Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния исследований распространения загрязняющих веществ от выбросов при различных метеорологических условиях 15
1.1 Существующие подходы в проблеме исследования загрязнения атмосферы 15
1.2 Численные методы прогноза загрязнения воздуха 18
1.3 Анализ численных моделей распространения примесей от кратковременных мощных источников загрязняющих веществ в атмосферный воздух 20
1.4 Методы расчета коэффициентов турбулентной диффузии 28
1.5 Методы учета ветра при моделировании распространения примесей 31
1.6 Анализ подходов при расчетах сухого осаждения примесей 32
1.7 Методы расчета вымывания примесей туманами и осадками 34
1.8 Выводы к главе 35
Глава 2 Источники загрязнения и вредные примеси при испытаниях и работе ракетных двигателей 37
2.1 Факторы воздействия на окружающую среду и источники загрязнения, характерные для РКД 37
2.2 Разновидности компонентов ракетного топлива 40
2.3 Особенности эксплуатации, компоненты ракетного топлива и продукты сгорания ЖРД 41
2.4 Особенности эксплуатации, компоненты ракетного топлива и продукты сгорания РДТТ 45
2.5 Выводы к главе 52
Глава 3 Метеорологические характеристики полигонов 53
3.1 Характеристика космодрома «Плесецк» 53
3.2 Характеристика полигона «Геодезия» 55
3.3 Характеристика космодрома «Ясный» 57
3.4 Характеристика космодрома «Байконур» 58
3.5 Характеристики космодрома «Восточный» 63
3.6 Характеристики космодрома «Капустин Яр» 66
3.7 Влияние метеорологических параметров на распространение загрязняющих веществ в атмосфере 66
3.8 Выводы к главе 71
Глава 4 Модель распространения примесей в атмосфере от выбросов ракетных двигателей 72
4.1 Описание численной модели 72
4.2 Численные методы и алгоритмы расчетов системы уравнений модели 75
4.3 Метеорологические параметры 77
4.4 Радиолокационные данные 80
4.5 Результаты проверки модели 87
4.6 Верификация модели 87
4.7 Выводы к главе 93
Глава 5 Результаты расчетов и сравнительного анализа 95
5.1 Результаты расчетов для стационарного источника 95
5.3 Оценка сухого осаждения и вымывания примесей 103
5.2 Сравнительный анализ результатов численного моделирования и оценки воздействия на окружающую среду при испытаниях и эксплуатации ракетоносителей 104
5.4 Некоторые результаты экспериментальных исследований загрязнения окружающей среды при работе ЖРД и РДТТ 118
5.4.1 Оценка экологической безопасности пусков с космодрома «Ясный». 118
5.4.2 Оценка экологической безопасности прожигов РДТТ на полигоне «Геодезия» 121
5.4.3 Оценка экологической безопасности испытаний РН на РДТТ на космодроме «Плесецк» 125
5.5 Выводы к главе 126
Заключение 128
Список литературы 130
Приложение А Сведения о практическом использовании результатов диссертационного исследования 143
- Анализ численных моделей распространения примесей от кратковременных мощных источников загрязняющих веществ в атмосферный воздух
- Характеристика космодрома «Байконур»
- Радиолокационные данные
- Оценка экологической безопасности прожигов РДТТ на полигоне «Геодезия»
Анализ численных моделей распространения примесей от кратковременных мощных источников загрязняющих веществ в атмосферный воздух
Базовым элементом для моделирования пространственно-временной изменчивости трансформирующихся газовых примесей и аэрозолей является модель гидротермодинамики для воспроизведения атмосферной циркуляции, развивающейся над орографически и термически неоднородной подстилающей поверхностью [1, 2]. Для моделирования динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей исходными являются уравнения переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей с учетом процессов фотохимической трансформации и кинетических процессов нуклеации, конденсации и коагуляции.
Перенос многокомпонентных газовых примесей рассчитывается с учетом микрофизических процессов вымывания осадками и туманами. Основные уравнения для скорости измерения концентрации многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей записываются в следующем виде Одним из практически важных разделов наук является изучение процесса распространения примесей в приземном слое атмосферы.
