дать оценку экологического ущерба.

В третьей главе представлены результаты натурных наблюдений за метеорологическими параметрами (на примере Воронежского водохранилища), предложена методика обработки результатов имеющихся наблюдений, которые представляют собой линейно неупорядоченное числовое множество, не позволяющее получить статистическую модель, пригодную для прогнозирования тепло - массообмена поверхностного слоя водоёма и окружающего воздуха.

В предложенной методике реализован метод моментов с применением графической таблицы Пирсона, характеризующей области распределений. В работе представлены статистические модели: распределения температур поверхностного слоя воды и окружающего воздуха, абсолютной и относительной влажности, дефицита влажности, испарения влаги с поверхности водохранилища, скорости ветра над акваторией водохранилища и непосредственно над водной поверхностью. Представлен анализ статистических моделей распределения метеорологических параметров, который показал, что с апреля по октябрь температура поверхностного слоя водохранилища превышает температуру окружающего воздуха акватории. Следовательно, с вероятностью более 70% можно утверждать, что над поверхностью водохранилища наблюдаются туманы испарения. Образование туманов испарения и туманов конденсации подтверждено совместным анализом распределения температур и относительной влажности.

На рис.2, для сравнения, приведён профиль скорости ветра над поверхностью Воронежского и Можайского водохранилищ и на их берегах.

Из рис.2 можно получить информацию для оценки воздействия волнового

движения на поверхности водохранилища, порождаемого ветром, на снижение концентрации ЗВ. Зная скорость ветра над поверхностью водохранилища можно

определить длину волны, расстояние, проходимое

отдельными объёмами воды до их столкновения, коэффициент турбулентного обмена. В работе приведены расчёты указанных выше величин, которые показали, что путь смешения и турбулентный обмен на два порядка выше в условиях Можайского водохранилища. Следовательно, воздействие волнообразующих факторов на снижение концентрации

вредных веществ более выражено у Можайского водохранилища.

Использованный в работе экспериментально-статистический метод анализа и обработки наблюдений метеорологических параметров позволил обосновать граничные условия образования тумана при турбулентном смешении газов. Взаимодействие влажного воздуха со свободной водной поверхностью иллюстрируется фрагментарной схемой из которой следует, что при относительной влажности <р > 0,9 в воздухе больших городов появляются туманы конденсации. Центром конденсации в этом случае являются выделяющиеся продукты горения и выбросы производственного происхождения. В работе развита методика расчётов туманов конденсации и туманов расширения при понижении атмосферного давления, основы которого разработаны Амелиным А.Г.

Получена формула, позволяющая определить необходимое понижение температуры воздуха до температуры точки росы при различных условиях образования тумана:

ЛГ = 0 115Г1п — (20)

Ч>

и уравнение влажной адиабаты

С„ • /и Г- -• 1пР + 0,623 —= const (21)

р А РТ v '

Рис 2 Профиль скорости ветра над поверхностью водохранилище!) Воронежское 1-1-над водой, 2-2 - на

берегу,

• — ■ Можайское Г-Г-над водой, 2'-2'-на берегу

Таким образом, прогнозирование туманов конденсации в акватории водоема, связанных с адиабатическим расширением при понижении давления воздуха всегда возможно при известном прогнозе изменения барометрического давления.

Анализ результатов экспериментальных исследований конвективных потоков в атмосфере института прикладной геофизики АН РФ и результатов наших натурных наблюдений метеорологических параметров позволил оценить высоту границы тумана от уровня водной поверхности. Граница тумана для Воронежского водохранилища может быть оценена высотой 12м.

На рис.3 представлены начальные условия появления тумана над поверхностью воды при <р = 80%

20 30 40

температура воды

Рис.3.

Для условий наличия тумана дана оценка распределения атмосферных загрязнений над акваторией водохранилища.

Следуя А.Г.Амелину,

рассматривался монодисперсный туман конденсации с концентрацией капель N в момент времени I и монодисперсная аэрозоль, которая падает со скоростью в слой

тумана, при этом аэрозольные частицы определены медианным диаметром <150, а концентрация этих частиц - п.

Поскольку, для первого приближения, мы ограничиваемся рассмотрением монодисперсной системы, то доля аэрозольных частиц, захваченных за 1 сек. равна

р = (22) 4

где К - коэффициент захвата.

Полученные в работе математические модели распространения вредных веществ в атмосфере и поверхностном слое водоёма и аналитические зависимости обоснованы исследованиями других авторов при изучении ими оседания вредных веществ от промышленных предприятий на поверхность земли, исследованиями института прикладной геофизики АН РФ, а также нашими натурными исследованиями.

В четвёртой главе рассмотрены эколого-экономические аспекты работы, содержащие методику прогнозирования предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха, алгоритм прогнозной оценки загрязнения поверхностного слоя водоема промышленными атмосферными выбросами, конкретные рекомендации по расчёту, проектированию и внедрению технических средств обезвреживания промышленных выбросов.

Предложен новый методический подход к прогнозной оценке предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма, позволяющий прогнозировать параметры водоёма и требуемый уровень изменения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух для регионов с плотным и рассредоточенным расположением источников выбросов.

За целевую функцию принята функциональная зависимость суммы

предотвращённых экологических ущербов водным ресурсам

от затрат и реализуемых мер по снижению негативного воздействия источников промышленных и автотранспортных выбросов в атмосферу

вблизи водоёма , то есть:

(23)

.-I у-1

Общий предотвращённый ущерб ресурсу водоёма представляется зависимостью:

У,= Ёй Л+1>у (24)

1 = 1 у-1

где <2, - объём потребления воды предприятием, пригодной для технологических нужд; Зу, - удельная стоимость единицы потребляемой воды; М] - требуемое к снижению количество ]-го ЗВ для требуемого повышения качества волы рыбохозяйственного и рекреационного значения; а I - доля влияния 3 -го загрязнителя на качество воды водоёма от общей суммы загрязнителей, включая сточные воды.

