Введение
Актуальность темы исследований. Исследование процессов в системе «природа - общество» является одной из основных проблем современной географической науки.
В настоящие время одной из важн ых задач является анализ влияния хозяйственной и иной деятельности человека на загрязнение и деградацию окружающей природной среды на региональном и локальном уровнях.
К числу недостаточно изученных локальных природно-технических геосистем относится аэродромный комплекс, на территории которого происходит техногенное загрязнение приземного слоя атмосферы в результате эксплуатации авиационного и автомобильного транспорта [40,47].
Данная природно-техническая геосистема включает в свой состав техногенную подсистему, выполняющую социально-экономическую функцию подготовки и производства полетов воздушных судов. По площади аэродромы занимают территорию от 10 до 25 км2 при размерах приаэродромной территории - 800-2000 км2. В зависимости от класса аэродромов, типов воздушных судов и интенсивности их эксплуатации создаются локальные микро-масштабные очаги загрязнения окружающей природной среды (в первую очередь, ее подсистемы «воздушная среда»), которые оказывают негативное техногенное воздействие на экологическое состояние прилегающих территорий и здоровье обслуживающего полеты персонала.
Данная ситуация требует проведения геоэкологической оценки состояния приземного слоя атмосферы территории аэродромного комплекса на основе анализа пространственного распространения загрязняющих веществ от наиболее существенных источников техногенного загрязнения с учетом их совместного воздействия на окружающую среду.
В связи с этим, приобретает актуальность оценка степени загрязнения приземного слоя атмосферы от аэродромных источников и принятия обоснованных и своевременных природоохранных мероприятий для снижения негативного воздействия на окружающую среду и обеспечения экологической безопасности территории аэродрома.
5
Целью диссертационной работы является геоэкологическая оценка приземного слоя атмосферы на территории аэродромного комплекса и определе-г- ние пространственных размеров загрязнения от авиационной и автомобильной
. техники с учетом определенных метеорологических условий.
f Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие
задачи исследования:
(ч' - провести экспериментальные исследования фактических выбросов от ав-
томобильного и авиационного транспорта на территории аэродромного комплекса при метеорологических условиях, способствующих сохранению загрязняющего облака;
- разработать модели расчета концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы на территории аэродрома при воздействии на него основных техногенных источников воздействия аэродромного комплекса;
- оценить успешность предлагаемых моделей;
- произвести зонирование исследуемой территории аэродромного ком-it, нлекса и выявить зоны с различной степенью экологической опасности
для здоровья обслуживающего персонала;
- проанализировать метеорологические условия, при которых использование данных моделей будет наиболее эффективно;
- разработать природоохранные мероприятия по обеспечению экологической безопасности и снижению негативного воздействия на приземный слой атмосферы в районе объектов аэродромного комплекса.
^ Объект исследования - геоэкологическое состояние приземного слоя
атмосферы на территории аэродромного комплекса - локальной природно-технической геосистемы.
Предмет исследования - геоэкологическая оценка загрязнения воздуха
^ от авиационного и автомобильного транспорта в районе площадки предвари-
тельной и предполетной подготовки полетов на аэродроме г. Воронежа.
ч
В качестве исходных данных использовались экспериментальные наблюдения за состоянием воздушной среды в районе военного аэродрома города Воронежа за период с 1999 по 2002 гг. В качестве загрязняющих веществ были определены оксид углерода и диоксид азота. Измерения концентрации загряз-
ИЯЮ1ЦИХ веществ произведены на стационарных и передвижных постах в период производства полетов. г. Научная новизна:
, - экспериментальным путем определены границы пространственного рас-
f иространения загрязняющего облака при работе двигателей авиационно-
го и автомобильного транспорта на различных режимах и при их взаимо-*,• действии;
- предложены модели расчета концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы от авиационного и автомобильного транспорта
% на исследуемой площадке аэродромного комплекса с учетом их совме-
t стного воздействия;
- проведено зонирование исследуемой территории аэродромного комплекса по степени экологической опасности для здоровья обслуживающего персонала в период производства полетов;
- предложены природоохранные мероприятия по снижению экологическо-(, го риска на территории аэродромного комплекса.
Основными методами исследования являются методы численного мо-Н делирования и статистической обработки исходных данных.
Методологической основой для выполнения данной диссертационной * работы послужили теория и практика геоэкологических исследований, изло-
, женных в работах B.C. Преображенского, Б.И. Кочурова, А.Д. Данилова, С.Л.
Куролапа, В.А. Луканина, В.П. Подольского, В.Г. Ененкова, В.Е. Квитка и др. Теоретическая значимость. Предложенные модели расчета концентрации загрязняющих веществ от авиационного и автомобильного транспорта в V отдельности и с учетом их совместного техногенного воздействия позволяют
более объективно оценить геоэкологическое состояние приземного слоя атмосферы аэродромного комплекса.
Практическая ценность. Выполненная работа направлена на повыше-t ние качества оценки геоэкологического состояния приземного слоя атмосферы
и разработки природоохранных мероприятий по снижению экологической опасности в районе объектов аэродромного комплекса на основе использования предложенных моделей по расчету концентрации загрязняющих веществ.
t
На защиту выносятся:
- результаты экспериментальных геоэкологических исследований концентрации загрязняющих веществ от автомобильного и авиационного транспорта на площадке предварительной и предполетной подготовки;
- модели по оценке концентрации и границ пространственного распространения загрязняющих веществ от авиационного и автомобильного транспорта в период производства полетов;
- анализ геоэкологической ситуации исследуемой территории аэродромного комплекса по степени экологической опасности для окружающей сре-
* ды и обслуживающего полеты персонала на основе предлагаемых моделей;
- комплекс природоохранных мероприятий по снижению негативного воздействия авиационного и автомобильного транспорта и обеспечению экологической безопасности на территории аэродромного комплекса. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены использованием большого объема исходных экспериментальных данных, полученных с помощью со-
"I временных приборов, применением адекватных физических законов для расче-
та концентрации загрязняющих веществ и удовлетворительным совпадением
* численных расчетов и результатов экспериментов.
^ Реализация результатов исследования. Результаты диссертации ис-
пользуются в мониторинговых исследованиях по реализации комплексных программ оздоровления окружающей природной среды, выполняемых Управлением по охране окружающей среды г. Воронежа. Методика оценки геоэкологического состояния приземного слоя атмосферы в районе аэродромного комплекса используется в процессе обучения курсантов по дисциплине "Экология" и при дипломном проектировании по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы» Воронежского высшего военного авиационного инженерного
¦ училища и студентов Воронежского государственного архитектурно-
строительного университета. Материалы диссертации предложены для внедрения в проектных организациях, осуществляющих прогнозную оценку экологического воздействия источников загрязнения на окружающую среду природно-техничсских геосистем .
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на:
- Международном форуме по проблемам науки, техники и образования Академии наук о Земле (Москва, 2004 г.)
- Всероссийских научных конференциях «Совершенствование наземного обеспечения полетов авиации» (Воронеж, ВВАИИ, 1999, 2003г)
- Международной научно-практической конференции «Высокие технологии в экологии» (Воронеж, ВГАСА, 2003 г.)
- Ежегодных научно-практических конференциях ВВАИИ (Воронеж, ВВАИИ, 1999-2004 гг.)
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 научных статей.
Личный вклад автора заключается в производстве, анализе, статистической обработке данных натурных наблюдений, разработке моделей техногенного экологического воздействия объектов аэродромного комплекса на приземный слой атмосферы, формулировании выводов и выработке практических рекомендаций по снижению уровня экологической опасности исследуемой территории.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 111 источников, в том числе 8 на иностранном языке, изложена на 117 страницах машинописного текста, в том числе 18 таблиц и 22 рисунка.
9
1. Анализ методов оценки геоэкологического состояния территории аэродромного комплекса
1.1. Особенности функционирования объектов аэродромного комплекса
Современный воздушный транспорт на определенных этапах производства полетов является частным видом транспортно-дорожного комплекса стра-ны, изучение антропогенного воздействия которого является вопросом Феде-ральной комплексной научно-технической программы «Экологическая безопасность России» [20].
Авиационная техника и наземная инфраструктура, обеспечивающая ее функционирование, способны оказывать значительное воздействие на окру-жающую природную среду.
Несмотря на то, что по данным Федеральной службы воздушного транспорта России (ФСВТ России) за 2002г. не произошло существенного увеличе-ния вклада гражданской авиации в загрязнение окружающей среды, непреднамеренный вклад этого вида транспорта достаточно велик.
Последствия этого воздействия могут лежать в широком диапазоне: от экологического загрязнения воздушной среды выбросами авиационными дви- гателями продуктов сгорания в атмосферу до разрушения сложившихся биогеоценозов.
В 2002г., по расчетно-экспертным оценкам, валовые выбросы вредных веществ составили НО тыс. т., из них 62 тыс. т. оксидов азота, 52 тыс. т. оксида углерода, по 13 тыс. т. несгоревших углеводородов и оксидов серы.