В области численного моделирования переноса загрязнений в атмосфере, в настоящее время, сложилась ситуация, при которой проводимые в мире работы рассматривают отдельные явления и не охватывают их в комплексе. Исследования, посвященные математическому моделированию приземной аэродинамики, появились в нашей стране у академика А.С. Монина [45, 46]. Позже профессор М.Е. Берлянд подхватил научную эстафету [11-15]. Более поздние изыскания такого типа развиты в работах Г.И. Марчука и А.Е. Алояна [1, 2, 38].
Движение атмосферной примеси, которое учитывает турбулентность, а также распространение тепла, влажности и т.д., потом начинает взаимодействовать как единая система. Эта система достаточно сложная, поэтому требует привлечения численных методов. Для решения проблем, отвечающие поставленной задаче, необходима разработка новых математических моделей, которые используют уравнения газовой динамики и законы сохранения вещества.
Предложенная математическая модель движения многокомпонентной воздушной среды, учитывающей транспорт загрязняющих веществ и тепла, фазовые переходы, а также влияние растительного покрова на распространение ЗВ в атмосфере [68]. Авторами был создан комплекс программ «AeroEcology», предназначенный для численного моделирования движения многокомпонентной воздушной среды. На рисунке 1.1 приведен результат численного эксперимента расчета поля температуры, полученного по модели.
Для верификации разработанной математической модели аэродинамики проведен ряд численных экспериментов и выполнено сопоставление результатов расчетов с расчетами, выполненными в среде ANSYS (универсальная программная система конечно-элементного анализа). Для исследования аэродинамики и переноса примеси в городской застройке разработаны нестационарные пространственные микро-масштабные модели, опирающиеся как на использование осредненных по Рейнольдсу уравнений гидродинамики и дифференциальных моделей турбулентности с учетом влияния городской растительности и движущегося автотранспорта (RANS-подход), так и на вихреразрешающее моделирование турбулентности (LES-подход) [65].
На основании выполненных вычислительных экспериментов и результатов сравнительного анализа можно говорить об адекватности предложенной модели исследуемым физическим процессам [65].
Одновременно по результатам практической верификации дифференциальных моделей турбулентности разного уровня замыкания впервые установлено, что при исследовании аэродинамически сложных течений в уличных каньонах с небольшими массивами деревьев, по дну которых интенсивно движется автотранспорт, может применятся «» - модель турбулентности с нелинейной зависимостью компонент тензора анизотропии турбулентных напряжений от компонент тензоров скорости деформации и завихренности.
На рисунке 1.2 представлено векторное поле скорости на фоне поля давления. Показано, что на наветренной стороне цилиндра образуется область повышенного давления, а в области завихрения при этом давление ниже, чем вблизи уже образовавшегося или только формирующегося вихря [65]. По данным работы [118] для моделирования качества атмосферного воздуха применяются модели распространения примесей в атмосфере, которые подразделяются на 2 соответствующих класса:
- модели рассеивания примесей в атмосфере;
- модели загрязнения атмосферного воздуха.
Модели рассеивания атмосферных примесей могут быть использованы в самых различных целях:
- определение соотношений источник – рецептор;
- определение вклада различных источников в суммарные концентрации;
- оценка пространственного распределения концентрации и экспозиции населения;
- оптимизация стратегий снижения объема выбросов и анализ сценариев, связанных с выбросами;
- прогнозирование изменения концентраций загрязнителей во времени;
- анализ репрезентативности станций мониторинга;
- использование моделей как инструментов научных исследований.
Для применения моделей необходимо обладать метеорологической и географической информацией, а также данными об источниках загрязнения и выбросах.
Модели распространения примесей описывают процессы турбулентной диффузии в атмосферном воздухе и могут быть проклассифицированы:
- Эйлеровы модели, позволяющие численно решать уравнения атмосферной диффузии;
- Гауссовы модели, в соответствии с которыми, распределение концентраций характеризуется как гауссовское в горизонтальном и вертикальном направлениях;
- Лагранжевы модели, в которых либо отслеживаются процессы в движущихся массах воздуха, либо используются условные частицы для имитации процессов рассеивания. Модели, построенные на основе рассмотренных уравнений, классифицируются, соответственно, по масштабам атмосферных процессов, а именно:
- макромасштаб (масштаб протяженности 1000 км), при котором атмосферный поток ассоциируется с синоптическими явлениями;
- мезомасштаб (1 км масштаб протяженности 1000 км), при котором воздушный поток находится как в зависимости от синоптических явлений, так и от гидродинамических эффектов (например, от шероховатости подстилающей поверхности и препятствий) и от неоднородностей энергетического баланса;
- микромасштаб (масштаб протяженности 1 км), при котором воздушный поток в основном зависит от характеристик поверхности.