Если за предельное значение предотвращённого экологического ущерба У„ принять состояние водоёма, при котором концентрации ЗВ, поступивших из атмосферного воздуха в воду за длительный расчётный период времени, не превысят ПДК, тогда отношение У/ У0 будет выражать относительный экологический параметр водоёма. Аналогично и отношение 3,/30 также будет выражать при прогнозировании требуемую степень материального, финансового и организационного воздействия.

Функциональная связь предотвращённого экологического ущерба от мер на его достижение для каждого вида ЗВ предлагается при обозначении у = У, / У0 и х =3, / За в виде:

Зависимость (25) в наибольшей степени отвечает режимам состояния качества водоёма, поскольку она адекватно выражает логические условия режима исследуемой системы в городских условиях "атмосферный воздух -водоём". Были также исследованы зависимости у = х е 0'*' и у = х2-е а'х>.

Полученные сравнительные данные этих зависимостей приведены на рис.4.

м> м «д м> л* 1 ;—-

441

•5 Г

г У (

<м Л 7 С Г 1

им^ммимм 1Л цл га м з^х

Рис.4. Зависимость относительного предотвращённого экологического ущерба от затрат на снижение выбросов: 1 - зависимость у = хе °'х>, 2-у =х2г(,-'\Ъ-у-х'-е^Ц-х.

Видно, что кривые 1,2 не выражают принятую логику поведения системы "атмосферный воздух - водоём".

Предложен алгоритм прогнозируемого уровня снижения атмосферных загрязнений, воздействующих на санитарно-химические показатели водоема и аналитическая зависимость определения комплекса КОП (категория опасности предприятия), которую можно применить к оценке загрязнения водоёмов и контролю за их загрязнением с применением ЭВМ.

Рассмотрена структура суммарного эколого-экономического эффекта от внедрения мероприятий по улучшению качественного состояния водоёмов и воздушной среды, методика расчёта приведена в работе. Представлены технико-экономические, и экологические обоснования внедрения схем компоновки техническими средствами систем обезвреживания промышленных атмосферных выбросов.

Приложения содержат результаты натурных исследований динамики средних и максимальных концентраций диоксида азота, диоксида серы, азота аммонийного, никеля, цинка, железа, нефтепродуктов как в акватории водохранилища, так и в водоёме, а также результаты исследований химического состава воды, акты внедрения работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

которые не дают возможность прогнозировать тепло - массообмен между поверхностным слоем водоема и газовоздушной средой, отсутствуют зависимости расчёта концентраций загрязняющих веществ на уровне поверхностного слоя водоемов.

2. Разработана математическая модель, позволяющая в отличие от известных, учитывать захват водяными каплями тумана загрязняющих веществ, эффективность их захвата, определять количество загрязняющих веществ, проходящих через поверхность раздела фаз «воздушная среда -водная поверхность», рассчитывать концентрацию загрязняющих веществ в воздухе и в зоне приводной среды, что позволяет дать экологическую оценку ущерба. Установлено, что над водной поверхностью вода поглощает примеси и поэтому их концентрация непосредственно у поверхности воды снижается. Показано, что концентрация вредных веществ в условиях тумана в течение часа снижается на 40%.

3. Получены аналитические и критериальные зависимости, позволяющие определять касательные напряжения трения у поверхностного слоя водоёма, частоту загрязнения водоема атмосферными выбросами при различных направлениях ветра и его скорости, что позволяет оценить вклад промышленного объекта в загрязнение окружающей среды при различных режимах его работы, включая аварийные ситуации.

4. Разработана теоретико-вероятностная модель распространения в атмосферном воздухе аэрозолей пыли, дыма и газообразных вредных веществ и номограмма, которые позволяют определить скорость потока ветра, когда частица в этом потоке неподвижна, описать траекторию и скорость вращения аэрозольной частицы, время её перемещения от источника загрязнения атмосферы до поверхностного слоя водоёма и расстояние, на котором происходит выпадение вредных веществ на поверхностный слой воды, что даёт возможность прогнозировать ситуации, угрожающие экологической безопасности водоёмов.

5. Представлена математическая модель распространения в атмосферном воздухе вредных веществ от работающих двигателей автомобилей, которая позволяет оценить вероятность загрязнения водоёма выбросами автотранспорта Установлено, что высота источника выброса от автомобилей, рекомендуемая ОНД-86 принимать равной 5м от уровня земли, не отражает реальной картины загрязнения приземного слоя атмосферы. Вероятность обнаружения выхлопных газов автомобиля в интервале 0,5-2,Ом от уровня земли составляет 75,8%, на высоте 5м - 0,01%.

6. Разработана методика обработки результатов натурных наблюдений за метеорологическими параметрами в акватории водоёма, которая даёт возможность получить статистические модели распределения температуры поверхностного слоя воды и окружающего воздуха, распределение абсолютной, относительной влажности воздуха и дефицита влажности, распределения скорости ветра над водной поверхностью и установить граничные условия образования тумана, а также воздействие

волнообразующих факторов на снижение концентрации загрязняющих веществ.

7. Предложена методика прогнозирования предотвращённого экологического ущерба ресурсам водоёма при охране атмосферного воздуха, позволяющая, в отличие от известных, учитывать характерные особенности водоёма и региона, где он расположен, плотность размещения выбросов, прогнозировать параметры водоёма и требуемый уровень снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. Разработан алгоритм прогнозной оценки загрязнения окружающей среды атмосферными выбросами, который может быть положен в основу контроля за загрязнением водоёма с помощью ЭВМ.

8. Реализованы экологически безопасные системы обезвреживания атмосферных выбросов промышленных предприятий Левобережного и Железнодорожного районов города Воронежа, расположенные на расстоянии до 40 высот источника загрязнения атмосферы и мероприятия областной целевой программы, обеспечивающие эколого-гигиеническую безопасность Воронежского водохранилища и реки Воронеж, что позволило сократить удельный вес проб воды, не отвечающих гигиеническим нормам по санитарно-химическим показателям с 40% в 2000 году до 13,7% в 2005году.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Полосин И.И., Скрыпник А.И., Жуков С. А., Крайников В. А. Экологическая безопасность внутригородских водоёмов (на примере Воронежского водохранилища). Воронеж, ВГАСУ. - 2005. - с. 100. Лично автора 58с.

