Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Аэродромы государственной авиации, окруженные типичными застройками различной степени плотности и располагающиеся неподалеку от населенных пунктов, являются одними из наиболее малоизученных источников экологической опасности. Сложность этой проблемы обусловлена тем, что в результате активного использования аэродромов государственной авиации происходит выброс в атмосферу значительных объемов токсичных загрязнителей. Источниками эмиссии служат не только воздушные суда, но и объекты инфраструктуры, а также автотранспорт, привлекаемый для обеспечения полетов государственной авиации [1, с. 42]. Среди выделяемых веществ находятся такие опасные, как этилен, формальдегид, этилбензол, ацетон, бутен, метан и различные углеводороды, включая оксиды углерода, азота, серы, что серьезно вредит здоровью персонала. Распространение этих веществ может охватывать обширные территории и осуществляется двумя основными способами: посредством диффузии и с помощью направленного переноса. Причем изменение концентрации вредных примесей в пространстве и во времени в существенной степени будет зависеть от места выброса, характера подстилающей поверхности, наличия препятствий и застроек, метеорологической обстановки в районе выброса. Учет этих факторов в моделях позволит заблаговременно выявить опасные зоны с высокой концентрацией вредных примесей при различных направлениях и скоростях ветра, а также обеспечить рациональный мониторинг экологического состояния района аэродрома и прилегающей местности [2, с. 38; 3, с.76].

Целью исследования является повышение качества экологического мониторинга путем учета дополнительных параметров распространения вредных примесей на примере территорий аэродромов государственной авиации.

Материалы и методы исследования

В настоящее время мониторинг вредных примесей осуществляется различными способами: измерением, наблюдением, моделированием на основе данных измерений и т.д. Особые трудности вызывает изучение процессов воздействия на окружающую среду, происходящих над сложными ландшафтами с неравномерным рельефом и разнообразной застройкой, из-за проблем с их точным описанием и стандартизацией. Существенное влияние на экологию оказывает государственная авиация на всех этапах ее жизнедеятельности: это эксплуатация и ремонт как самого воздушного судна, так и обслуживающей его спецтехники.

При сгорании топлива в двигателях воздушных судов образуются выхлопные газы, которые содержат воздух, прошедший через двигатель, который практически не изменяет своего химического состав. В момент полного сгорания авиационного топлива образуются углекислый газ и водяной пар. Но так как авиационное топливо по ряду причин сгорает не полностью, образуются такие вещества, как углеводороды, СО, водород и копоть. Также в топливе содержится сера, а при сгорании образуются ее окислы. И другие химические элементы, входящие в состав камеры сгорания двигателя, и металлы, содержащиеся в топливе [4, с. 120].

Эти двигатели являются источниками большого выброса вредных примесей. В условиях отсутствия или при малых значениях ветра формируются зоны смога, в которых накапливаются вредные вещества, особенно в режимах взлетно-посадочного цикла, когда практически невозможно обеспечить благоприятные условия сгорания авиационного топлива [5, с. 131; 6, с. 94; 7, с. 677].

Отбор и анализ материалов вредных примесей (окись углерода CO, углеводороды CH, окислы азота NOX, серы SOX и частиц авиационного керосина) для исследования проводился по установленным стандартам и методикам сертифицированной лаборатории ФБУЗ центра гигиены и эпидемиологии г. Воронежа в период с 2019 по 2020 г.

Результаты исследования и их обсуждение

Планируется разработать методику для выявления параметров загрязняющих веществ в окрестностях аэродромов государственной авиации.

Использование газотурбинных двигателей в режиме взлета и посадки летательного аппарата приводит к значительному загрязнению вредными веществами (рис. 1).

В ходе эксплуатации газотурбинных двигателей отработанные газы постепенно охлаждаются и конденсируются в ветровом потоке, в результате чего происходит каплеобразование неотработанных газов авиационного топлива. Радиус капель авиационного керосина может составлять от 50 до 700 мкм, а мелкодисперсные его частицы могут распространяться до 2500 м от точечного источника.

