Введение к работе
Актуальность работы. В крупных промышленных городах существует особенность - наличие внутригородского водохранилища со всеми его проблемами. Водохранилище оказывает существенное влияние на условия хозя,йственно-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 теплогазосиабжшш_и .в^тиляции с целью
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ| БИБЛИОТЕКА і
экономии ТЭР и защиты 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 расчета 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.