2. Жуков С.А. Некоторые проблемы экологического состояния Воронежского водохранилища и его влияния на окружающую природную среду. II Первая международная научно - практическая конференция «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ». - Воронеж, 2003. - с. 13 - 19

3. Жуков С.А., Кондауров В.И., Енин Д.В.,Белокуров В.П. Экологические и правовые аспекты городских дорог, примыкающих к водохранилищу.// Первая международная научно - практическая конференция «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ». - Воронеж, 2003.

с.74 - 81.- Лично автора - 5с.

4. Скрыпник А.И., Полосин И.И., Жуков С.А. Прогнозирование экологического ущерба ресурсам водоёма при мерах по охране атмосферного воздуха в городской среде.// Экология и промышленность России № 7., 2005. - с.38 - 42. Лично автора - Зс.

5. Полосин И.И., Жуков С.А., Крайников В.А. О граничных условиях при расчёте рассеивания вредных веществ в атмосфере.// Вестник № 2 ВГАСУ. Воронеж, 2005. -с.127 - 131. Лично автора-Зс.

6. Суровцев И.С., Жуков С.А., Крайников В.А. Загрязнение приземного и приводного слоя атмосферы выбросами вентиляционных источников. // Вестник № 3, ВГАСУ, Воронеж, 2005. - 121 - 125.Лично автора Зс.

7. Жуков С.А., Крайников В.А., Полосин И.И. К определению местоположения максимальной приземной концентрации вредного вещества из одиночного вентиляционного источника загрязнения атмосферного воздуха. // Вестник № 3, ВГАСУ, Воронеж, 2005.- с.116 - 120. Лично автора-4с.

Условные обозначения.

А - архимедова сила; - критерий Стэнтона; М - масса выбрасываемого вредного вещества, г/с; V - пульсационная скорость движения среды в пограничном слое, м/с; I - длительность воздействия выбросов на поверхность водоёма, с; N11, Ие, Рг - критерии Нуссельта, Рейнольдса, Прандля; Б - площадь зеркала водоема, захватываемая выбросом, м2; Т - абсолютная температура, К.

ЖУКОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И АВТОТРАНСПОРТНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ НА САНИТАРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВНУТРИГОРОДСКИХ

ВОДОЕМОВ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность: 25.00.36. - Геоэкология

Подписано в печать23.^/, ^Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1,2 Усл.-печ.л. 1,3 Бумага писчая. Тираж 100экз. Заказ №41

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

¿OCfo h

ТЛЮ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жуков, Сергей Алексеевич

Введение.

Глава 1. Обзор исследований по загрязнению промышленными и автотранспортными выбросами внутригородских водоемов.

1.1 Характеристика промышленных выбросов, расположенных вблизи водоемов (на примере Воронежского водохранилища).

1.2 Состояние вопроса по прогнозированию воздействия промышленных и автотранспортных выбросов на поверхностный слой водоема.

1.3 Классификация источников загрязнения атмосферы.

1.4 Вклад промышленных и автотранспортных выбросов в загрязнение поверхностных вод водоемов на примере Воронежского водохранилища).

1.5 Обоснование необходимости исследований метеорологических параметров в акватории водохранилища.

1.6 Выводы по первой главе.

1.7 Цель и задачи исследований, научная новизна работы.

Глава 2. Моделирование распространение промышленных и автотранспортных выбросов загрязняющих веществ в атмосфере и поверхностном слое водоемов.

Ф 2.1 Схема рассеивания вредных веществ из одиночного источника загрязнения атмосферы.

2.2 Методы определения распространения промышленных выбросов в атмосфере и подстилающей поверхности.

2.3 Зависимости и положения, обуславливающие сток загрязняющих веществ в поверхностный слой водоемов.

2.4. Физико-химические процессы на границе раздела фаз - "воздушная среда - водная поверхность".

2.5 Теоретико-вероятностная модель распространения в атмосферном воздухе вредных веществ (аэрозолей пыли, дыма), содержащихся в выбросах предприятий.

2.5.1. Основные понятия и расчетные соотношения.

2.5.2. Детерминистическая модель загрязнения акватория водохранилища пылями и дымами.

2.5.3. Теоретико-вероятностная модель загрязнения окружающей природной среды вредными газообразными выбросами.

2.6. Частота загрязнения акватории водохранилища промышленными выбросами.

2.6.1. Основные теоретические сведения.

2.6.2. Определение частоты загрязнения акватории внутригородского водоема на примере Воронежского водохранилища.

2.7. Распространение в атмосферном воздухе вредных веществ от работающих двигателей автомобилей.

2.8. Выводы по второй главе.

Глава 3. Исследование метеорологических параметров над акваторией внутригородского водохранилища и их влияния на загрязнение воды промышленными и автотранспортными выбросами.

3.1. Общие сведения.

3.2. Обработка результатов натурных наблюдений за метеорологическими параметрами.

3.3. Статистическая модель распределения температур поверхностного слоя воды водохранилища и окружающего воздуха.

3.4. Статистическая модель распределения абсолютной и относительной влажности.

3.4.1. Статистическая модель распределения абсолютной влажности.

3.4.2. Статистическая модель распределения относительной влажности.

3.5. Статистическая модель распределения дефицита влажности.

3.6. Статистическая модель испарения влаги с поверхности водохранилища.

3.7. Статистическая модель распределения скорости ветра.

3.7.1. Общие сведения.

3.7.2. Статистическая модель распределения скорости ветра над поверхностью водохранилища.

3.8. Туманы испарения и конденсации в акватории водохранилища.

3.8.1. Образование тумана при турбулентном смешении газов.

3.8.2. Туманы испарения.