Рис. 1. Основные режимы цикла, влияющие на загрязнение приземного слоя в районе аэродрома: 1 – посадка, 2 – взлет

Рис. 2. Схема экологического мониторинга воздушных масс на территории аэродрома с учетом особенностей источника загрязнения

На концентрацию вредных примесей влияет наличие ветра, рельеф местности, плотность аэродромных застроек, а также интенсивность использования аэродромов государственной авиации [8, с. 131; 9, с. 46]. На рис. 2 представлена схема экологического мониторинга воздушных масс на территории аэродрома государственной авиации с учетом особенностей источника загрязнения.

Основные этапы экологического мониторинга воздушных масс на территории аэродрома государственной авиации с учетом особенностей источника загрязнения заключаются в следующем:

На начальном этапе осуществляется всесторонний сбор информации и анализ участка исследования для выявления потенциальных источников загрязнений, а также изучаются особенности местности, включая конфигурацию рельефа, расположение зданий и других объектов, их геометрическую форму, удаленность от источника выброса вредных примесей и прочие элементы, необходимые для расчетов. Производится измерение температуры и относительной влажности воздуха с использованием сертифицированных гидрометеорологических приборов в приземном слое.

С использованием выражения (1) определим значение концентрации вредных примесей в приземном слое при выбросе газовоздушной смеси из одиночного точечного источника:

C0i = (4MiВП t) / (πD2Vв.п ), (1)

где MiВП – масса выброса взлет (посадка), t – время работы двигателя в заданном режиме, D – диаметр сопла, Vв.п – скорость ветрового потока.

C0 = ∑C0i . (2)

В процессе всесторонней оценки уровня загрязнения применяется методика, основанная на преобразовании концентраций разнообразных вредных веществ к эквиваленту оксида углерода, согласно уравнению, представленному ниже:

, (3)

где kпр i – коэффициент, который используется для преобразования концентрации i-го загрязнителя к эквивалентной концентрации оксида углерода:

k пр CO = 1, k пр NOx = 41,2, k пр CnHm = 3,2.

Использование разработанного подхода для комплексного анализа экологических рисков аэропортов способствует точному определению уровня влияния авиационного загрязнения на природу.

Рассчитывается или измеряется начальная концентрация выброса. Определяется скорость и направление ветра в районе источника выброса, также рассчитывается поле скоростей и значение концентрации примесей для заданного района исследования с учетом особенностей рельефа, наличия растительности, геометрических характеристик.

Далее осуществляется прогноз, определяются зоны с концентрацией вредных веществ, превышающей ПДК для окиси углерода СО (ПДКмр = 5,0 ПДКсс = 3,0), углеводород СН (ПДКмр = 5,0 ПДКсс = 1,5), окислы азота NOx (ПДКмр = 0,085, ПДКсс = 0,04), окислы серы SOx (ПДКмр = 0,05 ПДКсс = 0,5).

На следующем этапе в наиболее вероятных зонах с превышением ПДК устанавливаются пункты контроля, производится серия измерений концентрации вредных веществ, значения которых сравниваются с расчетными. При небольших различиях в среднеквадратическом отклонении результатов (не более значения естественной изменчивости концентрации вредных веществ) замеров с данными модели принимается решение о доверии к данным.

Осуществляется прогноз на заданный срок скорость и направление ветра на высоте распространения примеси. В случае его отклонения от фактических значений производится перерасчет поля концентрации вредных веществ. При изменении направления ветра положения пунктов контроля корректируются.

При выявлении районов с превышением ПДК принимаются меры к снижению негативного влияния вредных веществ на личный состав. В таблице указана общая масса выбросов вредных примесей в приземном слое атмосферы от воздушных судов за год в районе интенсивного использования типового аэродрома государственной авиации расположенного в Центральном федеральном округе.

Анализ таблицы показывает, что масса выбросов варьируется в диапазоне от 80 до 62244 кг в год. Такое количество вредных веществ, при их локализации в отдельных местах на аэродроме, может оказать значительный негативный эффект на состояние летного и обслуживающего персонала (рис. 3).

