Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В процессе проведения земляных работ происходит загрязнение атмосферного воздуха частицами пыли различных фракций. При этом наиболее пылящим является технологический процесс устройства котлована или траншеи, включающий разработку грунта с выгрузкой в транспортные средства или на бровку котлована или траншеи, где формируется строительный отвал, сложенный из природного грунта. Грунтовые массивы подвергаются климатическому воздействию, в частности интенсивной ветровой нагрузке, где наиболее подверженными данным условиям являются дисперсные породы. Происходит загрязнение атмосферного воздуха частицами различных фракций. Как отмечает целый ряд исследователей, наиболее опасными для жизнедеятельности человека являются мелкодисперсные частицы с размерами менее 2,5 мкм (РМ2,5) и не более 10 мкм (РМ10), образующиеся в большом процентном составе у дисперсных грунтов. Поэтому на сегодняшний день важной задачей является исследования процесса движения пылевоздушных потоков на территориях с антропогенной застройкой [1]. Поскольку наиболее полным исследованием для любых физико-химических процессов в приземном слое атмосферы является комбинация натурного и вычислительного эксперимента, то данная работа также выполнялась по этому принципу.

Цель исследования: изучение процесса динамики воздушных потоков у дисперсных горных пород Волгограда (глинистых и лессовых пород), задействованных при земляных работах путем проведения натурного и вычислительного эксперимента.

Материал и методы исследования

Для натурного эксперимента использована лабораторная аэродинамическая труба, представляющая собой установку для получения в рабочей части трубы искусственного равномерного прямолинейного потока воздуха, имитирующего действие ветра. Опыты в аэродинамической трубе основываются на принципе обратимости движения, когда движение воздуха набегает на неподвижное тело. Для моделирования движения тела в покоящемся воздухе в аэродинамической трубе создается равномерный поток, имеющий в любых точках равные и параллельные скорости (равномерное поле скоростей), одинаковые плотность и температуру. В качестве побудителя движения воздуха используются два осевых вентилятора мощностью 110 Вт и совершающих 1400 оборотов в минуту (рис. 1). Аэродинамическая труба снабжена панелью управления и соединена с компьютером, имеющим программное обеспечение, позволяющее задавать и фиксировать скорость потока воздуха, время проведения эксперимента, характер работы вентиляторов. Исследованы наиболее распространенные дисперсные грунты территории г. Волгограда: верхнечетвертичные лессовые породы валдайского горизонта; морские нижнехвалынские глины (образцы взяты из выветрелой поверхностной толщи и зоны природного естественного залегания); современные аллювиальные супеси; техногенный грунт. Дисперсный состав пыли определялся по методике [2] с использованием оптической микроскопии и программы «Dust».

В вычислительном эксперименте использованы геоинформационные технологии и методы решения задач по моделированию динамики распространения загрязняющих веществ.

Результаты исследования и их обсуждение

В результате проведенного эксперимента получены следующие значения весовой доли пылевой фракции дисперсного грунтового массива в зависимости от скорости ветра (таблица). Наиболее неустойчивым к ветровой нагрузке грунтом является техногенная порода, имеющая неоднородный состав и высокий процент пылеватой фракции. Весовая доля пылевой фракции колеблется от 2,34 до 4,89 % и зависит от интенсивности ветра.

Рис. 1. Схема лабораторной аэродинамической трубы: 1 – прямоточный воздуховод; 2 – отсек с двумя осевыми вентиляторами; 3 – панель управления; 4 – блок соединения с компьютером; 5 – компьютер

Результаты эксперимента по определению весовой доли пылевой фракции дисперсного грунтового массива в зависимости от скорости ветра

Верхнечетвертичные лессовые породы валдайского горизонта и современные аллювиальные супеси также склонны к пылевыделению, особенно при высоких скоростях ветрового потока. Весовая доля пылевой фракции данных дисперсных грунтовых массивов составляет от 1,12 до 2,35 % от двухкилограммовой навески (100 %), что связано с особенностями гранулометрического состава грунтов и физико-механическими свойствами.

К наименее пылевыделяющим грунтам относятся морские нижнехвалынские глины, весовая доля пылевой фракции которых колеблется от 0,05 до 1,94 %. Они являются более плотными и влажными, характеризуются высоким процентным содержанием глинистых минералов. Отмечена повышенная степень пылевыделения у морских нижнехвалынских глин в верхней, выветрелой поверхностной толще, имеющей более низкие показатели влажности и плотности. Кроме того, процесс выветривания глин сопровождается возникновением вторичных минералов, хорошо подверженных интенсивному пылевыделению.

Анализ существующих программных комплексов для моделирования динамики воздушных потоков показал, что они опираются на стандартные методы вычислительной гидродинамики: метод конечных элементов для несжимаемой жидкости и методы интегрирования уравнений Навье – Стокса для вязкой несжимаемой жидкости. На рис. 2 изображена диаграмма развертывания программных модулей, разработанной специализированной ГИС на безе программного комплекса «AirFlowBuild», который является наиболее оптимальным для моделирования динамики воздушных потоков на территориях, задействованных в земляных работах [3, 4].

Рис. 2. Диаграмма развертывания программных модулей

Основной функционал программного комплекса распределяется следующим образом: интерфейс пользователя осуществляет контроль над всей геоинформационной системой; модуль работы с картой содержит функции открытия карты, добавления, удаления существующих зданий, строительных объектов и отображения карты пользователю; модуль визуализации 3D отвечает за построение 3D-модели рельефа; расчетный модуль (включает в себя:

а) блок расчета динамики примесей и аэрозолей, решающий уравнение диффузии по численным схемам;

б) блок «Газовая динамика» является внешним подключаемым модулем).

Разработанная информационная модель специализированной ГИС для моделирования динамики воздушных потоков предоставляет пользователям такие возможности, как:

а) работа с картографическими данными, в частности с картами рельефа местности в форматах 2D и 3D в различных вариантах отображения карты и объектов на карте;

б) выбор участка территории в любом масштабе, нанесение на карту существующих сооружений, объектов строительства и других конструкций (рис. 3);

в) экспорт карт в формат .grd;

г) построение срезов поверхности по выделенной траектории (рис. 4);

д) расчет динамики воздушных потоков и распространения загрязняющих примесей на территориях строительства в зонах с антропогенной застройкой осуществляется по двум методам: с использованием явной и неявной численных схем. Если выбранный пользователем метод не является оптимальным для данного расчета, система извещает об этом пользователя и предлагает провести расчет по другому методу. Проверка оптимальности решения по выбранной численной схеме осуществляется по условию

где δ = 3, если данное условие выполняется, то используется неявная численная схема;

е) визуализация произведенных расчетов путем построения 2D и 3D-моделей (рис. 5).

а б

в г

Рис. 3. Построение 3D-модели существующего застроенного массива с размещением строительного объекта: а – сплошной черный каркас; б – черный контур; в – черный контур и серый каркас; г – полупрозрачный каркас

Рис. 4. Отображение среза поверхности

Рис. 5. Расчет распространения примеси. Ветер восточный

Таким образом, программно реализован управляющий модуль «AirFlowBuild», включающий в себя интерфейс приложения и модуль для работы с картой и её объектами. Реализован 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. Разработан расчетный модуль, позволяющий моделировать динамику распространения примесей и аэрозолей с учетом внешних нестационарных факторов.

Заключение

Проведенные исследования показали, что переотложенные грунтовые массивы, особенно дисперсного характера, в отвалах и накоплениях изменяют физико-механические свойства, что сказывается на степени пылевыделения и характере загрязнения атмосферного воздуха. На основании проведенных экспериментов на лабораторной аэродинамической трубе получено, что наиболее выветриваемым грунтом является техногенная пылеватая порода, имеющая неоднородный состав и высокий процент пылеватой фракции. Также склонны к пылевыделению верхнечетвертичные лессовые породы валдайского горизонта и современные аллювиальные супеси, особенно при высоких скоростях ветрового потока. К наименее пылевыделяющим грунтам относятся морские глинистые отложения.

Расчеты, проведенные на основании математических моделей: приземного слоя атмосферы и динамики загрязняющих примесей, которые достаточно точно описывают динамику движения воздушных потоков и характер переноса загрязняющих веществ, что позволяет сформировать информационную модель специализированной геоинформационной системы. Программно реализован управляющий модуль «AirFlowBuild», включающий в себя интерфейс приложения и модуль для работы с картой и её объектами, также реализован 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. Разработан расчетный модуль, позволяющий моделировать динамику распространения примесей и аэрозолей с учетом внешних нестационарных факторов. На основании проведенных исследований представляется возможным расчет характеристик источников выбросов загрязняющих веществ в период строительства, в частности коэффициента весовой доли пылевой фракции [4], а также осуществление прогнозов по характеру выбросов загрязняющих веществ в атмосферу городской среды при подготовке проектной документации в разделах «Оценка воздействия на окружающую среду» и «Перечень мероприятий по охране окружающей среды».

Рецензенты:

Азаров В.Н., д.т.н., профессор, генеральный директор, ООО «НИПИ Волгогорхимстрой», г. Волгоград;

Грига А.Д., д.т.н., профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника», филиал, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Волжский.

Работа поступила в редакцию 10.04.2015.