3.8.3. Туманы конденсации.

3.8.4. Адиабатическое расширение влажного воздуха (туманы расширения при повышении атмосферного давления).

3.9. Граница слоя конвенции.

3.9.1. Задача Релея для случая двух свободных поверхностей.

3.10. Распределение примеси над акваторией водохранилища при наличии тумана над водной поверхностью.

3.10.1. Общие сведения.

3.10.2. Математическая модель распределения примеси над акваторией водохранилища при наличии тумана. щ 3.11. Подтверждение математических моделей распространения вредных веществ в атмосфере и поверхностном слое водоема натурными исследованиями и исследованиями других авторов.

3.11.1 Натурные исследования загрязнения водохранилища выбросами автотранспорта (на примере Воронежского водохранилища).

3.12. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Прогнозная оценка загрязнения внутригородских водоемов и окружающей среды промышленными выбросами. ; 4.1. Методика прогнозирования предотвращенного экономического ущерба ресурсам водоема при охране атмосферного воздуха. • ' 4.2. Прогнозирование загрязнения окружающей среды ф промышленными выбросами.

4.2.1. Алгоритм прогнозной оценки загрязнения окружающей природной среды промышленными выбросами.

4.2.2. Алгоритм расчета прогнозируемого уровня снижения атмосферных загрязнений, воздействующих на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов.

4.3. Технико-экономическое и экологическое обоснование внедрения аппаратов обезвреживания промышленных выбросов.

4.3.1. Эколого-экономические аспекты снижения промышленных выбросов путем внедрения высокоэффективных аппаратов их очистки.

4.3.1.1. Аппараты и технические решения мокрой очистки выбросов, и целесообразность их внедрения на предприятиях и в проектных организациях.

4.3.1.2. Аппараты и устройства очистки выбросов от жидких аэрозольных частиц.

4.4. Выводы по четвертой главе.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов"

Проблема сохранения здоровья населения городов, особенно в местах размещения крупных промышленных комплексов с высоким уровнем загрязнения окружающей среды, крайне актуальна.

Так, например, в настоящее время в г. Воронеже зарегистрировано 13576 так, например, действующих источников загрязнения атмосферного воздуха, основным из них является автотранспорт. На долю последнего приходится 85% от общего валового объема выбросов [27,23].

При этом в выбросах от стационарных источников присутствует 324 наименований загрязнителей, основными из них являются сернистый ангидрид-24%; оксид углерода и диоксид азота по 23,5%; пыль неорганическая-16% от общего объема выбросов. Причем, основная масса данных загрязнителей поступает в воздушный бассейн в результате работы предприятий химических, строительных материалов, электроэнергетики. В числе причин продолжающегося повышения загрязнения окружающей природной среды является слабое оснащение высокоэффективными очистными сооружениями источников выбросов, в том числе источников выброса с концерогенно-опасными веществами. В последние годы отмечается рост автотранспортного парка. Только за последние 7 лет количество легковых автомобилей увеличилось в 1,6 раза, продолжается рост маршрутных такси( в городе их постоянно функционирует более 2 тысяч). Увеличивается выброс таких приоритетных загрязнителей, как сернистый ангидрид, диоксид азота, оксид углерода ( вещества, обладающие раздражающим действием на верхние дыхательные пути и в целом обуславливают риск возникновения легочной патологии). Объемы выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта за 10 лет выросли от 105 тысяч тонн до 131 тысячи тонн в год. При этом, выбросы от автотранспорта превышают выбросы от стационарных источников в 7,2 раза, в том числе объем выбросов оксида углерода от автотранспорта превысил в 28 раз выбросы от промышленных предприятий.

Согласно выполненным расчетам ГУ ЦГСЭН г.Воронежа [102] ежегодно от автотранспорта в воздух поступает более 97150 тонн оксида азота, около 17000 тонн углеводородов, более 8500 тонн оксида углерода, 1500 диоксида серы, 0,06 тонн 3-4 бенз(а)пирена.

Возрастающее антропогенное воздействие на природную среду делает чрезвычайно актуальной объективной оценку экологического состояния территорий городов для своевременной разработки мероприятий, направленных на оздоровление окружающей среды и условий проживания населения.

В крупных промышленных городах, в том числе и в г.Воронеже существует особенность - наличие внутригородского водохранилища со всеми его проблемами. Водохранилище оказывает существенное влияние на условия хозяйственно-питьевого водопользования населения.

Проблемы чистой воды и охраны водных экосистем становится все более острыми по мере исторического развития общества, стремительно увеличивается влияние на природу, вызываемое научно-техническим прогрессом.

Дефицит питьевой воды составляет для города Воронежа около 105 тыс. м3 в сутки [16,32,33].

В настоящее время проблема загрязнения водоемов, расположенных в городской черте и являющихся основным источником воды, является наиболее актуальной.

Созданное в 1972 году в г. Воронеже водохранилище для комплексного решения задач водоснабжения последнее десятилетие стало объектом риска для окружающей среды и здоровья населения.

Расположенное в большей своей части на высокоурбанизированной территории с развитой промышленностью химического, машиностроительного, радиотехнического профиля, требующей значительного водооборота, водохранилище, несмотря на принимаемые отдельные меры на сегодняшний день находится в достаточно бедственном положении.

Воронежское водохранилище представляет собой водоем руслового типа с замедленным водообменном, отсутствием регулирующей емкости и постоянным уровнем воды.

По основным морфометрическим параметрам (объем, площадь зеркала) водохранилище, согласно классификации А.Б.Авакяна [2], относится к классу средних искусственных водоемов, а по средним глубинам - к неглубоким.

Водохранилище вытянуто в меридиональном направлении (север-юг) на 35 км. в 1998-99 гг. АО «Стройинвестиция» проводило гидрометрическое обследование водохранилища с промерами глубин[81].

В табл. 1 в числителе приведены проектные, а в знаменателе - современные морфометрические характеристики и нормативные подпорные уровни воды.