Общая масса выбросов вредных примесей в приземном слое атмосферы от воздушных судов за год

Рис. 3. Зоны с завышенными значениями вредных примесей за год в районе аэродрома

Для проведения оперативного экологического мониторинга необходимо предложить методику оценки возможного превышения ПДК в ожидаемых метеоусловиях для каждой зоны аэродрома. Такой подход также позволит рассчитать годовую нагрузку на исследуемую территорию и выявить наиболее опасные аэродромные зоны для разработки рекомендаций по минимизации нахождения в них персонала аэродрома.

Во время работы авиационных двигателей в приземном десятиметровом слое возникают повышенные значения концентрации вредных веществ, что подтверждается многократными замерами проб воздуха в различных точках аэродрома. Для определения значения концентрации вредных веществ воспользуемся уравнением

, (4)

где С – расчетные значения уровня концентраций загрязняющих элементов, Q – интенсивность эмиссий загрязняющих веществ от авиационного двигателя [10, с. 115], fx fy – коэффициент для описания процесса разбавления облака контаминантов при переносе его по оси абсцисс и координат в контрольных точках.

Мощность выброса вредных веществ воздушного судна определяется по формуле

, (5)

где n – количество двигателей, установленных на воздушное судно, Wj – скорость эмиссии, tj – время работы двигателя в j-м режиме.

На рис. 4 показано распространение вредных примесей от точечных источников (самолета) при движении по взлетно-посадочной полосе с интервалом 10 м по оси Х [11, с. 30].

Выбросы от точечных источников распространяются атмосферным воздухом, при этом на характер их распространения значительно влияет геометрия и плотность застройки на аэродроме.

Из рис. 5 очевидно, что архитектурная конфигурация и планировка зданий на типовом аэродроме государственной авиации, расположенном в Центральном федеральном округе, а также характеристики подстилающего ландшафта играют ключевую роль в процессе диффузии и концентрации загрязняющих веществ в районе аэродрома [12, с. 25]. В то время как здания и сооружения, расположенные на его территории, способствуют неоднородному распределению вредных примесей.

Рис. 4. Схема распространения вредных примесей при взлете (посадке) воздушного судна как совокупность точечных источников

а) юго-западное б) юго-восточное

Рис. 5. Изолинии модуля вектора относительной скорости потока в сравнении с потоком при отсутствии зданий и лесных массивов при а) юго-западном, б) юго-восточном направлении ветра на высоте 10 м, где ■ – пункт контроля

Особенно высокие уровни загрязнения наблюдаются в зонах, где здания сгруппированы вплотную друг к другу, что способствует застою и повышенной концентрации вредных веществ.

В зоне лесопосадок скорость ветра снижается вследствие взаимодействия с растительностью, что приводит к уменьшению концентрации вредных веществ в воздухе. Анализируя данные, полученные в ходе численного моделирования с применением микромасштабных моделей, можно выявить увеличение интенсивности турбулентности у земной поверхности в ветровых потоках, особенно за строениями на их подветренной стороне и в районе насаждений.

Как видно из рисунка, форма, геометрия зданий и сооружений, характер подстилающей поверхности оказывают существенное влияние не только на перенос вредных примесей в районе аэродрома, но и на их концентрацию. Здания вносят существенный вклад в распределение вредных примесей. Причем максимальная концентрация образуется за зданиями, которые располагаются близко друг к другу.

Заключение

Таким образом, исследование позволяет определить характеристики распространения вредных примесей в районе расположения аэродрома государственной авиации, рассчитать динамику изменения концентраций как в непосредственной окрестности от источника вредных примесей, так и на удалении от него. Имея информацию о ветровых характеристиках, с учетом начальных и граничных условий, используя данный алгоритм, можем рассчитать изменение концентрации вредных примесей в различных точках пространства. Зная места расположения неблагоприятных экологических зон на территории аэродромов, появляется возможность точнее планировать расположение пунктов контроля для повышения качества экологического мониторинга воздуха.