Программная реализация математических моделей на практике представляет собой сложный процесс, учитывающий различные факторы, такие как например: динамику турбулентных воздушных потоков; перенос тепла, частиц пыли и реагирующих газообразных загрязняющих веществ; перенос прямого солнечного и диффузного излучений; влияние излучения на тепловые процессы и фотохимические реакции; динамику водяного пара и капель; конденсацию и испарение; поглощение газообразных загрязнителей каплями.
Наиболее известными реализациями моделей рассеяния газов являются: методика Всемирного банка, методики класса HGSYSTEM, методики, созданные такими организациями как ТNO (Голландия), Det Norske Veritas (DNV Technica) (Норвегия), U. S. Environmental Protection Agency (EPA – агентство защиты окружающей среды США), NIST (Национальный институт стандартов и технологий США), методики класса DEGADIS. Разработанные методики реализуются в виде определенных программных продуктов.
Характеристика космодрома «Байконур»
Настоящее время характеризуется обострением проблем экологического кризиса, который затрагивает в районе космодрома «Байконур» все компоненты окружающей среды: почву, водоемы, атмосферу. Важной отличительной чертой современного периода является повышение требований к экологической безопасности эксплуатации космодрома «Байконур» со стороны местных региональных и республиканских административных органов.
Ракетно-космическая деятельность связана с такими отрицательными явлениями как использование и засорение обширных земельных площадей компонентами ракетных топлив (КРТ), а также химическое, акустическое и тепловое воздействие на различные слои атмосферы [52].
Космодром «Байконур», арендуемый Россией у Республики Казахстан, расположен в Кзыл-Ординской области. Координаты центра космодрома: 46о с.ш., 63о в.д. Площадь космодрома около 10 тыс. кв. км.
По изысканиям в районе космодрома выявлены следующие данные:
- местность пустынная, рельеф незначительно всхолмленный;
- мощность почвенно-растительного слоя - от 0 до 15 см;
- грунтовые воды залегают на глубине 5,3-6,0 м с понижением до 7,5-13,0 м;
- водовмещающими породами горизонта являются пески пылеватые;
- водоупоры - глина верхнемеловая, серая, мощностью до 2 м. Почвы серо-бурые пустынные, гумусность - до 1%.
В результате строительства площадок в границах их территории и за ее пределами первоначальный почвенный слой подвергся значительной эрозии и выветриванию.
В то же время на площадках проведено закрепление песков, высажено большое количество кустарниковой и древесной растительности, осуществляется ее полив.
Наблюдения за стандартными метеорологическими элементами на космодроме «Байконур» производятся в трех пунктах:
- аэродром «Крайний»- с 1956 года;
- аэродром «Юбилейный» с 1981 года;
- метеоплощадка (пл.6) - периодически при проведении опытно испытательных работ. При проведении опытно-испытательных работ, связанных, преимущественно, с пусками ракет-носителей, определяется дальность видимости, высота облаков, проводится зондирование атмосферы и радиолокационная разведка погоды. Данные наблюдений хранятся в виде дневников погоды и других отчетных материалов. Климатическое описание аэродрома «Крайний» составлено в 1984 г. по данным наблюдений за 25 лет с 1957 г. по 1981 г. Данные наблюдений этих пунктов не публикуются и не включаются в климатические справочники.
Основные климатические характеристики и повторяемость направлений ветра приведены в таблицах 3.3. и 3.4 [95].
Характеристика воздействия на атмосферный воздух. На территории Кзыл-Ординской области расположено 40 предприятий, имеющих -938 источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Ввиду отсутствия на территории области постоянных постов Казгидромета по наблюдению за состоянием загрязнения воздуха, судить об уровне загрязнения воздуха не представляется возможным. Тем не менее комиссией Минэкобиоресурсов Республики Казахстан установлено, что общее количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу источниками космодрома «Байконур», составляет 30-35 тыс. тонн в год. Из них на ТЭЦ, котельные и дизельные источники энергии приходится 4-18 тыс. тонн; на автомобильный, железнодорожный и авиационный транспорт 5-12тыс. тонн; на объекты, связанные с компонентами ракетных топлив 2-3 тыс. тонн и прочие источники 2-4 тыс. тонн. При этом основными по массе являются выбросы окиси углерода (около 10 тыс. тонн), сернистого ангидрида (около 10 тыс. тонн), двуокиси азота (3-4 тыс. тонн). Кроме этого, выбрасываются и другие загрязняющие вещества, часть из которых относится к 1 и 2 классу опасности. Инвентаризация сбросов и выбросов промышленных предприятий космодрома, а также территории районов падения ОЧ РН в полном объеме до настоящего времени не проводилась.
Характеристика космической деятельности космодрома как источника воздействия на ОПС. Под ракетно-космической деятельностью (РКД) понимают комплекс мероприятий, направленных на разработку, изготовление, подготовку и эксплуатацию космических средств. К основным этапам наземной эксплуатации космических средств относят: хранение космических средств и КРТ; транспортировка космических средств и КРТ; поддержание космических средств в установленной готовности к использованию по назначению; подготовка РКН к пуску; мероприятия по отмене пуска на различных этапах подготовки; послепусковые ремонтно восстановительные работы (РВР) космических средств, послеполетное обслуживание возвращаемых элементов космических средств.
Летная эксплуатация включает: пуск РКН и вывод КА на орбиту; эксплуатацию отдельных КА; эксплуатацию орбитальных систем КА.
По принятой в настоящее время терминологии к объектам РКД на космодроме относятся: технические и стартовые позиции РКК; объекты наземного комплекса управления (НКУ) и связи; арсеналы, склады техники, хранилища компонентов ракетного топлива; производственные предприятия космической инфраструктуры; жилые городки; районы падения (РП) отделяющихся частей (ОЧ) РКН и полигоны приземления КА (спускаемых капсул КА).
К объектам ОПС, на которые непосредственно воздействует РКН и которые являются объектами охраны в соответствии с действующим законодательством, относятся: атмосферный воздух; поверхность Земли; гидросфера; озоновый слой.
С точки зрения безопасности космических полетов важным является минимизация засорения околоземного космического пространства.
Радиолокационные данные
Современный доплеровский метеорологический радиолокатор ДМРЛ-С (рис. 4.2), предприятие изготовитель ОАО «НПО «ЛЭМЗ» (г. Москва) предназначен [25, 29]:
- для отображения распределения различных метеорологических данных (отражаемости, скорости, ширины спектра, а также в режиме двойной поляризации: дифференциальной отражаемости, фазы, коэффициента кросскорреляции и линейного деполяризационного отношения) на различных высотных уровнях по типу псевдо-CAPPI;
- для расчета и отображения направления ветра до высоты верхней границы обнаружения метеообъектов и вертикального профиля скорости;
- расчета и отображения интенсивности осадков за любой интервал времени;
- определения опасных явлений погоды (град, гроза, шквальные усиления ветра, интенсивный дождь и снег, сильная турбулентность);
- отображения скорости и направления перемещения облачных систем;
- выдачи радиолокационной информации в необходимых форматах. Существенным отличием ДМРЛ-С от аналогов является применение технологии сжатия импульсов с уровнем боковых лепестков сжатия ниже 60 дБ, достигаемое за счет использования последних достижений цифровой техники [25]. Кроме того, применение сложных сигналов позволило сократить излучаемую мощность с сотен до десятков кВт.
Доплеровский метеорологический радиолокатор ДМРЛ-С является первым оперативным сетевым метеорологическим локатором, использующим технологию сложных сигналов. Такие технологии использовались ранее только в локаторах для управления гражданским воздушным движением и в военных целях, и не имеет зарубежных аналогов. Этот метеорологический локатор обеспечивает получение и выдачу в радиусе 250 км в оперативном режиме (раз в 10 минут) метеорологических данных в виде различных карт.
По оценке специалистов, применение сложных сигналов открывает широкие возможности по созданию метеолокаторов следующего поколения. Использование в ДМРЛ-С режима двойной поляризации также значительно расширило его возможности за счет получения принципиально новой информации о структуре наблюдаемых метеорологических объектов. Данная информация стала доступной отечественным метеорологам в оперативном режиме наблюдений.
Программное обеспечение вторичной обработки радиолокационной информации «ГИМЕТ-2010» предназначено для установки на рабочие станции метеорологических радиолокаторов ДМРЛ-СМ для приема, анализа, архивирования и отображения радиолокационной метеорологической информации.
ПО применяется для обеспечения АМЦ аэропортов и автоматизированных систем управления воздушным движением информацией об облачности и связанных с ней опасных явлениях погоды (сильные ливни, грозы, град, шквал) с высокой надежностью и оперативностью в удобном для потребителя виде. ПО ВОИ «ГИМЕТ-2010» позволяет получать карты метеорологических радиолокационных продуктов, а также обеспечивает решение ряда прикладных задач:
- оповещение об опасных явлениях погоды;
- радиолокационное измерение осадков;
- ведение информационного банка данных об облаках и осадках;
- передача данных на абонентские пункты и потребителям. ПО ВОИ «ГИМЕТ-2010» выдает метеорологическую радиолокационную информацию о пространственном распределении облачных образований, зон осадков и грозоградовых очагов, их перемещений и эволюции. Оно обеспечивает работу метеорологов, метеослужб аэропортов, а также специалистов, осуществляющих работы по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы.
Программное обеспечение ВОИ «ГИМЕТ-2010» выполняет функции автоматизированного сбора, обработки, анализа, представления, накопления и хранения радиолокационной информации об облаках и связанных с ними явлениях.
С помощью меню «Карты» можно получить информацию о явлениях:
- «Все метеоявления»: позволяет вывести двумерную карту всех явлений в области обзора;
- «Опасные метеоявления»: позволяет вывести двумерную карту всех явлений в области отображения;
- «Видимость»: позволяет вывести двумерную карту видимости;
- «Верхняя граница»: позволяет вывести двумерную карту верхней границы облаков (рис. 4.3);
- «Интенсивность осадков»: позволяет вывести двумерную карту интенсивности осадков, которая рассчитывается из соотношения = , где – отражаемость на уровне 0,5 - 1 км, – интенсивность осадков мм/ч, и – коэффициенты (рис. 4.4);
- «Нижняя граница»: позволяет вывести двумерную карту нижней границы облаков;
- «Вертикальная интегральная водность VIL»: позволяет вывести двумерную карту водности (суммарное содержание воды в вертикальном столбе пространства, обнаруживаемое радиолокатором).
Оценка экологической безопасности прожигов РДТТ на полигоне «Геодезия»
В данном разделе приведены некоторые результаты экологического мониторинга производственной деятельности ФКП «НИИ Геодезия» по утилизации РДТТ методом прожига в период с 2014 по 2018 годы [48].
Атмосферный воздух является одним из ведущих факторов окружающей среды, влияющим на состояние здоровья населения. ФКП «НИИ «Геодезия» располагается на северо-востоке Московской области в районе г. Красноармейск.
Состояние и загрязненность атмосферного воздуха оценивалось в весенний и осенний периоды 2008 - 2017 годов (таблица 5.10). Отбор проб проводился на семи контрольных и одной фоновой площадках. В отобранных пробах определялось содержание хлористого водорода, оксида алюминия (в пересчете на алюминий), перхлората аммония.
Состояние и загрязненность почв оценивалось в 2014 - 2017 годах в осенние и весенние периоды. Отбор проб проведен на двенадцати контрольных и одной фоновой площадках.
Так, в 2010 году анализ полученных данных обнаруживает наличие перхлорат-иона в 36 из 45 точек обследования (80%) и в 32 (71%) из них выявлено превышение ПДК в почве 2010 года (0,1 мг/кг) в 1,1 - 8,8 раз. Превышение ОДУ, действовавшего ранее (0,3 мг/кг), установлено в 8 точках (18%).
Динамика изменения содержания перхлорат-иона в почве в 2008-2013 гг. и его встречаемость в почвах обследованных территорий представлена в таблице 5.11.
В данном разделе приведены некоторые результаты экологического мониторинга проведенных испытательных пусков на территории космодрома «Плесецк» изделия Ж58 по продлению сроков эксплуатации в период 2008 – 2014 гг [49].
Оценивалось состояние и загрязненность почвы. Обобщённые результаты приведены в таблица 5.13.