Таблица 1

Наименование Ед. Значение п./п. измерения

1. Нормальный подпорный уровень (НПУ) м 93.0/93.0

2. Форсированный подпорный уровень (ФПУ) м 95,2/95,2

3. Минимальный навигационный уровень не

МНУ) срабатывается

4. Полный объем водохранилища, при НПУ млн. mj 204,0/199,3

5. Площадь зеркала при НПУ км2 70,0/59,9

6. Длина при НПУ км 35/35

7. Средняя ширина км 2,0/1,7

8. Глубина максимальная м 8,4/19,4

Средняя м 2,9/3,3

9. Площадь мелководий глубиной до 2 м км 24,1/19,7

10. Протяженность береговой линии км 85,0/99,3 водохранилища

11. Коэффициент зарегулирования - 0,11/0,11

Средняя ширина водохранилища в настоящее время уменьшилась с 2-х до 1,7 км., площадь зеркала воды при НПУ - с 70 до 59,9 км2, объем воды при НПУ

- с 204 до 199,3 млн. м3, а в тоже время средняя глубина увеличилась с 2,9 до 3,3 м, а максимальная глубина достигла 19,4 м. В 4-х местах водохранилище перегорожено высоко возвышающимися над водой дамбами и мостовыми переходами. Эти сооружения существенным образом влияют на гидрологический, гидробиологический и метеорологический режим водохранилища. В целом оно состоит как бы из ряда самостоятельных водоемов, соединенных между собой в местах мостовых переходов короткими и узкими проливами. Каждому из них присущи свои особенности водообмена, ледотермического и волнового режимов. Морфометрические характеристики каждого из этих участков приведены в табл. 2, причем в числителе - проектные данные, в знаменателе - фактические данные по факту 1998 г., а в процентах -произошедшие изменения.

Таблица 2

Наименование участка Площадь зеркала, км2 Объем, млн. м3 Средняя глубина, м Объем гидромех. работ

1. От плотины до Вогрэсовского моста 25,8/25,6 (-1%) 103,8/104,9 (+1%) 4,0/4,1 (+2%) W=1900 т. м3

2. От Вогрэсовского моста до Чернавского моста 6,5/4,7 (-28%) 19,5/20,4 (+4,5%) 3,0/4,3 (+43%) W=1800 т. м3

3. От Чернавского моста до железнодорожного моста 11,4/8,4 (-26%) 30,2/33,8 (+12%) 2,6/4,0 (+34%) W=6500 т. м3

4. От железнодорожного моста до Чертовицкого 26,3/21,2 (-20%) 50,7/40,2 (-21%) 1,9/1,9 (+0%) W=9200 т. м3

ВСЕГО: по водохранилищу 70,0/59,9 (-15%) 204,0/199,3 (-2,5%) 2,9/3,3 (+14%) W=19400 т. м3

В водохранилище выделяются три зоны: зона мелководья (до 2 м), переходная зона средних глубин (2-5 м) и глубоководная зона (свыше 5 м). Площадь мелководий в настоящее время составляет 19,7 км2 или 33% от площади водохранилища. Основные участки мелководья сосредоточены в районе выклинивания подпора выше Отроженских мостов. Переходная зона средних глубин занимает 30 км2 или 50% от общей площади водохранилища и расположена преимущественно в черте города Воронежа. Глубоководная зона, занимающая 10,2 км2 или 17% от общей площади, приходится на приплотинную часть и на участки, где проводились гидромеханизированные работы. Таким образом, 1/3 площади водоема приходится на мелководные участки. В настоящее время одним из главных методов реконструкции зон мелководий является проведение гидромеханизированных работ с помощью земснарядов. За период существования водохранилища объем гидромеханизированных работ составил 19,4 млн. м3. При этом в последние 10 лет работы не велись, и процессы заиления развиваются в геометрической прогрессии.

Наносы в водохранилище поступают с речным стоком, часть наносов образуется в самом водохранилище под воздействием волн и процессов переформирования берегов, а другая часть наносов попадает в водохранилище с ливневыми и талыми сточными водами и осаждается в местах их выхода, образуя конусы выноса.

Процесс заиления наиболее ярко выражен в верхней части, где оседают основные массы наносов, приносимые рекой. В настоящее время участок водохранилища за окружным мостом уже превратился в зону периодического затопления, где водная растительность уступает место луговой и древесно-кустарниковой. Однако, вследствие непрекращающейся антропогенной нагрузки мелководья возникают и получают все большее распространение в центральной части города в местах выхода коллекторов ливневых и сточных вод.

На этих мелководьях ежегодно бурно разрастается водная растительность. В процессе жизнедеятельности она фильтрует и утилизирует различные химические вещества, которые впоследствии, накапливаясь в продуктах разложения, приводят к вторичному загрязнению.

Кроме этого, заросшие участки значительно снижают скорость водообмена и к тому же они обычно располагаются в стороне от динамичной оси водохранилища, по которой происходит обновление воды.

Поэтому одним из первоочередных и наиболее эффективных водоохранных мероприятий, улучшающих динамику водного режима, могут служить работы по ликвидации мелководных и застойных зон на Воронежском водохранилище с одновременным превращением их в «буферную» зеленую защитную зону, занятую водоохранными лесополосами так называемых «биогенных берегов», которые успешно противостоят ветровой волновой эрозии и служат дополнительным препятствием на пути загрязняющих веществ [81,16,32,46].

Большая часть промышленных выбросов вредных веществ, расположенных вблизи водохранилища приходится на левобережную часть города. На его долю приходится 9,36 тыс. тонн в год загрязняющих веществ при общей суммарной массе выбросов от стационарных источников - 28699 тыс. тонн.

В последние годы возросла деградация природных водных ресурсов. Четко наметившаяся тенденция к их истощению, в сочетании с ростом загрязнения, во многом способны ограничить темпы развития экономики целых регионов. Ухудшение качества воды снижает комфортность среды обитания человека, оказывает отрицательное воздействие на его здоровье.