Некоторое сокращение суммарных выбросов в последние годы, при незначительном увеличении наиболее опасных ингредиентов, можно объяснить уменьшением количества полетов при одновременном увеличении средней продолжительности полетов и несовершенством самой системы оценки этих показателей.
10
Следует отметить, что отсутствие целевой системы учета выбросов от воздушных судов в авиации не позволяет адекватно оценить наблюдаемые тенденции. Необходимость создания такой системы общепризнанна, однако, ее осуществление откладывается из года в год. Данные, представленные в таблице 1.1, выполнены на основе имеющейся отчетности российских авиакомпаний о количестве и средней продолжительности полетов по отдельным типам воздушных судов. При этом принимается априори относительный паритет по ко- личеству полетов воздушных судов зарубежных авиакомпаний в России и воздушных судов отечественных авиакомпаний за рубежом. Существенные по-грешности оценок также связаны с отсутствием данных о характеристиках выбросов некоторых типов воздушных судов. В целом, погрешность таких оценок достаточно велика. В этой связи, более осторожно следует говорить о приблизительном сохранении уровня выбросов по сравнению с предыдущими годами, имея в виду, что точный учет использования воздушного пространства России зарубежными и военными воздушными судами, в том числе сквозных транзитных пролетов, может существенно изменить абсолютные показатели выбросов.
В силу специфических особенностей авиации, принято рассматривать выбросы вредных веществ в атмосферу отдельно до высоты 900 метров и выбросы по трассам полета на высотах более 900 метров, оказывающие специфи- ческое воздействие на атмосферу. В приземных слоях атмосферы выбросы вредных веществ происходят при выполнении самолетами взлетно-посадочных операций в районе аэродромов и при опробовании двигателей в процессе технического обслуживания.
По оценкам специалистов, объем этих выбросов в 2002г. составил 32 тыс. т. (23% общего объема выбросов), из них 18 тыс. т. оксида углерода, 6,5 тыс. т. несгоревших углеводородов, 6,3 тыс. т. оксидов азота и 1,2 тыс. т. оксидов серы. Выбросы вредных веществ в атмосферу на высотах более 900 м составили 108 тыс. т. (77% общего объема выбросов), в том числе 56 тыс. т. оксидов азота, 33 тыс. т. оксида углерода, 13 тыс. т. оксидов серы, 6 тыс. т. несгоревших углеводородов.
11
Таблица 1.1
Воздействие воздушного транспорта на окружающую среду на территории аэропортов
Показатель Ед. изм. 2000 г. 2002 г.
Атмосферный воздух (стационарные источники загрязнения)
Выделено вредных веществ, всего тыс. т 26,4 25,6
Выброшено вредных веществ в атмосферу, всего тыс. т 23,1 22,8
Твердых тыс. т 4,7 4,7
жидких и газообразных тыс. т 18,4 18,1
Уловлено вредных веществ, всего % 12,5 10,9
твердых % 16,0 13,0
жидких и газообразных % 16,5 10,4
Оснащенность газоочистным оборудованием % 4,3 4,3
Водные ресурсы
Использовано воды, всего млн. м 36,5 35,8
Водоотведение в поверхностные водоемы, всего млн. м3 6,7 6,6
загрязненных сточных вод (без очистки) млн. м3 2,0 2,0
Приведенная масса сброса со сточными водами вредных веществ усл. т 1770 1680
Оснащенность системами очистки производственных сточных вод % 18 18
Почвы
Образовалось твердых отходов, всего тыс. т 125,0 120,0
производственных тыс. т 43,0 30,0
бытовых тыс. т 79,9 90,0
отходов от самолетов международных авиалиний тыс. т 2,1 2,0
Обезврежено твердых отходов, всего тыс. т - 7,0
Площадь земель, занятых твердыми отходами, всего тыс. м2 122,0 122,0
специальных помещений тыс. м 3,3 3,3
организованных свалок тыс. м 118,7 118,7
Приведенная масса вредных веществ, поступивших в почву, всего тыс. т 18,1 17,4
углеводородов тыс. т 13,0 12,33
тяжелых металлов тыс. т 0,07 0,07
прочих тыс. т 5,03 5,0
12
Загрязнение воздуха в приземном слое крупных аэродромов из-за воздействия загрязняющих веществ (ЗВ), образующихся в выбросах авиадвигателей и спецавтотранспорта сопоставимо с загрязнением, наблюдающимся в цен-
4 тре городов с высокой степенью развития промышленности и транспорта и
t
практически составляет половину загрязняющих веществ, приходящихся на
,, долю авиации [27].
