авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

1

на правах рукописи

ТРОХИМЧУК КАТЕРИНА АЛЕКСЕЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЫЛЕВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ

СРЕДЫ ГОРОДОВ ПРИ ЗЕМЛЯНЫХ РАБОТАХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

05.23.19 Экологическая безопасность строительства

и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2015

государственном

бюджетном

профессионального образования

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация

Лапынин Юрий Геннадиевич,

Желтобрюхов

Владимир

Федорович,

ФГБОУ

ВПО

«Волгоградский

государственный

технический

университет»,

заведующий

кафедрой

«Промышленная

экология

безопасность жизнедеятельности»

и

Сидякин

Павел

Алексеевич,

профессор кафедры «Строительство»

Института

сервиса,

туризма

и

дизайна

(филиал)

федерального

государственного

автономного

образовательного

учреждения

высшего

профессионального

образования

«Северо-Кавказский

федеральный

университет»

в

г.

2

Работа

выполнена

в

федеральном

образовательном учреждении высшего

Пятигорске

ФГБУ

«Всероссийский

научно-

исследовательский институт охраны

окружающей среды» г. Москва

Защита диссертации состоится «24» декабря 2015 г. в 10-00 часов на

заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ФГБОУ ВПО

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. 203, корп. Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО

«Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан «__» _______2015г.

Ученый

секретарь

диссертационного

Юрьев Юрий

совета

Юрьевич

возникновения пылепереноса и распространения пыли в

квартир и др.

Механизм

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность избранной темы. Земляные работы составляют до 20%

всех видов строительных операций. Они связаны с вскрытием грунтового

массива, его перемещением, формированием отвалов, и как следствие,

изменением физико-механических свойств, что приводит к интенсивному

пылевыделению. Дисперсные грунты охватывают значительную территорию

юга России и являются основной составляющей при строительной

деятельности. При проведении земляных работ на дисперсных породах

уровень запыленности превышает предельно-допустимые концентрации.

Особенно опасны для среды обитания человека частицы с размерами

менее 2,5 мкм (РМ2,5) и не более 10 мкм (РМ10), относящиеся к

мелкодисперсным и обладающие высокой, проникающей, адсорбционной

способностью

с

возможностью

поглощения

вредных

примесей,

содержащихся в различных газах. Системы обеспыливания во время

проведения земляных работ, как правило, не используются. Такие работы

часто проводятся в черте города, что приводит к загрязнению окружающей

среды внутри кварталов, придомовых территорий, зон отдыха, офисов,

городской

среде

при

проведении

земляных

работ

изучен

слабо.

Существующие методики расчета по переносу пыли от рыхлых грунтовых

массивов, в том числе перемещенного грунта, не учитывают особенности

физико-механических свойств породы и характеристики мелкодисперсной

пыли.

Система контроля и оценки дисперсного состава и концентрации

частиц именно малых размеров в воздухе зон проведения земляных работ на

дисперсных грунтах в настоящее время отсутствует, что не позволяет

объективно оценить степень воздействия пыли на качество окружающей

природной среды городской агломерации. Поэтому актуальными являются

исследования характера загрязнения воздушной среды городской территории

при земляных строительных работах.

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-

исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного

архитектурно-строительного университета.

Степень разработанности темы диссертационного

исследования.

Исследование дисперсного состава пылевого аэрозоля, поведения пылевых

частиц в условиях внешних воздействий, исследование ряда задач, связанных

со снижением концентрации пыли в окружающей среде, совершенствование

техники обеспыливания нашло отражение в работах В.Н.

Азарова, Н.Я.

Авдеев,

В.И.

Беспалова,

Е.И.

Богуславского,

В.Е.

Глузберга,

Н.Ф.

Гращенкова, В.В. Дьякова, В.К.

Журавлева, В.П. Журавлева, Г.С.

Забурдяева, И.Г. Ищука, Б.Ф. Кирина, Ф.С. Клебанова, П.А. Коузов, В.В.

Кудряшова, И.Ф. Ливчака, И.Н. Логачева, К.И. Логачева, С.И. Луговского

4

С.И.,

А.Б.

Лукьянова,

Е.П.

Медникова,

М.А.

Менковского,

Н.В.

Мензелинцевой, В.А. Минко, B.C. Никитина, Н.В. Перцева, Г.А. Позднякова,

Г.И. Ромашов, В.И. Саранчука, В.Ф. Сидоренко, H.A.

Страховой, A.A.

Цыцуры, Л.А. Шварцмана, М.И. Шиляева, Е.А. Штокмана и др. авторов. В

связи с развитием городов в мировой практике появился целый ряд

исследований,

касающихся

загрязнений

атмосферного

воздуха

мелкодисперсной

пылью.

Можно

выделить

работы

следующих

исследователей: Б. Барратта, Р. Бурки, Д. Грина, В. Гросса, И. Гулда, Р.

Ларсена, Х. Лонга, А. Маккея, П. Моргенштерн, Т. Окита, Т. Руана, Н. Розе,

Г. Фуллера, С. Юнге. Из зарубежных авторов, занимающихся вопросами

атмосферной диффузии, следует отметить в первую очередь работы О.Г.

Сеттона. Эти вопросы рассматривались также в работах Р. Маккортина, Е.

Хьюстона, Г. Хольцворта, М. Хиго. Вопрос пылевого загрязнения воздушной

среды городов при земляных работах в строительстве изучен слабо, особенно

это относится к мелкодисперсной пыли.

Цель работы - повышение экологической безопасности, связанной со

снижением загрязнения воздушной среды городов при проведении земляных

работ.