Воронежское водохранилище, являясь рыбохозяйственным водоемом первой категории в то же время, играет роль водоприемника возвратных вод -дождевых и талых вод, хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод.

В таких условиях к качеству возвратных вод и очистным сооружениям предъявляется высокие требования. Полная проектная мощность правобережных очистных сооружений - 400 тыс. м3/сутки, левобережных - 305 тыс. м3/сутки. Фактическая нагрузка соответственно 350-360 и 280-290 тыс. куб. м./сутки.

В среднем за год с территории города за счет атмосферных осадков в водоем поступает около 35,0 млн. куб. м. [27]. Даже в случае, когда все сточные воды, поступающие в водоем, будут соответствовать нормативам, стабилизировать его гидрохимический режим будет невозможно, если не будут проходить очистку пылегазовые выбросы. Таким образом, прогнозирование негативное воздействие промышленных и автотранспортных выбросов на приводную поверхность водоемов дает возможность своевременно принять меры по обеспечению чистоты приземного слоя воздуха и поверхностного слоя водоема, предъявить повышенные требования к технологическому процессу и оборудованию, к аппаратам очистки выбросов вредных веществ в атмосферу, найти решения по реконструкции и строительству предприятий и автодорог, обеспечивающие лучшее проветривание проездов и заводских площадок и предотвращающие занос вредных веществ в жилые квартиры и к водоему; определить необходимое минимальное расстояние между источником выброса и водоемом.

Расположение водоема внутри городской агломерации, мелководье, тесная гидравлическая связь с подземными горизонтами предопределяют напряженность санитарной ситуации и диктуют необходимость проведения исследований по прогнозированию воздействия атмосферных загрязнений на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Жуков, Сергей Алексеевич

Общие выводы

1. Научно обоснована и доказана целесообразность прогнозной оценки загрязнения внутригородских водоёмов промышленными и автотранспортными атмосферными выбросами. Установлено, что имеющиеся результаты натурных наблюдений метеорологических параметров, определяющих наличие тумана и инверсии в акватории водоемов, представляют собой неупорядоченные числовые множества, которые не дают возможность прогнозировать тепло - массообмен между поверхностным слоем водоема и газовоздушной средой, отсутствуют зависимости расчёта концентраций загрязняющих веществ на уровне поверхностного слоя водоемов.

5. Представлена математическая модель распространения в атмосферном воздухе вредных веществ от работающих двигателей автомобилей, которая позволяет оценить вероятность загрязнения водоёма выбросами автотранспорта. Установлено, что высота источника выброса от автомобилей, рекомендуемая ОНД-86 принимать равной 5м от уровня земли, не отражает реальной картины загрязнения приземного слоя атмосферы.

Вероятность обнаружения выхлопных газов автомобиля в интервале 0,5-2,Ом от уровня земли составляет 75,8%, на высоте 5м - 0,01%.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Жуков, Сергей Алексеевич, Воронеж

1. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. -М.: Академкнига, 1998.-315с

2. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Минск: Университетское, 1990.-240с.

3. Аксенова Е.И. и др. Экологическое моделирование процессов, протекающих в загрязненных водоемах. М.:Ж.»Экология» АН СССР №3, 1978. с.41-44.

4. Алабастер Дж., Ллойд Р. Критерии качества воды для пресноводных рыб. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1984. - 386с

5. Алехин О.А. Основы гидрохимии Л.: Гидрометеоиздат, 1970 - 443с.

6. Амелин А.Г. Теоретические основы образования тумана. М.:Химия.-1972-304с.

7. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции М.: Профиздат, 1965-608с.

8. Белоусов В.В. Теоретические основы процессов газоочистки. — М.: Металлургия. 1988-256с.

9. Беличенко Юп., Лаптев И.П. Проблемы охраны водных ресурсов. -Томск.: Томский университет, 1978. 134 с.

10. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л. :Гидрометеоиздат. - 1975 -210с.

11. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее изменение М.:Мир, 1974-278 с.

12. Вызова Н.Л. О турбулентной диффузии оседающей примеси от точечного источника, расположенного в нижнем слое атмосферы. Труды геофиз. Ин-та АН СССР, №251, 1954. 199-215с.

13. Буштуева К.А., Лифлянд Л.М. О нормировании автомобильных выбросов. Гигиена и санитария, 1998. №12 с.48-52.

14. Вендеров С.Л. Водохранилище и окружающая природная среда. М.: Наука, 1976.-250 с.

15. Воронежское водохранилище: Комплексное изучение, использование и охран. Воронеж, ВГУ, 1986- 188с.

16. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду /под. ред. Г.В. Воропаева, А.Б. Авакяна. М.: Наука, 1986 - 359 с.

17. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. М. .'Экономика, 1986. - 192с.

18. Вуглинский B.C. Водные ресурсы и водный баланс крупных водохранилищ СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 224с.

19. ГОСТ 17.1.1.03-78. Охраны природы. Классификация водопользовании.

20. ГОСТ 17.0.0.02-79. Охрана природы. Метеорологическое обеспечение контроля загрязненности атмосферы, поверхностных вод и почвы. Основные положения.

21. ГОСТ 17.1.3.13-86. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных вод от загрязнений.

22. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Российской Федерации за 1994г. М.:, 1995. 362с.

23. Горбунов В.В., Патрахальцев Н.Н. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. -М.: РУНД, 1998.-241с.

24. Гороховский В.М. Математические методы и достоверность гидрогеологических и инженерно-геологических прогнозов. М.: «Недра», 1977.-73 с.

25. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. - М.:Химия, -1969.-428с.

26. Доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых, водных, лесных ресурсов, состоянии и охране окружающей среды Воронежской области в 2002г. Воронеж: ВГУ, 2003. - 180с.

27. Джувеликьян Х.А. Экология и человек. Воронеж: ВГУ, 1999.-260 с.