Изучение воздействия выбросов двигателей ВС, AT и объектов АК на за-t грязнение ПСА было начато в США, где отмечалось, что крупные аэродромы,
наравне с автотранспортом, являются локальными источниками загрязне-ния.
В частности, при средней интенсивности (700-800) взлетно-посадочных циклов 60-70% окислов азота выбрасывается авиадвигателями, а в 30-40% - автотранспортом [109], действующим на территории аэродрома.
Измерение концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы
*• (до 10 метров) в зоне аэродромов показали [11], что основными химическими
загрязнителями являются окислы азота, серы и углерода, формирующие облако
контаминантов, которое воздействует на обслуживающий персонал и всю при-
аэродромную территорию.
Почвы и поверхностные воды в районе аэродромов существенно загрязнены углеводородами (70-80%) [40], в том числе тяжелыми, являющимися ^ канцерогенами.
Занимая территориально площадь от 10 до 25 км2 при размерах приаэро-, дромной территории - 750-1800 км2 (в зависимости от класса аэродрома, типов
9 ВС, функций, задач аэродрома и т.д.), объекты аэродромного комплекса авто-
номно могут производить практически все виды строительных, авторемонт-* ных, авиаремонтных и других видов работ с полным циклом жизнеобеспече-
ния, создавая при этом в период максимальной нагрузки антропогенное воздействие на окружающую среду [89].
^ Территориальный рост крупных населенных пунктов, происходящий как
естественный неизбежный процесс урбанизации и ограниченность внутренних
13
территориальных резервов города, заставляют серьезно отнестись с точки зрения экологической безопасности к проблемам окраин, где, как правило, и расположены аэродромы.
Непреднамеренное воздействие объектов АК значительно ухудшает состояние биосферы не только вблизи источников, но и на их удалении, снижая при этом скорость природного круговорота веществ.
Эксплуатация сооружений аэродромного комплекса, обеспечивая жизнедеятельность человека, воздействует на биогеоценоз, то есть практически на все элементы окружающей среды: рельеф, воды, воздух, растительный и животный мир.
При этом, возникает необходимость в определении степени воздействия загрязняющих веществ от основных источников с целью снижения их последствий.
Анализ современных подходов к проектированию, строительству и эксплуатации аэродромов показал, что не существует научно обоснованного подхода, обеспечивающего их безопасную работу в течение заданного периода функционирования в сочетании с экологической безопасностью.
Большинство выполненных исследований и рекомендаций касается частных вопросов охраны воздушной, водной или иной среды обитания от загрязнения.
Па этапе функционирования и эксплуатации сооружений АК имеет место загрязнение воздуха на всей приаэродромной территории, нарушение баланса грунтовых вод, загрязнение грунтовых и поверхностных вод стоками, нефтепродуктами и химреагентами, уничтожение плодородного слоя почвы, исчезновение отдельных видов растительного и животного мира [29].
Перечень основных источников загрязнения приземного слоя атмосферы аэродрома представлена в таблице 1.2.
14
Таблица 1.2 Перечень основных источников загрязнения и загрязнителей
окружающей среды на объектах АК
№ п/п Источники загрязнения Перечень загрязнителей
1 2 3
1 Места сбора хозяйственно-бытовых отходов, локальные очистные сооружения Взвешенные вещества, органические вещества, азот аммонийный, азот нитратный, азот нитритный, синтетические поверхностно активные вещества (ПАВ), нефтепродукты, хлориды, сульфаты, хром трехвалентный, никель, медь, цинк, свинец
2 Котельные на твердом топливе: котельные установки, места складирования угля, шлака и золы Твердые частицы, окись углерода, окислы азота, диоксид серы
3 Котельные на жидком топливе: котельные установки, топливное (мазутное) хозяйство, локальные очистные сооружения (выпуски) Твердые частицы, окись углерода, окислы азота, диоксид серы, пяти-окись ванадия, нефтепродукты
4 Дизельные электростанции: установки, топливное хозяйство, локальные очистные сооружения Твердые частицы, окись углерода, окислы азота, диоксид серы, пяти окись ванадия, нефтепродукты
5 Банно-прачечный комбинат, химчистка, склад реагентов Синтетические поверхностно активные вещества, трихлорэтилен, перхлорэтилен
6 Системы водоснабжения: водозаборные сооружения, очистные сооружения, станция подъема Хлорсодержащие вещества, аммиак, хлористый натрий
7 Автопарки: контрольно - технический пункт, пункт предварительной очистки, пункт заправки топливом, пункт чистки и мойки, пункт технического обслуживания и ремонта Нефтепродукты, кадмий, свинец, хром, окись углерода, окислы азота, диоксид углерода, марганец, ртуть, цинк
8 Аккумуляторная, склады военно технического имущества, места стоянки (хранения) вооружения и военной техники, пункт сбора отработанных масел Нефтепродукты, кадмий, свинец, хром, окись углерода, окислы азота, диоксид углерода, марганец, ртуть, цинк
15
9 Пожарные подразделения: места складирования и хранения химических пенообразующих веществ нефтепродукты, диоксины, никель, цинк, хром, ПАВ
10 Боевая, техническая, полевая позиции, стартовые комплексы керосин, азотный тетраоксид, аммиак, нефтепродукты, диоксины, никель, цинк, хром, ПАВ
11 Ремонтные предприятия: производственные цеха, пункты мойки и очистки, пункты слива отработанных ГСМ и жидкостей, места стоянки и хранения, пункт технического обслуживания и ремонта, аккумуляторная и кислорододобывающая станции, гальваностоки Нефтепродукты, цинк, хром, свинец, никель, окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, пятиокись ванадия, ПАВ
12 Аэродромное покрытие ВПП, РД, МС, ЦЗТ Нефтепродукты, керосин, азотный тетраоксид, аммиак, электромагнитные поля, акустические шумы
13 Радиолокационные станции, радиопередающие системы навигации Электромагнитные поля
14 Хранилища жидких радиоактивных отходов и химических средств Дихлорэтан, ДТС-ГК, аммиак, синтетические поверхностно активные вещества ПАВ, формальдегид, фенол, едкий натрий
15 Очистные сооружения, санитарно-защитиая зона, стойбища и выпас скота, скотомогильники и биотермические ямы, помещение для хранения минеральных удобрений и пестицидов Взвешенные вещества, органические вещества, азот аммонийный, азот нитратный, азот нитритный, нефтепродукты, ПАВ, хлориды, сульфаты, хром трехвалентный, никель, медь, цинк, свинец, пестициды, гербициды, удобрения
В таблице приведены данные, характеризующие источники и выделяемые ими ЗВ.
16
Загрязнение от этих источников менее значительно по сравнению с основными, которыми являются автомобильный и воздушный транспорт, но при определении суммарных значений загрязнения не учитывать их влияние было бы не совсем верно.
Наибольшее загрязнение воздуха на аэродромах происходит в результате выброса вредных веществ (ВВ):
- при сгорании топлива в двигателях воздушных судов;
- при сгорании топлива в двигателях спецавтотранспорта (средств аэро-дромно-технического обеспечения полетов);
- в энергетических установках и котельных поступления горючесмазочных материалов (ГСМ) через клапаны емкостей на складах и средств заправки, а также при дренажном выбросе топлива из топливных систем ВС;
- эксплуатации служебно-технической застройки и жилищно-бытовых комплексов, систем водо- и теплоснабжения, подсобных хозяйств;
- деятельности авто- и авиационно-ремонтных частей, зон рассредоточения, автопарков, складов довольствующих служб;
- эксплуатации трубопроводов, внутри подъездных железнодорожных путей, пункта разгрузки и складирования имущества и сыпучих материалов.
Воздействие всех источников загрязнения, рассмотренных выше, носит периодический характер и достигает наибольших параметров в период производства интенсивных полетов воздушных судов с привлечением всех автотранспортных средств аэродромно-технического и других видов обеспечения.
Наиболее интенсивно в атмосферу района аэродрома поступают продукты неполного сгорания топлива в двигателях ВС и AT в результате наземных операций на различных режимах [29].
Из продуктов неполного сгорания наиболее токсичными и значительными в количественном отношении являются угарный газ и несгоревшие углеводороды.
17
Кроме этих ВВ, в атмосферу аэродрома поступают значительные количества окислов азота - продуктов окисления азота воздуха в камере сгорания двигателя ВС.
Согласно исследованиям, проведенным в работе [24] на основании подсчета годовых выбросов ЗВ, на территории аэродрома можно условно выделить четыре типа зон экологического состояния окружающей среды: максимально интенсивного, интенсивного, умеренного и незначительного воздействия.
Данная схема, представленная на рис. 1.1, не отражает точных границ и является лишь условным делением.
Рис. 1.1. Территориальное деление природно технического комплекса аэродрома по степени интенсивности загрязнения
Условные обозначения воздействия зон: зона 1 - максимально интенсивное воздействие (техническая позиция подготовки самолетов, расходный |