На основании выбранной цели были сформулированы следующие

задачи:

- исследование дисперсного состава пыли в воздушной среде городов

при проведении земляных работ на дисперсных грунтах (глинистых,

лессовых, супесчаных и искусственных грунтах);

- уточнение методики определения выбросов мелкодисперсной пыли

(РМ10, РМ2,5) в атмосферу от неорганизованных источников при земляных

работах;

- проведение экспериментальных исследований концентрации мелких

фракций пыли (РМ10, РМ2,5) в воздухе и обобщение данных о дисперсном

составе, аэродинамических характеристиках и основных физико-химических

свойствах пыли при проведении земляных работ;

- проведение экспериментальных исследований аэродинамических

характеристик пыли и определение параметров процесса выветривания для

различных

типов

дисперсных

грунтов

с

использованием

методов

микроскопии и седиментации, а также исследований на лабораторной

аэродинамической трубе;

- исследование процесса пылевыделения в зависимости от глубины

выработки грунтового массива и характера подстилающих пород;

- разработка методики районирования территории города (на примере

г. Волгограда) по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных

работах на дисперсных грунтах;

- теоретическое и экспериментальное исследование пылевыделения

строительных отвалов из дисперсных грунтов и разработка методики

Научная новизна работы:

- получены характеристики фракционного состава пыли РМ10 и РМ2,5 с

использованием микроскопического анализа в совокупности с методом

седиментации при выполнении земляных работ в зонах залегания глинистых,

лессовых, супесчаных и искусственных грунтов;

-

получены

в

результате

экспериментальных

исследований

с

применением лабораторной аэродинамической трубы уравнения регрессии

для определения весовой доли пылевой фракции в материале и доли пыли,

переходящей в аэрозоль, которые соответствуют коэффициентам К1 и К2,

существующей методики по расчету выбросов от неорганизованных

источников в промышленности строительных материалов, в зависимости от

скорости ветра, влажности и массы отвала;

-

уточнены

динамические

модели

и

получены

зависимости,

характеризующие концентрацию пыли в воздушной среде в зонах земляных

отвалов различных видов дисперсных грунтов;

-

разработана

методика

моделирование

процессов

динамики

воздушных потоков при земляных работах на базе разработанного

специализированного ГИС-приложения для расчета пылевого загрязнения в

жилых массивах и промышленных зонах; при проектировании новых и

реконструкции существующих сооружений и производств; при прогнозе

5

моделирование процессов динамики воздушных потоков при земляных

работах на базе специализированного ГИС-приложения;

- разработка эффективных систем снижения распространения пылевого

облака при проведении земляных работ на городских территориях.

Основная

идея

работы

состояла

в

теоретической

и

экспериментальной оценке содержания в воздушной среде мелкодисперсной

пыли РМ10 и РМ2,5 для контроля и мониторинга качества воздушной среды в

крупных мегаполисах при проведении земляных работ на дисперсных

грунтах различных типов.

последствий

проведения земляных работ;

аварийных ситуаций на городских объектах, требующих

- разработаны принципы районирования территории города по

массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на

дисперсных грунтах;

- предложены эффективные системы снижения распространения

пылевого облака при проведении земляных работ в зонах дисперсных

грунтов.

Теоретическая значимость работы:

- получены расчетные зависимости, характеризующие дисперсный

состав пыли в зонах земляных отвалов для различных типов дисперсных

грунтов;

частиц гипотеза не подтверждается;

- впервые дана характеристика дисперсных грунтов по степени

пылевыделения при выполнении земляных работ на различной глубине

разработки с учетом характера подстилающих отложений;

Практическая значимость работы:

- разработана методика районирования территории города по массовой

доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных

грунтах для крупных мегаполисов юго-востока Русской платформы;

-

разработана

на

базе

теоретических

и

экспериментальных

исследований методика моделирования динамики воздушных потоков при

земляных работах на базе специализированного ГИС-приложения;

- разработаны эффективные системы снижения распространения

пылевого облака при проведении

земляных работ на

территориях,

сложенных

дисперсными

грунтами,

позволяющие

строительным

организациям сократить расходы на строительство

по сравнению с

типовыми методами защиты, на которые получены патенты (Пат. RU 139 131

U1 РФ; Пат. RU 150 465 U1 РФ; Пат. RU 132 807 U1 РФ).

6

- показано, что фракционный состав пыли подчиняется гипотезе А.Н.

Колмогорова для мелких фракций, однако на всем диапазоне размеров

Реализация результатов работы:

-

разработанные

«Рекомендации

по

снижению

интенсивности

пылевыделения при инженерном освоении городских территорий в зонах

выполнения земляных работ» приняты для использования при расчетах

загрязнения

атмосферного

воздуха

мелкодисперсной

пылью

ООО

«Ассоциация Экотехмониторинг»;

-

результаты

исследований

и

рекомендации

по

обеспечению

оптимального инженерного освоения городских территорий приняты для

подбора технических средств при проведении земляных работ ООО

«Термоатлант»;

- рекомендации по расчету концентрации пыли РМ10 и РМ2,5 в выбросах

в атмосферу на строительных объектах, где проводятся земляные работы

переданы в ООО «Ассоциация Экотехмониторинг» для использования при

расчетах загрязнения атмосферного воздуха;

- на строительной площадке ООО «АльянсРесурсГрупп» в г.

Волгограде

прошло

опытно-промышленные

испытания

разработанное

пылезащитное устройство;

- разработанная схематическая карта районирования территории г.

Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных

работах на дисперсных грунтах внедрена и используется при проектных

работах ООО «ПТБ ПСО Волгоградгражданстрой»;

- материалы диссертационной работы использованы НОУ СПО

«Волгоградский колледж газа и нефти» ОАО «Газпром» при проведении

лекционных и практических занятий по курсу «Экологические основы

7

природопользования» по образовательной программе 21.02.03 «Сооружения

и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ».

Методология диссертационного исследования включала в себя

общепринятые для технических наук эмпирические, абстрактно-логические,

монографические

методы,

системный

подход

и

математическое

моделирование. Теоретические положения проверялись экспериментальными

исследованиями.

Методы диссертационного исследования: анализ различных методов

проведения

дисперсного

анализа

пыли,

натурные,

маршрутные,

лабораторные

(экспериментальные

исследования

с

использованием

микроскопии, седиментации и лабораторной аэродинамической трубы) и

вычислительные исследования, с использованием методов математического

и имитационного моделирования, а также методов разработки программных

приложений. При экспериментальных работах применялось планирование

эксперимента с использованием временного дрейфа.

В качестве положений, выносимых на защиту, можно выделить, что:

- дисперсный состав верхнехвалынских-современных лессовых пород,

лессовых пород валдайского горизонта и глинистых грунтов морского и

аллювиального происхождения для мелкодисперсной пыли подчиняется

гипотезе А.Н. Колмогорова о логарифмически нормальном распределении и

описывается логарифмически нормальным законом;

- для супесчаных и искусственных грунтов гипотеза А.Н. Колмагорова

не подтверждается, а интегральная функция распределения

массы по

диаметрам для частиц мелкодисперсной пыли по диаметрам может быть

описана в вероятностно-логарифмической сетке двузхвенной ломанной;

- экспериментально полученные параметры d50 и σ для всех видов

дисперсных грунтов достоверно характеризуют фракционный состав пыли

при проводимых на них земляных работах;

- экспериментально полученные данные достоверно описывают доли

мелкодисперсной пыли в воздухе при земляных работах: на глинистых

грунтах РМ10 – 2-8%, РМ2,5 – 0-0,4%; на песчаных и супесчаных грунтах РМ10

– 7-22%, РМ2,5 – 0,3-0,7%; на лессовых грунтах РМ10 – 8-100%, РМ2,5 – 0,5-

1,8%; на искусственных грунтах РМ10 – 45-95%, РМ2,5 – 0,4-1,8%;

- выделение и последовательное подразделение дисперсных грунтов на

соподчиненные части, отличающиеся высокой степенью однородности

характеристик по массовой доле пылевой фракции позволяет провести

районирование территории г. Волгограда по массовой доле пылевой фракции

в воздухе при земляных работах на дисперсных грунтах.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций

соответствует

современным

требованиям,

обоснована

применением

классических положений теоретического анализа, экспериментальным и

вычислительным моделированием исследуемых процессов, с применением

математической

теории

планирования

экспериментов,

подтверждена

8

проверкой критериями для оценки воспроизводимости опытов, адекватности

математических

моделей

для

экспериментальных

исследований,

проведенных в лабораторных, промышленных, полевых и маршрутных

исследованиях.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты

работы докладывались и получили одобрение на: VI, IX международной

конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды»

(Волгоград, 2008, 2011); Втором Всероссийском конкурсе инновационных

проектов «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на

взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектов»

(Уфа, 2008); Всероссийской научной конференции «Малышевские чтения»

(Старый Оскол, 2013); Всероссийской научной конференции «Динамические

процессы в современном социокультурном пространстве России» (Волжский,

2014, 2015);

Межвузовской

научно-практической конференции молодых

ученых и студентов (Волжский, 2013, 2014, 2015), 3-ем Национальном

научном форуме «Актуальные процессы в гидросфере» (Кисловодск, 2015).

Награждена: медалью Министерства образования и науки РФ по

итогам открытого конкурса по естественным, техническим и гуманитарным

наукам в вузах РФ (Приказ Федерального агентства по образованию от 15

июня 2009 г.); дипломом третей степени на XIV Региональной конференции

молодых

исследователей

Волгоградской

области;

дипломом

за

представленную работу на Втором Всероссийском конкурсе инновационных

проектов «Обеспечение промышленной и экологической безопасности на

взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах».

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 19

печатных работах, в том числе 5 статьях - в ведущих рецензируемых научных

журналах и изданиях, определенных ВАК РФ, 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех

глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий

объем работы: 155 страницы, в том числе: 140 страниц – основной текст,

содержащий 20 таблиц, 57 рисунков и список литературы из 141 источника; 7

приложений на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность избранной темы, степень ее

разработанности, сформулированы цель и задачи, ее научная новизна,

теоретическая и практическая значимость работы, вынесена методология и

методы диссертационного исследования, положения, выносимые на защиту,

степень достоверности и апробация результатов проведенных исследований.

В

первой

главе

рассмотрено

современное

состояние

вопроса

характеристики загрязнения пылью городских агломераций при проведении

земляных работ. Различие в нормировании мелкодисперсной пыли (РМ10 и

концентрация не нормируется.

Технологические

процессы

при

производстве

земляных

работ

сопровождаются

интенсивным

пылевыделением.

Особую

группу

представляют неорганизованные источники пылевых выбросов, связанные с

разработкой, выемкой и перемещением грунта, что особенно актуально при

работе с дисперсными грунтами, широко распространенными на юге Русской

равнины, где расположен г. Волгоград, территория которого сформирована в

результате сложного геологического развития.

Современные подходы к техническим элементам и способам, которые

используются в строительстве для уменьшения выбросов пыли, требуют

разработки многофункциональных комплексных средств.

Во второй главе приведены исследования дисперсного состава пыли

при производстве земляных работ. Главным параметром, влияющим на

степень пылевыделения, являются физико-механические свойства грунтов.

Автором выполнен анализ дисперсного состава пыли в воздушной среде в

зоне строительных котлованов и траншей для различных видов дисперсных

грунтов.

В период с 2012-2014 гг. было отобрано 216 проб грунтов на

территории г. Волгограда.

Анализ дисперсного состава пыли для

дисперсных грунтов производился методами микроскопии и седиментации.

Получены интегральные кривые распределения массы частиц по

диаметрам для пыли отобранной в воздухе в зоне земляных выработок,

9

РМ2,5) в России и зарубежных странах заключается в следующем, в странах

ЕС отсутствует мгновенная максимальная разовая концентрация пыли, но

дан более жесткий норматив для среднесуточной величины (20 мгм/м3) по

сравнению с Российским показателем предельно допустимой концентрации

(60 мгм/м3). Кроме того, в странах ЕС нормируется среднегодовая

концентрация РМ10 и РМ2,5, в то время как в

России среднегодовая

Значение

интегральной

функции

сложенных

дисперсными

грунтами.

распределения

массы частиц

пыли

по диаметрам

D(d) оценивали, как

функцию прохода для пыли, поступающей в воздух при земляных работах.

Проведен

анализ

пылевыделений

для

верхнехвалынских-современных

лессовых пород и верхнечетвертичных лессовых пород валдайского

горизонта. В обоих случаях на участках до 10 мкм выполняется гипотеза

А.Н. Колмогорова и функция прохода в логарифмически-нормальной сетке

может быть аппроксимирована прямой линией (рис. 1 а), которая

представлена логарифмически-нормальным законом:

(1)

где d50 – медианный размер; σ – экспериментальный коэффициент.

Аналогичные исследования на верхнечетвертичных глинистых грунтах

морского и аллювиального генезиса. На участках мелкодисперсной пыли

функция прохода может быть аппроксимирована прямой линией (1) (рис. 1

10

а), но с другими значениями параметров d50 и σ. В зонах земляных работ,

проводимых на современных супесчаных грунтах, функция прохода на

участках до 10 мкм может быть представлена двухзвенной ломанной (рис. 1

б).

Подбор производился методом Азарова В.Н. (2002) на основании

решения задачи оптимального планирования использования теоремы Гаусса-

Маркова. Как следует из рис. 1 б, каждый из участков функции прохода в

логарифмически-нормальной сетке представлен прямой линией и «точка

слома» - dкр = 7 мкм, где каждая из функций D1, D2 подчиняется

логарифмически-нормальному распределению.

Аналогично для современных искусственных грунтов получено:

а)

б)

Рисунок 1 – Интегральная функция распределения массы частиц в

вероятностно-логарифмической сетке, представляющая дисперсный состав

пыли в зоне разработки: а) 1 – верхнехвалынских-современных лессовых

пород, 2 – лессовых пород валдайского горизонта; 3 – верхнечетвертичных

глин морского генезиса, 4 – верхнечетвертичных глин аллювиального

генезиса; б) 1 – современных супесчаных грунтов; 2 – современных

искусственных грунтов

Анализ

дисперсного

состава

пыли

и

их

аэродинамических

характеристик показали, что при земляных работах закономерности

пылевыделения близки для следующих групп: 1. а) 3 и а) 4; 2. а) 1, а) 2, б) 2;

3. б) 1. Результаты вычислений параметров d50, σ и р для всех

исследованных грунтов сведены в таблицу 1.

D1, d 8мкм

=

,8мкм d  10мкм.

D2

D1,d 7мкм

=

,7мкм d 10мкм.

D2

по

на

дисперсных грунтах, которое является завершающим этапом исследований,

включающим системный анализ комплекса различных данных (рис. 2).

Таблица 1 – Параметры функции прохода для пыли при земляных работах на

дисперсных грунтах на участках до 10 мкм

Наименование грунта Характер Точка Значения параметров Доля мелко-

дисперсной

апрок-

слома,

р,

пыли

симиро-

ванной

мкм

функции

прохода

Прямая

нет

Прямая

нет

Прямая

нет

Прямая

нет

Первый

Второй

участок

участок

d50,

σ

d50,

σ

мкм

мкм

РМ2,5, РМ10,

%

%

0,8

50,0

0,4

18,0

0

1,0

0

18,0

1,5

45,0

1,8

70,0

1.Верхнехвалынские-

современные

лессовые породы

2. Верхне-

четвертичные

лессовые

породы

валдайского

горизонта

3. Верхне-

9,6

1,11

24

1,41

40

0,9

53

1,19

-

-

-

-

-

-

-

-

11

Автором выполнено районирование территории г. Волгограда

массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах

четвертичные

морского

происхождения

4. Верхне-

четвертичные

аллювиального

происхождения

глины

глины

5.Современные

Двух-

7

50,1 2,02 10,6 2,35

супесчаные грунты

звенная

ломанная

6.Современные

Двух-

8

10,6 1,16

8,4 0,21

искусственные

звенная

грунты

ломанная

Выделено

три

типа

района,

что

позволило

разработать

соответствующие

рекомендации

и

мероприятия,

обеспечивающие

функционирование застраиваемых территорий с минимальной нагрузкой на

атмосферный воздух. Экспликация районирования (табл. 2) использована

при составлении схематической карты районирования территории г.

12

Волгограда по массовой доле пылевой фракции в воздухе при земляных

работах на дисперсных грунтах.

Рисунок

2

Схематическая

карта

районирования территории г. Волгограда по

массовой доле пылевой фракции в воздухе

при

земляных

работах

на

дисперсных

грунтах:

I.

Район

низкой

интенсивности

пылевого загрязнения при земляных

работах

II. Район средней интенсивности

пылевого загрязнения при земляных работах

III. Район высокой интенсивности

пылевого загрязнения при земляных работах

I.

Район

низкой

интенсивности

пылевого загрязнения при земляных работах

район преимущественного распространения

глинистых грунтов морского, аллювиального,

озерно-аллювиального происхождения.

II.

Район

средней

интенсивности

пылевого загрязнения при земляных работах –

район распространения лессовых пород, а

также песчаных и супесчаных отложений

(мощностью от 3…4 до 10 м), подстилающих

глинистыми породами.

III. Район высокой интенсивности пылевого загрязнения при земляных

работах – район преимущественного распространения искусственных

намывных и насыпных переотложенных пород, образованных за счет

ликвидаций долин мелких речек, оврагов, балок, пониженных форм рельефа,

а также залегания супесчаных отложений.

Особенно важным показателем при пылевыделении является характер

изменения свойств грунтов с глубиной выемки. Проведенные исследования

пылевыделения с глубиной для лессовых грунтов г. Волгограда показали, что

в распределении выделения пыли с глубиной отчетливо наблюдается три

зоны: зона сезонного изменения состояния грунтового массива РМ10 = 0,8-2,6

%, РМ2,5 = 70-98 %; зона постоянного пылевыделения РМ10 = 0,9-1,4 %, РМ2,5

= 77-94 %; зона переменного пылевыделения РМ10 = 0,7-1,7 %, РМ2,5 = 65-97

%. Выявлено, если лессовая толща подстилается глинистым грунтом, то это

приводит к меньшему выделению пыли при земляных работах, чем при

залегании на

хорошо проницаемых грунтах.

Такая зависимость от

подстилающих пород определена и для искусственных грунтов. Получено,

I. Район низкой

II. Район

III. Район

интенсивности

средней

высокой

пылевого

интенсивности

интенсивности

загрязнения

пылевого

пылевого

при земляных

загрязнения

загрязнения

работах

при земляных

при земляных

работах

работах

25 – 50 %

3 – 25 %

3 %

Низкая

Средняя

Высокая

показателя

Естественная

влажность породы

Степень

выветриваемости

Степень уплотнения:

Высокая

Средняя

Высокая

Низкая

Высокая

Средняя

- при естественном

Средняя

залегании

-

при

длительном

Высокая

воздействии

атмосферы воздуха

- при искусственном

Средняя

13

что для всех типов глин г. Волгограда характерны невысокие показатели

пылевыделения

при

земляных

работах.

Выделено

две

зоны

(зона

выветривания с образованием трещин РМ10 = 0,6 %, РМ2,5 = 10 %; зона

изменчивого пылевыделения РМ10 = 0 %, РМ2,5 = 1,2 %). Не выявлено

влияние характера подстилающих пород на степень пылевыделения.

Таблица 2 - Экспликация к схематической карте районирования

Наименование

Характеристика района

уплотнении

Рекомендации

по Использование

Применение

Усиленные

снижению

средств защиты пылезащитных

противопылевые

мероприятия

устройств

локально

отвалов

интенсивности

пылевыделения

инженерном

от пыли только

(зоны вокруг

при при

длительном

всего

нахождении

котлованов

открытом

воздухе

и строительного

объекта и внутри

и него

освоении городских

территорий в зонах

земляных работ

на накоплений,

котлованы

траншеи и др.)

В третьей главе исследовался процесс пылевыделения с грунтовых

отвалов. Изучение проводилось на лабораторной аэродинамической трубе

(рис.

3).

Экспериментальные

исследования

включали:

описание

экспериментальной

установки;

планирование

эксперимента;

методику

проведения исследования; получение результатов исследования; обработку

результатов исследования; испытание в установке пылезащитных устройств.

При проведении исследований методами планирования эксперимента в

качестве функции отклика были выбраны: весовая доля пылевой фракции в

, где Vво, φо,

p

– значения соответствующих факторов в центре плана; ∆Vв, ∆φ, ∆m – уровни

изменения значений факторов. Результаты эксперимента показали, что

наибольший процент выноса пыли с отвала зависит от показателей

влажности и его размера (массы). В качестве примера на рис. 4 представлена

поверхность отклика

К1 от φ и m

для лессовых грунтов. Расчетные

зависимости с учетом только значимых коэффициентов: весовой доли

пылевой фракции в дисперсном грунте К1 и доли пыли, переходящей в

аэрозоль К2 различных дисперсных пород сведены в таблицу 3. Для оценки

значимости коэффициентов в уравнении регрессии использовался критерий

Стьюдента

при

доверительной

вероятности

Р=0,95.

Адекватность

полученных уравнений регрессии проверялась сопоставлением расчетного и

табличного значений критерия Фишера.

Рисунок 3 – Общий вид

Рисунок 4 – Поверхность отклика

аэродинамической трубы

коэффициента К1 от нормируемых

параметров от φ и m

В аэродинамическую трубу был помещен стенд (рис. 5), экран которого

имел различную ячеистую структуру (10; 5; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,1 мм). Через

экран продувался поток воздуха, загрязненный пылеватыми частицами

размером 0,005-0,05 мм. Выявлено, что наибольший процент пыли

удерживает сетчатый экран с ячеистой структурой равной 0,5 мм.

Проведен эксперимент в аэродинамической трубе с горизонтальной

сетчатой конструкцией, полностью покрывающей отвал. Получено, что

14

дисперсном грунте К1; доля пыли, переходящая в аэрозоль К2. Эти

коэффициенты используются в настоящее время для расчета выбросов от

неорганизованных источников, к которым можно отнести отвалы изъятого

дисперсного грунта. В качестве варьируемых факторов, влияющих на

исследуемые величины К1, К2 выбираем: Vв – скорость ветра, м/с; φ –

влажность грунта, %; m – масса грунта, кг. Для каждого вида грунта были

выбраны свои значения уровней факторов Vв; φ; m. Варьируемые факторы

mpmp 0

x3 

m

,

0

были приведены к виду: х1 

0

, х2 

Наименование

грунта

Искусственные

грунты

Лессовые

грунты

Супесчаные

грунты

Глинистые

грунты

Вид зависимостей

К1= 0,121 + 0,037 Х1 – 0,07 Х3 – 0,041 Х1·Х2

К2= 0,155 – 0,154 Х2 + 0,103 Х12

К1= 0,162 + 0,028 Х1 – 0,032 Х2 – 0,013 Х1·Х3

К2= 0,244 – 0,112 Х2 – 0,136 Х12 + 0,034 Х22

К1= 0,197 + 0,039 Х1 – 0,077 Х2 – 0,009 Х3+ 0,060 Х1·Х3

К2= 0,208 + 0,117 Х1 – 0,029 Х2 + 0,109 Х12 – 0,140 Х1·Х3

К1= 0,084 + 0,037 Х1 + 0,016 Х2 +0,031 Х22 + 0,030 Х1·Х3

К2= 0,141 + 0,052 Х1 – 0,055 Х2+ 0,019 Х12 – 0,016 Х22+

+0,030 Х1·Х3

15

использование таких устройств способно максимально стабилизировать

пылящие поверхности земляных отвалов независимо от характера ветра.

Таблица 3 – Расчетные зависимости для нахождения коэффициента

весовой доли пылевой фракции в дисперсном грунте К1 и доли пыли,

переходящей в аэрозоль К2 для различных дисперсных грунтов

распространения загрязняющих

работах (ветер восточный)

В работе рассмотрены математические модели: приземного слоя

атмосферы и динамики загрязняющих примесей, которые достаточно точно

описывают динамику движения воздушных потоков и характер переноса

загрязняющих веществ. Задача по расчету запыленности воздушной среды

при земляных работах решалась методом конечных элементов для

несжимаемой жидкости и методом интегрирования уравнений Навье-Стокса

для вязкой жидкости. Расчет динамики распространения пыли осуществлялся

по двум методам: с использованием явной и неявной численных схем.

Рисунок 5 – Схема экспериментальной

Рисунок 6 - Результат расчета

установки: 1 – аэродинамическая труба;

2 – экран; 3 – опора; 4 – ограждение;

веществ при земляных

5 – ветровой поток; 6 – отвал

16

Для решения была выбрана плоская задача в дискретной системе (х, у).

Уравнение переноса записывается в следующем виде:

где

в направлениях х и у соответственно.

Проверка оптимальности решения по выбранной численной схеме

осуществляется по условию:

, где h – высота источника выброса,

м;

– скорость ветра, м/с; D – диаметр аэрозольной частицы, нм;

=3. Если

данное условие выполняется, то используется неявная численная схема.

Расчеты

распространения

пылевых

частиц

позволяют

оценить

концентрацию загрязнения на различных расстояниях от земляного

линейного

отвала,

образующегося

при

рытье

траншеи.

Они

были

использованы в методике моделирования динамики воздушных потоков при

земляных работах.

В четвёртой главе осуществлена разработка мероприятий по

улучшению экологической обстановки при земляных работах и представлена

практическая реализация результатов исследований. Предложена методика

моделирования динамики воздушных потоков при земляных работах на базе

специализированного ГИС-приложения, которая позволила программно

реализовать управляющий модуль «AirFlowBuild», включающий в себя

интерфейс приложения и модуль для работы с картой и её объектами, а

также модуль визуализации 2D и 3D карт и расчетов. Разработанное

приложение позволяет моделировать динамику распространения загрязнений

с учетом внешних нестационарных факторов (рис.6).

Автором предлагается к использованию: а) устройство для снижения

выноса пыли в окружающую среду со строительной площадки при земляных

работах (Пат. RU 139 131 U1) (для строительного объекта с котлованом

1200х1040м применение устройства позволит сократить расходы на

строительство на 596 637 руб. по сравнению с типовыми методами защиты);

б) пылезащитное устройство для земляных отвалов (Пат. RU 150 465 U1),

которое значительно снижает загрязнение воздушной среды городской

территории (прошло приемочные испытания на строительном объекте ООО

«АльянсРесурсГрупп»);

в) пылегазовый аэродинамический узел для

пылеуборочных машин (Пат. RU 146 640 U1), применяемый после

проведения земляных работ (коэффициент эффективности его использования

составит 84% по сравнению с аналогичными устройствами).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулированы следующие итоги выполненного исследования:

17

1. На основании проведенного литературного обзора установлено, что

при оценке загрязнения воздушной среды при земляных работах не

рассматриваются вопросы механизма возникновения и распространения

пыли в зависимости от типа и свойств разрабатываемых дисперсных грунтов.

2. Проведенные исследования показали, что дисперсный состав

верхнехвалынских-современных

лессовых

пород,

верхнечетвертичных

лессовых пород валдайского горизонта и верхнечетвертичных глинистых

грунтов морского и аллювиального происхождения для мелкодисперсной

пыли

подчиняется

гипотезе

А.Н.

Колмогорова

о

логарифмически

нормальном распределении

и описывается логарифмически нормальным

законом. Для современных супесчаных и искусственных грунтов гипотеза

А.Н. Колмогорова не подтверждается, интегральная функция распределения

массы по диаметрам для частиц мелкодисперсной пыли по диаметрам может

быть описана в вероятностно-логарифмической сетке двухзвенной ломанной.

Экспериментально получены коэффициенты d50 и σ для всех видов

дисперсных грунтов.

3.

Экспериментально

получены

параметры

для

оценки

доли

мелкодисперсной пыли при земляных работах: на глинистых грунтах РМ10 –

2-8%, РМ2,5 – 0-0,4%; на песчаных и супесчаных грунтах РМ10 – 7-22%, РМ2,5

– 0,3-0,7%; на лессовых грунтах РМ10 – 8-100%, РМ2,5 – 0,5-1,8%; на

искусственных грунтах РМ10 – 45-95%, РМ2,5 – 0,4-1,8%.

4. Проведено районирование территории г. Волгограда по массовой

доле пылевой фракции в воздухе при земляных работах на дисперсных

грунтах, которое является основой для разработки пространственно-

временной структуры мониторинга при строительном освоении территории

города,

мероприятий

по

экологическому

оздоровлению

территорий,

подверженной земляным работам. Принципы, положенные в основу

оставления

данной

картографической

модели

районирования

и

разработанные рекомендации по освоению дисперсных грунтов могут

использоваться для других городов юго-востока Русской платформы.

5. Проведены экспериментальные исследования с применением

лабораторной аэродинамической трубы. Получены уравнения регрессии для

определения весовой доли пылевой фракции в материале и доли пыли,

переходящей в аэрозоль, которые соответствуют коэффициентам К1 и К2,

существующей методики «Методическое пособие по расчету выбросов от

неорганизованных

источников

в

промышленности

строительных

материалов», в зависимости от скорости ветра, влажности и массы отвала.

6.

На

лабораторной

аэродинамической

трубе

проведены

экспериментальные

исследования

подтверждающие

возможность

использования

для

защиты

окружающей

среды

вертикальных

и

горизонтальных

ограждающих

конструкций,

которые

способны

максимально стабилизировать пылящие поверхности земляных отвалов

независимо от характера ветровой нагрузки.

18

7.

Уточнены

динамические

модели

и

получены

зависимости,

характеризующие концентрацию пыли в воздушной среде в зонах земляных

отвалов, сложенных дисперсными грунтами. Проведенные расчеты с

использованием математических моделей приземного слоя атмосферы и

динамики загрязняющих примесей показали, что наибольший процент

выноса пыли с грунтового отвала зависит от влажности грунта и размера

отвала (массы).

8. Разработано специализированное ГИС-приложение, включающее в

себя интерфейс приложения и модуль для работы с картой и её объектами, а

также модуль визуализации 2D и 3D карт и расчетов, который позволяет

строить двух- и трехмерную модель рельефа местности в различных

вариантах отображения карты и объектов на карте. Приложение позволяет

моделировать динамику распространения примесей и аэрозолей с учетом

внешних нестационарных факторов.

9. Предложены эффективные системы снижения распространения пыли

при проведении земляных работ на строительных площадках городской

территории, защищенные патентами РФ.

Предлагаются следующие рекомендации:

- использовать для расчета массы выбросов пыли в атмосферу от

неорганизованных источников полученные автором уравнения регрессии для

коэффициентов: К1, который

материале; К2, который характеризует долю пыли, переходящей в аэрозоль в

зависимости от скорости ветра, влажности и массы отвала;

- применять созданную картографическую модель районирования

городской территории по массовой доле пылевой фракции в дисперсных

грунтах как основу для разработки: пространственно-временной структуры

мониторинга при строительном освоении городских районов и мероприятий

по экологическому оздоровлению территорий, подверженной строительству;

- использовать методику моделирования динамики воздушных потоков

при земляных работах на базе специализированного ГИС-приложения для

расчета пылевого загрязнения в жилых массивах и промышленных зонах;

при прогнозе последствий аварийных ситуаций на городских объектах, для

которых необходимы землеройные работы; для расчета воздухообмена при

проектировании новых и реконструкции существующих сооружений;

- применять на строительной площадке разработанные автором

способы: снижения выноса пыли в окружающую среду; защиты от пыли

учитывает весовую долю пылевой фракции в

воздуха в зонах отвалов грунтов; сохранения грунтового массива

проведении строительных работ; очистки твердых поверхностей.

при

Перспективы дальнейшей разработки темы состоят: в возможности

распространения результатов данных исследований для других городов юго-

востока Русской платформы, а также в разработке и дальнейшем

совершенствовании методов расчета процесса пылевыделений при земляных

работах для других типов грунтов.

– 2014. – № 11(1). – С. 24-27.

2. Трохимчук,

К. А. Пылеуборочная машина для очистки твердых

поверхностей после проведения строительных работ [Текст] / К. А.

Трохимчук // Вестник Волгогр. гос. арх.–строит. ун–та. Сер.: Строительство

и архитектура.– 2014. – Вып. 37(56). – C. 199-203.

3. Трохимчук, К. А., Храпов, С. С., Лапынин, Ю. Г., Малярчук, Ю. Д.

Исследование динамики воздушных потоков при земляных работах в зонах

антропогенной застройки [Текст] / К. А. Трохимчук, С. С. Храпов, Ю. Г.

Лапынин, Ю. Д. Малярчук // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2

(часть 14). – С. 3065-3069.

4. Трохимчук, К. А. О влиянии ГРЭС на загрязненность мелкодисперсной

пылью городских территорий [Текст] / К. А. Трохимчук // Альтернативная

энергетика и экология. – 2013. – № 12. – С. 73-76.

5. Трохимчук, К. А. О загрязнении воздушной среды городских

территорий при земляных работах [Текст] / К. А. Трохимчук [и др.] //

Альтернативная энергетика и экология. – 2015. – № 17/18.– С. 133-137.

Патенты РФ

6. Пат. RU 139 131 U1 Российская Федерация МПК Е04В 1/92 (2006.01).

Устройство для снижения выноса пыли со строительной площадки [Текст] /

К. А. Трохимчук [и др.]; заявитель и патентообл. : ФГАОУ ВПО ВолГУ. -

№2013150487/03; заявл. 12.11.2013; опубл. 13.04.2014; Бюл. № 10. – 4 с.: 3 ил.

7. Пат. RU 150 465 U1 Российская Федерация МПК Е02D 17/00 (2006.01)

Пылезащитное устройство в строительстве [Текст] / К. А. Трохимчук [и др.];

заявитель и патентообл. : ФГАОУ ВПО ВолГУ. - № 2014136502/03; заявл.

08.09.2014; опубл. 20.02.2015; Бюл. № 5. – 6 с.: 3ил.

8. Пат. RU 146 640 U1 Российская Федерация МПК Е01Н 1/08 (2006.01).

Пылегазовый аэродинамический узел для пылеуборочных машин [Текст] /

К. А. Трохимчук [и др.]; заявитель и патентообл. : ФГАОУ ВПО ВолгГУ. - №

2014113293/13; заявл. 04.04.2014; опубл. 20.10.2014; Бюл. № 29. – 6 с.: 1 ил.

Отраслевые издания и материалы конференций

9. Трохимчук, К. А. Об исследовании аэродинамических характеристик

пыли в воздухе строительной площадки [Текст] / К. А. Трохимчук, И. В.

Поляков. // Проблемы охраны производственной и окружающей среды : сб.

мат. и науч. тр. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. – Вып.5. – С. 107-112.

10. Трохимчук, К. А. Исследование дисперсного состава пыли в

промышленных районах городской застройки [Текст] / К. А. Трохимчук //

19

Основное

содержание

диссертации

отражено

в

следующих

публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Трохимчук, К. А., Лапынин, Ю. Г. Способ снижения загрязнения

атмосферного воздуха при пылевыделении дисперсных грунтовых массивов

[Текст] / К. А. Трохимчук, Ю. Г. Лапынин // Фундаментальные исследования.

20

XIX межвуз. науч.-практ. конф. молодых ученых : тез. докл., г. Волжский,

27-31 мая 2013 г. – Волжский : Изд-во фил. МЭИ, 2013. – С. 85-87.

11. Трохимчук, К. А. Об оценке дисперсного состава пыли в воздухе

рабочей зоны предприятий [Текст] / К. А. Трохимчук // Малышевские

чтения: материалы Всерос. науч. конф. (Старый Оскол, 24 апр. 2013г.). –

Старый Оскол : Изд-во ИПК «Киррилица», 2013. – Т.1. – С. 263-267.

12. Трохимчук, К. А. Научные исследования пылевого загрязнения

атмосферы городов как элемент обучения в магистратуре по направлению

«Техносферная безопасность» [Текст] / К. А. Трохимчук, Ю. Г. Лапынин //

Динамические процессы в современном социокультурном пространстве

России : заоч. науч.-практ. конф., сб. материалов конф., 1 дек. 2013г. – 15 янв.

2014 г. – Волжский : Изд-во фил. МЭИ, 2014. – С. 176-177.

13.

Трохимчук,

К.

А.

О

влиянии

государственных

районных

электрических станций

на загрязненность мелкодисперсной пылью

городских территорий [Текст] / К. А.Трохимчук // Письма в Межд. науч.

журнал «Альтернативная энергетика и экология». – 2014. – №1. – С. 32-33.

14.Трохимчук, К. А. Устройство для всасывания загрязняющих веществ в

зонах промышленных площадок [Текст] / К. А.Трохимчук // Двадцатая

межвуз. науч.-практ. конф. молодых ученых и студентов : тез. докл., г.

Волжский, 26-30 мая 2014г. – Волжский : Изд-во фил. МЭИ, 2014. – С. 46-47.

15. Трохимчук, К. А. Прогнозирование аварийных ситуаций в системе

«атмосферный воздух – почвенный слой» на объектах нефтегазового

комплекса [Текст] / К. А.Трохимчук, И. А.Гвоздков // Качество внутреннего

воздуха и окружающей среды : материалы VI Междунар. науч. конф., 14-18

мая 2008г., Волгоград. – Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2008. – С. 58-62.

16. Трохимчук, К. А., Малярчук Ю. И. О математических моделях

моделирования динамики воздушных потоков при земляных работах [Текст]

/ К. А. Трохимчук, Ю. И. Малярчук // Двадцать первая межвуз. науч.-практ.

конф. молодых ученых и студентов : тез. докл., г. Волжский. 15-29 мая 2015

г. – Волжский : Изд-во фил. МЭИ, 2015. – С. 147-148.

17. Трохимчук, К. А. Особенности подготовки конкурентноспособных

специалистов для энергетической отрасли [Текст] / К. А. Трохимчук, В. Н.

Курьянов // Динамические процессы в современном социокультурном

пространстве России : заоч. науч.-практ. конф., сб. материалов конф.–

Волжский : Изд-во фил. МЭИ, 2015. – С. 122-125.

18. Трохимчук, К. А.

Экспериментальные исследования процессов

распространения пыли в зонах строительных отвалов [Текст]

/ К. А.

Трохимчук [и др.] // Актуальные проблемы гидролитосферы : сб. докл. 3-го

Нац. науч. форума. – Кисловодск : [РИА-КМВ], 2015. – С. 280-287.

19. Трохимчук, К. А. О загрязнении атмосферного воздуха городской

среды при строительных земляных работах [Текст] / К. А. Трохимчук [и др.]

// Актуальные проблемы гидролитосферы : сб. докл. 3-го Нац. науч. форума.

– Кисловодск : [РИА-КМВ], 2015. – С. 389-398.

21

Трохимчук Катерина Алесеевна

Исследования пылевого загрязнения воздушной среды при земляных

работах в строительстве

05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского

хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Подписано в печать 21.10.2015 г. Заказ № Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0

Формат 60х84 1/16

Бумага писчая. Печать плоская.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

400074, Волгоград, ул. Академическая, 1

Отдел оперативной полиграфии



Похожие работы:

«МОГУЛКИН АНДРЕЙ ИГОРЕВИЧ МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМАЦИЙ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Специальность 05.07.05 – Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2015 Официальные оппоненты: Марахтанов Михаил Константинович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,...»

«Зиборов Дмитрий Михайлович ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПРОПИЛЕНГЛИКОЛЯ В КАЧЕСТВЕ УНИВЕРСАЛЬНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТЕПЛОВОМ ОБОРУДОВАНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ ПИТАНИЯ 05.18.12 Процессы и аппараты пищевых производств Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2015 Г.В. Плеханова. Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Ботов Михаил Иванович Официальные оппоненты: Воскобойников Владимир Александрович доктор...»

«Филатова Елена Геннадьевна ОЧИСТКА И ДООЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, ОСНОВАННЫЕ НА ИНТЕНСИФИКАЦИИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Специальность: 05.23.04 – Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Самара – 2015 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВО Иркутский национальный исследовательский технический университет на кафедре общеобразовательных дисциплин Научный...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.