28. Жуковский Н.Е. Определение скорости продуктов горения в заводской трубе по фотографиям дыма. Полное собрание сочинений, т.7 -М.: ОНТИ НКТП, 1937 434с.

29. Жуков А.И. и др. Методы очистки производственных и сточных вод. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1977. - 208с.

30. Жуков С.А. и др. Экологические аспекты городских дорог, примыкающих к водохранилищу. (Экологические и правовые' аспекты эксплуатации водохранилищ. Материал первой международн. научно-практ. конференции.-Воронеж, 2003. -74-81с.

31. Закон РФ «Об охране атмосферного воздуха», 1998 г.

32. Закон РФ « О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», 1998г.

33. Залетаев B.C. Экологически дестабилизированная среда. М.: «Наука», 1989.- 148 с.

34. Зарубаев Н.В. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Л.:Стройиздат, 1976.-224с.

35. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник, 4.1. М.: «Металлургия», 1988.-759с.

36. Кароль И. Л. О влиянии приземного слоя атмосферы на распространение тяжелой однородной примеси от высотного мгновенного источника. Изв. АН СССР, серия геофиз., №7, 1959. 31-34 с.

37. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Контроль качества воды. М.: Стройиздат, 1983 .-168с.

38. Константинова З.И. Защита воздушного бассейна от промышленных выбросов. -М.: Стройиздат. 1981. - 103с.

39. Конституция Российской Федерации. М.: «ТД Элит -2000», 2002.80с.

40. Колмогоров А.Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой вязкой жидкости при очень больших числах Рейнольдса // Доклады АН СССР, 1941, т.ЗО, с.290-303.

41. Константинов А.Р. Испарение в природе. Л.:Гидрометеоиздат. 1968. -532с.

42. Комплексные исследования водохранилищ, вып. III., «Можайской водохранилище» М.: МГУ, 1979. - 399с.

43. Косинова И.И., Ильяш В.В. Об изученности донных отложений Воронежского водохранилища. Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ. Материал первой междун. Научно-практ. Конференции. Воронеж. 2003. - с.91-99.

44. Крайников В.А., Полосин И.И. Теоретико-вероятностная модель описания загрязнения двухметрового приземного слоя пылевыми выбросами / Экология промышленного производства. №4, М.: 2003. 36-41с.

45. Крайников В.А., Полосин И.И. Определение дальности видимости при загрязнении приземного слоя атмосферы/ Экология промышленного производства. №3, М.: 2003. 29-31с.

46. Кудерский Л.А. Экология и биологическая продуктивность водохранилищ. М.: «Знание», 1986. - 63с.

47. Кутырин И.М. Охрана воздуха и поверхностных вод от загрязнения. -М.: Наука. 1980. 88с.

48. Кутырин И.М. Охрана водных объектов от загрязнения. Шаги ускорения. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. - 40с.

49. Ламли Дж., Пановски Г. Структура атмосферной турбулентности. Пер. с англ. М.: «Мир», 1996. - 263с.

50. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. статистическая физика, М.: Гостехтеоретиздат, 1952, 1980с.

51. Лейкин И.Н. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. -М.: Химия, 1982., 224с.

52. Левин А.П. Водный фактор в размещении промышленного производства. М.: Стройиздат, 1973. - 165с.

53. Львович А.И. Защита вод от загрязнения. Л.:Гидрометеоиздат, 1977. - 126с.

54. Матвеев JI.Т. Курс общей метрологии. Физика атмосферы Л.: Гидрометеоиздат, 1984 - 751с.

55. Медников Е.П. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Наука. - 1980.- 176с.

56. Метеорология и атомная энергия. Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1971 -648с.

57. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий ОНД-86 Л.: Гидрометеоиздат, 1987-93с.

58. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. -М.: Госкомитет РФ по охране окружающей среды, 1999. 70с.

59. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для автотранспортных предприятий. Минтранс Рф. М.:192

60. Минский Е.Н. Турбулентность руслового потока. М.: Гидрометеоиздат, 1952.- 160с.

61. Мишон В.М. и др. Воронежское водохранилище. Воронеж, 1986.86с.

62. Молчанов П.А. Аэрология Л.М.: ГИМИЗ, 1938 - 398с.

63. Монин А.С. и Обухов A.M. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. Труды Геофиз. ин-та АН СССР, №24 (151), 1954.

64. Нестеров П.М. Экономика природопользования. М.: Высшая школа, 1984. - с.30-35.

65. Негробов О.П. Основы экологии и природопользования. Гидросфера. Учебное пособие. Воронеж: ВГУ, 1997. - 296с.

66. Оболенский В.Н. Метеорология. Т.1 Л-М.: ГИМИЗ, 1938 - 503с.

67. Огнева Т.А. Особенности метеорологических условий приводного слоя воздуха. Труды ГГО, Л.: 1962. с.30-42.

68. Очистка природных и сточных вод. Справочник. М.: Высшая школа, 1994.-333с.

69. Пейн Г. Физика колебаний и волн М.: Мир, 1979 - 389 с.

70. Полосин И.И., Скрыпник А.И. Охрана атмосферы от вентиляционных выбросов. Воронеж. ВГАСА. - 198. - 153с.

71. Полосин И.И., Тройнин В.Е. и др. Устройство для очистки газа. а.с. 1725984, Опубл. 25.04.92; бюл. №14.

72. Полосин И.И., Тройнин В.Е. и др. Фильтр для очистки газа от жидких аэрозольных частиц. Свидетельство на полезную модель №8629, Опубл. 16.12.98; бюл. №12.

73. Полосин И.И., Тройнин В.Е. и др. Фильтр для очистки газа. а.с. 1699535, Опубл. 23.12.91; бюл. №47.

74. Полосин И.И., Тройнин В.Е. и др. Устройство для очистки газа. а.с. 1725986, Опубл. 15.04.92; бюл. №14.

75. Полосин И.И. Динамика процессов промышленной вентиляции. Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н., Воронеж, ВГАСУ, 2001 -31с.

