CC BY
38
УДК 656.21+504.5
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЙ ВЫБРОСАМИ В АТМОСФЕРУ ТЯГОВЫМ ПОДВИЖНЫМ СОСТАВОМ
Е.Э.Червотенко1, А.Р.Калинина2
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, 680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
Рассматривается вариант задачи выбора схемы железнодорожных станций с учетом экологических факторов. Приводится модель рассеяния примеси, с помощью которой может быть произведен анализ загрязнений территорий станций и рассчитан экологический ущерб. Ил. 7. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: железнодорожная станция; экологические факторы; выбросы тепловозов; распространение выбросов; экологический ущерб.
ESTIMATION OF RAILWAY STATIONS' POLLUTION BY EMISSIONS INTO THE ATMOSPHERE FROM DIESEL MOTIVE POWER E.E.Chervotenko, A.R.Kalinina
Far Eastern State Transport University, 47 Serisheva St., Khabarovsk, 680021.
The problem of a choice of the railway station scheme considering ecological factors is examined. The analysis of railway stations' pollution and the ecological damage is calculated in the basis of dispersion of an impurity technique. 7 figures. 6 sources.
Key words: railway station; ecological factors; emissions of diesel locomotive; distribution of emissions; ecological damage.
Железнодорожные станции являются крупными многофункциональными предприятиями железнодорожного транспорта. Их работа сопровождается постоянным негативным воздействием на окружающую природную среду, что является следствием обычного функционирования станционного комплекса и проявляется в повышенном, по сравнению с обычным, уровне загрязнения атмосферного воздуха, земель, водных объектов и шума.
Схемы железнодорожных станций должны соответствовать специфике их работы. Компоновка основных элементов и устройств станции в виде схемы выступает как определяющий фактор технологии ее работы и в итоге оказывает прямое влияние на показатели работы станции. В основе экономического сравнения разрабатываемых альтернативных вариантов лежит принцип соизмерения годовых эксплуатационных расходов с общей суммой капитальных вложений. Однако оценка вариантов только с экономической точки зрения не является достаточной, так как она не учитывает всех аспектов, влияющих на различные стороны деятельности объекта.
В качестве критерия выбора варианта схемы станции с учетом экологических факторов предлагается использовать аналог метода приведенных затрат, включающих в себя совокупный ущерб, наносимый компонентам окружающей среды вследствие принимаемого решения:
П = Э + Ен К + £У,. ^ min , (1)
i = 1
где Э - текущие затраты по варианту; Ен - норма
эффективности капитальных вложений; К - капитальные вложения в вариант строительства (переуст-
n
ройства) станции; ^Уi - совокупный ущерб окру-
i = 1
жающей среде, вызванный негативными экологическими последствиями варианта.
Железнодорожные станции занимают значительные участки земли. Так, крупные сортировочные станции размещаются на территории шириной 300 - 700 м и длиной 4 - 7 км, что обуславливает отчуждение угодий до 500 га.
Наиболее распространенными загрязнителями территории станции являются нефть и нефтепродукты, мазут, дизельное топливо, масла и смазочные материалы, фенолы, сажа, а также остатки перевозимых грузов и бытовые отходы. Площадь загрязненной поверхности на станциях составляет до 30 % от общей территории, занимаемой станцией.
Диапазон загрязнения на различных участках станции разный. Исследования, проведенные на станции Хабаровск-2, показали: по взвешенным веществам концентрация колеблется от 155 мг/л до 1100 мг/л; по нефтепродуктам от 8 до 121 мг/л; по БПК от 95 до 250 мг/л. Приведенные значения концентрации
1Червотенко Елена Эдуардовна, кандидат технических наук, доцент кафедры станций, узлов, технологий грузовой и коммерческой работы, тел.: 89145471849, е-mail: elena_chervotenko@mail.ru
Chervotenko Elena Eduardovna, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair "Stations, junctions, technology of cargo and commercial work", tel.: 89145471849, е-mail: elena_chervotenko@mail.ru
2Калинина Анна Робертовна, аспирант, тел.: 89098016534, е-mail: hell.k@mail.ru Kalinina Anna Robertovna, a postgraduate student, tel.: 89098016534, е-mail: hell.k@mail.ru
загрязняющих веществ превышают предельно - допустимые концентрации для сброса сточных вод в водоемы и пониженные места [1].
Наибольшее загрязнение земляного полотна и верхнего строения пути на станциях наблюдается в горловинах парков, в районах тупиковых путей для смены поездных локомотивов и прицепки - отцепки горочных и маневровых, в районах путей надвига на горку и путей роспуска составов, а также вытяжных путей формирования и расформирования составов. На рис. 1 показаны зоны наибольшего загрязнения станционной территории станции Хабаровск-2.
Основной парк маневровых локомотивов на отечественных дорогах представлен дизельными конструкциями. Удельный вес тепловозной тяги на сети железных дорог России составляет 47 %. Дизельный тяговый подвижной состав выбрасывает в атмосферу 1,9 млн. т вредных веществ ежегодно [2].
Поэтому задача определения ущерба, наносимого станцией, является важнейшей составляющей при выборе схемы станции.
Одной из составляющих задачи определения ущерба является расчет количества выбросов загрязняющих веществ подвижными источниками на терри-
Рис. 1. Зоны наибольшего загрязнения на станции Хабаровск - 2: наиболее загрязнённые места
В наиболее загрязненных местах станции Хаба-ровск-2, таких как путь роспуска, район тормозных позиций, где происходит интенсивный производственный процесс, процент неорганических загрязнений доходит до 11% от общего веса балласта. Например, на малоэксплуатируемом сортировочном пути, спустя год после замены балласта, загрязнения составили почти 6%.
Таким образом, в местах с интенсивной маневровой работой, где наиболее часто сменяются режимы хода и торможения, образуется наиболее сильное загрязнение.
тории железнодорожных станций. Распространение выбросов в атмосфере происходит по механизмам турбулентной диффузии и конвективного переноса. Рассеяние облака выброса за локомотивом сопровождается сухим осаждением или гравитационным оседанием частиц сажи, отложением аэрозолей и адсорбцией паров на предметах по направлению воздушного потока. Схема, представленная на рис. 2, отображает рассеяние выбросов по оси пути за маневровым локомотивом.
Расчет количества примеси выполняется с использованием методики, разработанной учеными
Рис. 2. Схема распространения выбросов за маневровым локомотивом
I EN I
Транспорт
КубГУ [3]. Рассеяние легкой и тяжелой примеси описывается начально-граничной задачей:
dq dq да — + U — - W — + aq = dt дх dz
=±кхда+дк да+дkzда+f, t е [to,тi
дх дх ду дх dz dz
q(t0, х, у, z) = ффх, у, z),
К % + Wq дz
=ы.
(2)
(3)
(4)
q(t,х,у,z) ^ 0, х2 + у2 + z2 z > 0 , (5) где q(t,х,у,z) - средняя концентрация примеси в атмосфере, мг/м , в момент времени t в точке (х,у,z); Кх,Ку,Kz- коэффициенты турбулентной диффузии, м2/с, соответственно вдоль осей OX,OY,OZ; U -компонента геометрической суммы скоростей ветра и локомотива, м/с, вдоль оси OX ; W - скорость гравитационного осаждения частиц примеси, м/с; a - коэффициент, характеризующий убывание примеси из атмосферы; ф(х, у, z) - фоновая концентрация, мг/м3;
Vs - скорость сухого осаждения, см/с; f - функция источника.
Плотность осадка P(t,х,у,z0), г/м2, в точке (х,у) на высоте z0 , м, за время действия источника (Vs = const > 0):
P(t, х,у,zo) = JP(T, х,у, zo) дт, гдеP(t,х,у,z0) = Vsq(t,х,у,z0)- поток примеси на поверхность, г • с/м2, находящуюся на высоте z = z0.
Количество примеси Ps, г, выпадающей на площадку S, м , расположенную на высоте z = z0: _ t
Ps = Vs JJJq(T,х,у,z0) дт дх ду.
0 S
Тепловоз является передвижным источником выброса и рассматривается в задаче как мгновенный, точечный источник.
Для мгновенного, точечного источника с координатами (X, Y, H)
f (t, х, у, z) = QS(t)8(х -X)8(у - Y)8(z - H), где - Q = const > 0- мощность источника, г/с; H -
высота источника примеси, м; при условиях
U = const, р = 0,
Кх = Ку = K0U = const > 0, К0 = const > 0, Kz = К2 zn, К2 = const > 0, 0 < n < 2.
(6)
Для легкой примеси (Ж = 0) решение задачи при условиях (6) имеет вид
q(t, х, у, z) =
Q
4п(2 -n)K0UK2(t -t0)2Hn-j { H,
2 . 2
I-n
z Л ~
x exp<^
xI,-я
(х- U(t- tp)) + у 4K0U(t -10)
2-n
2(zH) 2
!+ H2
(2 - n)2 К 2 (t -10)\
exp |-[а(^;
где 1а{г) - модифицированная функция Бесселя мнимого аргумента.
Для тяжелой примеси (( = Ж ф 0) решение задачи имеет следующий вид:
Wz1
Wz1
x exp
N Q(zH)2Kl(z.) k
q(t, х, у, z) = ——-—^-x
4n(t -10)2 K0UK2
( (х-U(t-10)))у2 - zj(z + H 4K0U (t-ta) K2(t -10)
xI
Wzj
( I Л
2 z1(zh )2
k2(t -10)
exp < —"а^дя >.
Данная задача просчитывается в точках (Х1 ,У]),
обуславливаемых местонахождением источника. Передвижения локомотива и его положение определяются в соответствии с суточным планом-графиком работы станции. Для определения координат точек пути станции разбиваются на отрезки. Центр каждого отрезка является узлом, в котором может находиться источник. Поэтому каждый узел можно рассматривать как отдельный точечный, мгновенный источник с заданной интенсивностью. Используя решение задачи (2 - 5), можно получить распределение загрязняющих
к
Рис. 4. Графическое изображение пл<
веществ на территории станционной площадки и, суммируя результаты, определить полное загрязнение.
В качестве примера приводятся результаты расчетного эксперимента, определяющего поток сажи на единицу площади станционной площадки при выполнении работы по расформированию состава в горловине участковой станции, схема которой представлена на рис. 3.
Маневровая работа производится на вытяжном пути локомотивом ТЭМ-2 способом осаживания. Вытяжной путь и горловина имеют уклон 2,5 о/оо в сторону парков путей. Состав из 20 вагонов включает три отцепа, следующих на пути сортировочного парка. Нормы времени на выполнение операций, не связанных с движением (изъятие тормозных башмаков, расцепление вагонов, разъединение тормозных рукавов и др.), определялись в соответствии с [4].
В период расформирования данного состава выполняется 8 полурейсов с максимальной скоростью передвижения 15 км/ч. Каждый полурейс состоит из трех элементов: разгон, движение с установившейся скоростью и торможение. Между полурейсами локомотив работает на «холостом ходу».
Расчеты времени для каждого полурейса, определение скоростей движения в «узлах» при разгоне,
ости осадка сажи в режиме разгона
[6], Н = 7 м, ив = 0,5 м/с, К0 = 0,1 м, К2 = 0,1 м, п = 0,15 , « = 0 , V = W = 0,1 м/с, ^ = г0 = 0,5 .
Графики плотности осадка, полученные в режиме разгона для пятого полурейса (масса состава 1115 т, длина полурейса 418,71 м), при скоростях 1, 5, 9, 13 км/ч за время / = 1 с представлены на рис. 6.
В режиме тяги при скорости 15 км/ч плотность осадка за 1 с показана на рис. 5.
Рис. 5. Графическое изображение плотности осадка сажи в режиме тяги
Графики, учитывающие замедление движения состава при подходе к вагонам, стоящим на путях, до безопасной скорости соударения, представлены на рис. 6.
Рис. 6. Графическое изображение плотности осадка сажи в режиме служебного торможения
торможении, движении производились аналитическим методом [5], с использованием тяговых характеристик тепловоза ТЭМ-2.
Доля эффективности мощности дизеля при производстве описываемой маневровой работы составляет 0,02 - 0,25.
Графическое изображение плотности осадка сажевых частиц на площадку получено с использованием следующих параметров метеоусловий и источника примеси: < = 0,02 г/с и < = 0,009 г/с соответственно при маневровом передвижении и на «холостом ходу»
В режиме «холостого хода» при / = 1 с график имеет вид, представленный на рис. 7.
Анализ полученных графически результатов показывает, что осадок сажевых частиц на площадку распределяется неравномерно. При возрастании скоростей движения осадок примеси сносится на некоторое расстояние от источника выбросов, при этом плотность осадка уменьшается.
Полученные значения плотности осадка в различных точках территории станции незначительны, но здесь необходимо учитывать ежедневную интенсив-
ность маневровых передвижений в данном районе станции, а также то, что сажа обладает высокой стабильностью и длительный период сохраняется в условиях среды во взвешенном состоянии. Поэтому небольшие количества сажи, оседающие на площадку за длительный период, приводят к значительным ее концентрациям. За период рассматриваемой маневровой работы в районе горловины и вытяжного пути осядет 11,52 г сажи. За год в данном районе станции только за период расформирования, формирования 10 составов из 60 вагонов осадок сажевых частиц составит около 250 кг.
Режим накопления неблагоприятен тем, что последствия такого загрязнения проявятся по истечении большого периода времени. Контроль за количеством и интенсивностью накопления таких загрязнений на территории железнодорожных станций отсутствует, также отсутствуют документы, регламентирующие ликвидацию этих загрязнений.
Рис. 7. Графическое изображение плотности осадка сажи в режиме «холостого хода»
Таким образом, определив количественные характеристики загрязнений на основании представленной модели, можно посчитать наносимый ими ущерб компонентам окружающей среды.
1. Червотенко Е.Э. Решение экологических проблем при комплексном проектировании железнодорожных станций: монография. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. 70 с.
2. Носырев Д.Я., Скачкова Е.А., Росляков А.Д. Выбросы вредных веществ локомотивными энергетическими установками: монография. М.: Маршрут, 2006. 248 с.
3. Семенчин Е.А., Лоскутова Е.О. Методика расчета количества примеси, выпадающей из атмосферы на горизонтальную поверхность от точечного источника // Экологические системы и приборы. 2007. № 11. С. 40-43.
ский список
4. Нормы времени на маневровые работы, выполняемые на железнодорожных станциях ОАО «РЖД», нормативы численности бригад маневровых локомотивов. Утверждены 08.02.2007 г.
5. Кузьмич В.Д., Руднев В.С., Френкель С.Я. Теория локомотивной тяги: учебник для вузов железнодорожного транспорта / под ред. В.Д.Кузьмича. М.: Изд-во Маршрут, 2005. 448 с.
6. Зубрев Н.И., Байгулова Т.М., Зубрева Н.П. Теория и практика защиты окружающей среды: учебное пособие / под ред. проф. Н.И. Зубрева М.: Желдориздат, 2004. 392 с.