76. Проблемы контроля и обеспечения чистоты атмосферы/ под ред. М.Е. Берлянда-Л.: Гидрометеоиздат, 1975.- 192с.

77. Рамм В.М. Абсорбция газов, М.: Химия, 1976. - 655с.

78. Ревин А.И., Шаев С.И. Методы реконструкции зон мелководий/ Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ. Материал первой междун. научно-практ. Конференции. Воронеж. 2003. - с. 119-123.

79. Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях. РД52.04.52-85. Госкомгидромет СССР, 1987 50с.

80. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС. М.: Энергоиздат, 1981 - 295с.

81. Розанов В.А. и др. Использование и охрана водных ресурсов городов. -М.: ЦНТИ, 1979.-78с.

82. Р. Пентл. Методы системного анализа окружающей среды. М.: Мир, 1979. - сЛ 23-129.

83. Руководство по гигиене атмосферного воздуха. Под ред. К.А. Буштуевой. М.: Медицина, 1976. - с.30-62.

84. С. Батчер, Р. Чарлсон. Введение в химию атмосферы. М.: «Мир», 1977-267с.

85. Сборник законодательных, нормативных и методологических документов для экспертизы воздухоохранных мероприятий Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 318с.

86. Семенченко Б.А. Физическая метрология М.: Аспект-пресс, 2002. -415с.

87. Сидельников В.Е. Механизм самоочищения водоемов. -М.:Стройиздат. 1980. 111с.

88. Скрыпник А.И. Очистка вентиляционных выбросов от химических вредных веществ. Учебное пособие. Воронеж, 2002. 117с.

89. Скурлатов Ю.И. и др. Введение в экологическую химию. М.: «Высшая школа», 1994, 397с.

90. Смирнов В.И. Охрана окружающей среды при проектировании городов. Л.: Стройиздат, 1981. - 167с.

91. Смирнова А.Я. Экология и охрана поверхностных и подземных вод от антропогенного воздействия в регионе ЦЧО. Воронеж: изд-во ВГУ, 1997. -87с.

92. Смирнова А.Я., Бочаров В.Л. Водные экосистемы промышленно-городских агломераций бассейна верхнего Дона//Вестник ВГУ. Серия геология, 1997, №3. с. 102-115.

93. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция, кондиционирование М. - ЦИТП, 2003 - 65с.

94. Тимофеев М.П. Метеорологический режим водоемов Л.: ГИМИЗД983.

95. Фальковская Л.Н. и др. Основы прогнозирования качества поверхностных вод. М.: Наука, 1982. - 167с.

96. Федеральный закон от 10 января 2002 г. №7 «Об охране окружающей среды».

97. Франк-Каменецкий Д.А. диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наук, 1967. - с.50-60.

98. Хастинс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям -М.: Статистика, 1986-94с.

99. Шаприцкий В.Н. Разработка Нормативов ПДВ для защиты атмосферы. Справочник М.: Металлургия, 1990 - 416с.

100. Швыдкий B.C., Ладыгичев М.Г. Очистка газов. Справочник. М.: Теплоэнергетика, 2002. - 310с.

101. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении -М.: Стройиздат, 1978 144с.

102. Щукина Т.В., Полосин И.И. и др. Ударно-инерционный пылеуловитель а.с. 175710, Опубл. 30.08.92; бюл. №32.

103. Эдельштейн К.К. Водохранилища России: экологические проблемы, пути их решения М.: ГЕОС, 1998-277с.

104. Экология и природоохранная деятельность на транспорте. -М.:Трансконсалтинг, 1994.-201с.

105. Экономическая эффективность природоохранных мероприятий для очистки вредных выбросов в атмосферу. Методические указания. Воронеж: ВГАСА, 1995.-34с.

106. Яковлев С.В. и др. Рациональное использование водных ресурсов. -М.:Высшая школа, 1991. 398 с.

107. Hanel В. Beitrag zur Berechnung von Freistraheen mit erhohter Anfangsturbulenz. Luft und Kaltetechnik, 1977. №2. S.63-69.

108. Hanel B. Die Berechnung der Mischungszone eines axialsymmtrischen turbuler Freistrahlen. Luft und Kaltetechnik, 1976. №4. S.193-197.

109. Hay J.S. and Pasqull F. Diffusion from a Continuous sourse in Relation to the Spectrum and Scale of Turbulence. Advances of Geophysics, vol.6, London. 1959.

110. Gonzad O. Untersuchuny uber das Verhalten zweier gegeneinander atrumender Wandstraeen. Gesundheits - Ing. 1972. 93, №10. S.303-308.

111. Lasguile T. Some current work on turbulence in the first few thousand feet above ground. Advances of Geophysics, vol.6, London. 1959.

112. Lattau H.H. Wind Profile, Surface Stress and Geostrophie Drag, Cofficients in the Atmospheric Surface Layer. Advances of Geophysics, vol.6, London. 1959.

113. Lunde K.E. Performance of Equipment for Control of Fluoride Emissions: Ind. Erg. Chem.,50,293-298 (1958).

114. Lund H.F. Industrial Pollution Control Handbook, McGraw-Hill, New York, 1972.

115. Mchelfelder S., Leikert K. Kohlenstaubbrenner mit neidrigem Nox Emissinen, Staub 39., 1979, 11, p.p. 403-404.

116. Nielsen Peter V. Berechnung der Luftbewegung in einem zwangsbeluften Raum. Gesundheits - Ingenieur, 1973, 94, №10. S.299-302.

117. Stein A.C., Boulel R. Fundamentals of Air Polution, 2nd Ed., Academic Press, New York, 1984.

118. Sproll W.T. Air pollution and its Control. Exposition Press, New York, 1972.

119. Vyzkumro Zprava Cistcu vrau chupro sprobovacj motory. Praga., ustovaproVyzkum motorvjch Vosidel. 1955.

Информация о работе

Жуков, Сергей Алексеевич
кандидата технических наук
Воронеж, 2005
ВАК 25.00.36

Диссертация

Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели внутригородских водоемов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы