/
Автор: Медведева В.Т.
Теги: природа охрана окружающей среды рациональное природопользование охрана природы мониторинг окружающей среды рекреационное использование природы экология безопасность жизнедеятельности
ISBN: 5-8297-0090-5
Год: 2002
Текст
Инженерная
экология
V ч е о и и л
ВТ
UNIVERS
Рекомендовано Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по электротехническим
и электроэнергетическим специальностям
Инженерная
экология
Под редакцией профессора В. Т. Медведева
в°ощ
•*Яо
B*te
«4а
°тЁНл
яхтащ
***%?;***
оц0
Ала
хяиг н**Ых
пРо,
е***в
evec*„ e*°e
с«в«
c°<*tt
*с*ов
jApt»*puku
Москва, 2002
УДК 502.3(075.8)
И62
Рецензенты:
лауреат Государственной премии СССР
доктор технических наук, профессор Л.И. Селезнев
доктор технических наук, профессор Л.С. Стрижко
И62 Инженерная экология: Учебник / Под ред. проф. В.Т.
Медведева. — М.: Гардарики, 2002. — 687 с: ил.
ISBN 5-8297- 0090-5 (в пер.)
Впервые на единой методологической основе рассмотрены вопросы
воздействия на окружающую среду не только загрязняющих веществ химического
и биологического происхождения, но и таких факторов, как шум, вибрация,
ионизирующие и неионизирующие излучения, электрический ток и др
Представлены основные методы анализа процессов в окружающей среде при
воздействии на нее различных антропогенных факторов. Описаны методы и
средства контроля и защиты окружающей среды от различных факторов,
негативно влияющих как на окружающую среду, так и на человека —
неотъемлемой составляющей системы окружающая среда—человек—окружающая
среда.
Для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Инженерная
защита окружающей среды», «Безопасность технологических процессов и
производств», «Защита в чрезвычайных ситуациях» по направлениям «Защита
окружающей среды» и др. Может быть использован практиками, а также в системах
послевузовского образования и повышения квалификации
УДК 502.3(075.8)
ББК 20.18
В оформлении переплета использован фрагмент картины
Пьера Роя начала 1930-х гг.
ISBN 5-8297-0090-5
© «Гардарики», 2002
© Коллектив авторов, 2002
Предисловие
На пороге нового тысячелетия человечество, столкнувшееся в
уходящем XX веке с крайне обострившимися противоречиями между
своими растущими потребностями и неспособностью биосферы обеспечить
их, мучительно ищет пути выхода из этой кризисной ситуации.
Развитие науки, техники и технологии обеспечило рост материальных благ
людей, но одновременно оказалось ответственным за сползание к
глобальной экологической катастрофе.
Сегодня передовые научные школы объединяются вокруг идеи
«устойчивого развития», предполагающей такое цивилизованное
развитие, которое не разрушает своей природной основы,
гарантируя человечеству возможность выживания.
Одним из направлений экологических знаний является экология
человека, приобретающая в современном мире социальную и
экономическую значимость. С экологией человека тесно связана
инженерная экология, решающая задачи создания инженерных методов
исследования и защиты окружающей природной среды. Однако
когда речь идет об инженерно-экологических проблемах, как
правило, говорится о загрязнении воздуха, воды, почвы, реже - о
шумовом и электромагнитном загрязнениях среды, а некоторые вопросы
вообще остаются вне сферы внимания. Поэтому особую значимость
имеет комплексный подход к проблеме инженерно-экологического
обеспечения производственных предприятий на основе единой
методологии, с учетом последних достижений в различных отраслях
знаний (охрана окружающей среды, промышленная безопасность,
инженерная защита окружающей среды и др.).
В этой связи в системе знаний следует выделить инженерную
экологию, являющуюся комплексной научно-технической дисциплиной.
Объектом исследования в инженерной экологии являются системы,
образовавшиеся и длительное время функционирующие в результате
взаимодействия конкретного вида общественного производства с
окружающей его природной средой При этом теоретические и методические
положения инженерно-экологических исследований и их реализация
одинаковы для всех видов общественного производства,
взаимодействующих с природной средой. Наиболее характерными и
информативными системами, образовавшимися в процессе промышленного
производства как объектов исследования в инженерной экологии, являются при-
родно-промышленные системы.
6
Предисловие
Учебник «Основы инженерной экологии» подготовлен коллективом
авторов кафедры инженерной экологии и охраны труда Московского
энергетического института (технического университета): д-ром техн.
наук, проф. В.Т. Медведевым (гл. 5, 11, 17, 18, § 2.11, 4.2, 8.11—8 13,
19.4), канд. техн. наук, доц. В.В. Скибенко (§ 2.1, 2.2, 2.6, 2.7, 2.9, 2 10,
3.1—3.5, 4.1, 4.3—4 5), канд. техн. наук, доц. А.К. Макаровым (§ 2.3—
2.5, 3.6, 12.1), доц. С.Г. Новиковым (предисловие, гл. 1, 6, § 15.1, 152),
д-ром техн. наук, проф. Е.С. Колечицким (гл. 7), ст. прел. Н Н. Кар-
ташевой (§ 8.1—8.10), ст. преп. Л.Н. Копыловой (§ 9.1—9.3), канд.
техн. наук, доц. Б.И. Соболевым (§ 9.4—9.10), ст. преп В.В. Корочко-
вым (§ 2.8, 15 2), канд. техн. наук, доц. Т.Н. Масловой (гл. 13, § 12.2,
19.1, 19.2), канд. техн. наук, доц. А.В Каралюнцем (гл. 14, § 15.3, 19 3,
19.5), канд. техн. наук, доц. B.C. Малышевым (гл. 16).
Авторы выражают признательность сотрудникам кафедры:
научному сотруднику М.А. Пугачеву, старшему преподавателю Л.Н.
Копыловой и доценту Т.Н. Масловой за помощь в оформлении рукописи.
Особую благодарность коллектив авторов выражает доктору
технических наук Ю Г. Басову за помощь в написании § 8.11—8.13.
Часть I. МЕСТО ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
В СИСТЕМЕ ЗНАНИЙ О ЧЕЛОВЕКЕ И ПРИРОДЕ
Гл а в а 1
КОНЦЕПЦИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
1.1. Основные понятия
Для большинства людей, живущих на планете Земля, очевидно,
что, вступая в XXI в., человечество тянет за собой тяжелый «воз»
нерешенных проблем XX в. — века технического прогресса, не
только одарившего нас немыслимыми ранее благами цивилизации, но и
поставившего сообщество людей на грань экологического кризиса.
Одной из таких нерешенных проблем является защита
окружающей среды от постоянно возрастающего техногенного воздействия.
В XX в. человечество вступило в эру глобальных технологических
процессов, затрагивающих окружающую природную среду в целом.
Вместе с тем развитие техники насытило нашу жизнь дома, на
работе огромным количеством устройств, приспособлений, приборов,
которые в корне изменили воздействующую на нас каждую минуту
окружающую «микросреду». В повседневной жизни мы стали
обращать все больше внимания на электромагнитные поля, шумы,
ионизирующие излучения и т.д.
В XX в. планета Земля стала действительно нашим общим домом
во многих смыслах: политические системы сближаются;
информационные технологии делают нас соучастниками событий,
одновременно происходящих в разных уголках планет; современный
транспорт переносит нас в считанные часы в любую географическую
точку. Необходимо сделать этот общий дом чистым и безопасным
для жизни.
Проблемы защиты окружающей среды затрагивают всех людей.
От них не скрыться ни на другом континенте, ни в самом глубоком
бомбоубежище. Пытаясь разобраться в проблемах воздействия
человека на окружающую среду, способах защиты от негативных
проявлений этого воздействия, человечество создало множество наук
и научных направлений, каждое из которых оперирует своей
терминологией, использует свои- методы исследований. Постараемся ра-
8 Часть I. Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе
зобраться в этом многообразии научных направлений, понятий и
определений и выделить среди них необходимые для практической
инженерной деятельности
Начнем с основополагающих понятий и определений. В
последнее время появилось огромное количество словосочетаний,
использующих классический термин «экология». Например, говорят об
«экологии классической», «экологии общей», «экологии города»,
«экологии космической» и т.д. Подобные словосочетания
обозначают отдельные направления экологических знаний. В ряде случаев
употребляют некорректные словосочетания типа «экология дома»,
«экология района» и т.п. для обозначения состояния окружающей
среды в доме, районе. Так что же такое «экология»?
Экология (греч. oikos — дом, logos — наука) — наука,
изучающая условия существования живых, организмов, их. взаимосвязь
между собой и средой, в которой они обитают.
Термин предложен немецким ученым Эрнстом Геккелем в
1886 г. Изначально экология рассматривалась как наука,
исследующая закономерности жизнедеятельности организмов в их
естественной среде обитания, т.е. как биоэкология. В настоящее время этот
термин употребляют для обозначения системы экологических
знаний, состоящей из различных направлений, каждое из которых
может выступать в качестве самостоятельной науки (рис. 1.1).
Экология рассматривает некую значимую для живого объекта
(в частности, человека) совокупность природных и социальных
явлений с точки зрения интересов этого живого объекта. Выделим
среди всего многообразия научных направлений, составляющих
систему экологических знаний, антропогенную экологию или,
по-другому, экологию человека В общем виде антропогенная
экология — это наука, исследующая общие законы взаимодействия
биосферы и человека, влияние природной среды (в ряде случаев и
социальной) на человека. При этом под «человеком» подразумевается
антропосистема, состоящая из различных структурных уровней
человечества, его групп и индивидуумов.
Homo sapiens, появившийся как биологический вид более
миллиона лет назад в кайнозойскую эру, развивается по общим законам
экологии. Однако социальная природа (сущность) человека ставит
его по отношению к общему миру живой природы в особое
положение. Человек — существо разумное — активно влияет на среду
своего обитания, преобразует ее в соответствии со своими
потребностями и, как следствие, становится «заложником» изменяющейся
окружающей среды
Глава 1 Концепция инженерной экологии
9
Экология
систематических групп
(биоэкология)
Экология: проктариот
грибов, растений,
животных
Экология сред жизни,
сфер ее распространения
и географических
подразделений
Аэрология,
гидробиология,
литоэкология, экология
лесов и пустынь
Хронозкология
Историческая экология,
археэкология,
эволюционная экология
Инженерная экология
Прикладная экология,
технологическая
экология,
сельскохозяйственная
и промышленная
экология,
экологоэкономическая
наука
Социальная экология
Экология семьи,
популяционная экология
экология человека,
эколог ия
народонаселения,
Экология иерархии
живого
Молекулярная экология,
генеэкология,
экология клеток и тканей
физиологическая
экология, экология
особи,популяционная
экология, экология вида,
сообществ,
биоценология,
биогеоциокология,
биосферология
Концептуальная
и экспериментальная
экология
Аналитическая
экология,
теоретическая
экология
Экология поселений
Урбоэкология,
экология строительства
Факторальная экология
(аутоэкология)
Физическая экология,
химическая экология,
Экология антропогенных
воздействий
Рис
Направления знаний в экологии
Человеческое общество основано на потреблении в самом
широком смысле этого слова Хозяйственная деятельность человека
развивается в зависимости от его потребностей. Она базируется на
производстве, развитие которого предполагает использование природы
и ее разнообразных ресурсов. На определенном этапе развития лю-
10 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
бого общества неизбежно возникает противоречие между человеком
и природой, между производством и естественными экологическими
системами.
Антропогенная экология является междисциплинарной наукой,
базирующейся на комплексе «экологизированных»
фундаментальных наук и прикладных дисциплин, решающих проблемы
рационального взаимодействия общества и природы. Особое место среди
прикладных дисциплин, входящих в антропогенную экологию, занимает
инженерная экология.
Инженерная экология — прикладная дисциплина,
представляющая собой систему научно обоснованных
инженерно-технических мероприятий, направленных на сохранение качества
окружающей среды в условиях растущего промышленного производства.
Инженерная экология возникла на стыке технических, естественных и
социальных наук.
В отечественной литературе наряду с термином «инженерная
экология» часто используют термины, близкие по смыслу, но не
являющиеся синонимами, например: «прикладная экология»,
«промышленная экология», «безопасность жизнедеятельности», «защита
окружающей среды», «охрана окружающей среды», «охрана труда»
и т.п. Особо следует отметить два последних термина.
Охрана окружающей среды по определению представляет собой
систему правовых, технических и санитарных мер, обеспечивающих
рациональное использование, сохранение и воспроизводство
природных ресурсов. Охрану окружающей среды следует отнести к
направлениям, широко использующим экологические знания,
имеющие скорее смысл запретов или ограничений (технических,
юридических, организационных и т.п.) нежели оптимизации
природопользования. С другой стороны, охрана окружающей среды является
системой, практически реализующей те целенаправленные
действия, которые формируются (с научным обоснованием и
опытно-экспериментальными подтверждениями) в рамках самостоятельной
научной дисциплины «Инженерная экология»
Что касается термина «охрана труда», то, казалось бы, он
отстоит еще дальше от понятия «экология», но это только на первый
взгляд. Если принять тезис о том, что внутрипроизводственная
окружающая среда и люди, работающие в ней, взаимодействуя,
образуют локальные экологические системы, с чем трудно не
согласиться (определение локальной экологической системы дается ниже), то
все рассуждения об охране окружающей среды окажутся
справедливыми и для прикладной научной дисциплины «Охрана труда»,
Глава 1 Концепция инженерной экологии
11
только на другом уровне взаимодействия человека и окружающей
его среды. Охрана труда — система обеспечения безопасности
жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности,
включающая правовые, социально-экономические, организационно-
технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические,
реабилитационные и иные мероприятия.
В результате наших рассуждений можно выстроить
иерархическую структуру рассмотренных понятий (рис. 1.2).
Экология
Антропогенная экология
Инженерная экология
Охрана окружающей среды
Охранатруда
Рис 1.2 Место инженерной экологии в системе экологических знаний
Понятийный аппарат инженерной экологии включает в себя
множество терминов, сформированных на стыке различных областей
знаний. Рассмотрим некоторые из них.
Биосфера (греч. bios — жизнь, spharia — шар) — оболочка
Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов,
охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю
часть литосферы. Биосфера возникла 3,5...4,5 млрд лет назад и
представляет собой результат взаимодействия живой и неживой
материи. При этом как живое вещество является «функцией»
биосферы, так и биосфера — результат развития живого вещества. Как
пример можно привести тот факт, что 99% всего вещества в
верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами.
Суммарная масса живых организмов Земли оценивается примерно в
2,41012 т. Биосфера развивается. Человеческое общество является
одним из этапов развития жизни на Земле, т.е. одним из этапов
биогенеза. Отличительной чертой биогенеза на современном этапе
эволюции является влияние разума (разумной деятельности человека).
Следовательно, биогенез получил характерный признак ноогенеза.
Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в
ноосферу.
Ноосфера — сфера разума, высшая стадия развития биосферы,
связанная с возникновением и развитием в ней человечества, когда
12 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
разумная человеческая деятельность становится главным
определяющим фактором глобального развития.
В настоящее время наряду с классическими понятиями
«биосфера» и «ноосфера» выделяется новое состояние природной среды —
техносфера (биотехносфера). Техносфера может
рассматриваться как некоторая интегральная совокупность актов
трудовой деятельности человека, в рамках которых происходит
развитие всех реальных процессов, протекающих в биосфере.
Техносфера является результатом техногенеза, который, в
свою очередь, может рассматриваться как дестабилизирующий
фактор в биосфере —- изначально равновесной системе.
Именно инженерная экология является ведущим элементом
преобразования биосферы в ноосферу. Одним из центральных в
инженерной экологии является понятие «экологическая система»
(экосистема), которая относится к классу сложных систем
(невозможность строгого математического описания, многозвенность
структурного состава и многосвязность составляющих структурных
единиц).
Экологическая система — это совокупность совместно
обитающих разных видов организмов и условий их существования,
находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом. Наряду с
приведенным достаточно простым определением существуют более
сложные. Приведем, например, одно из них
Экологическая система — информационно-саморазвивающаяся
термодинамически открытая совокупность биотических
экологических компонентов и абиотических источников вещества и энергии,
единство и функциональная связь которых в пределах характерных
для определенного участка биосферы времени и пространства
обеспечивают превышение на этом участке внутренних закономерных
перемещений веществ, энергии и информации над внешним обменом
и на основании этого неопределенно долгую саморегуляцию целого
под управляющим воздействием биотических и биогенных
составляющих.
Частным, более узким понятием, близким к термину
«экосистема», является термин «биогеоценоз». Биогеоценоз (греч. bios —
жизнь, geo — Земля, cenoz — сообщество) — однородный участок
земной поверхности с определенным составом живых и костных
компонентов и динамическим взаимодействием между ними
Экосистема может включать в себя несколько биогеоценозов.
Биогеоценозы — это природные образования. Любой биогеоценоз
Глава 1 Концепция инженерной экологии
13
является экологической системой, но не всякая экосистема
является биогеоценозом.
В качестве экологической системы можно рассматривать озеро,
луг, а можно и космический корабль, являющийся замкнутой
автономной системой жизнеобеспечения. Где-то между лежит
промышленное предприятие со всеми многоуровневыми связями с
окружающей природной средой. Пойдем еще дальше, утверждая, что любое
помещение (комната, цех и т.д.), в котором человек проводит
значительную часть жизни, также является экосистемой со всеми
присущими ей признаками. Таким образом, в качестве экологической
системы может рассматриваться любое промышленное
предприятие, включающее в себя материальные, энергетические и людские
ресурсы, занятые в производственном процессе. Подобные
экологические системы имеют свои особенности: неадекватность поведения
естественных и искусственных объектов, составляющих
экосистему; многомерность протекающих в системе процессов,
формирующих экосистему. В дальнейшем будем называть эти процессы для
экосистем типа «человек — производственный объект —
окружающая среда» деградационными процессами.
Очевидно, что экологические системы могут быть разного
уровня. Например, классические экосистемы могут быть:
микроэкосистемами (например, горшок с цветком, ствол гниющего дерева и т п.);
мезоэкосистемами (лес, пруд и т.д.); макроэкосистемами (океан,
континент и т п.).
Введем подобную классификацию для экологических систем
«человек—производственный объект—окружающая среда». Будем
считать, что такие экосистемы могут быть трех уровней:
• глобальные (крупный промышленный регион, например Кан-
ско-Ачинский топливно-энергетический объект — КАТЭК);
• региональные (любое промышленное предприятие,
включающее в себя промышленную площадку и санитарно-защитную зону,
например, АЭС);
• локальные (цех. производственное предприятие, любое
помещение, включая рабочее место, квартиру и др ).
Сразу отметим, что, рассматривая локальные экологические сис-
|емы, будем говорить о качестве внутрипроизводственной
окружающей среды (в английском языке существует очень емкий термин для
|бозначения таких сред — inside environment).
Следующая группа терминов охватывает понятие
«экологический фактор». Экологический фактор — элемент среды,
оказывающий существенное влияние на живой организм или, по-другому,
14 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
любое условие среды, на которое «живое» реагирует
приспособительными реакциями (за пределами приспособительных
способностей лежат летальные факторы).
Экологические факторы принято делить:
• на факторы неживой среды (например, климатические —
температура, влажность, свет, давление);
• биотические — факторы живой среды, связанные с влиянием
живых существ;
• антропогенные — факторы, возникающие в процессе
деятельности (планируемой и случайной, постоянной и прошлой) человека,
причем деятельность человека может быть бытовой,
производственной и также связанной с военными действиями. '
Систематизация информации об экологических системах типа
человек—производственный объект—окружающая среда, а также
разработка технических методов защиты как человека, так и
окружающей его среды проводится на основе обобщенного понятия
«антропогенный производственный фактор». Антропогенный
производственный фактор (АПФ) — фактор, способный вызвать
негативные изменения здоровья человека, непосредственно занятого в
производственном процессе, и антропогенные изменения
окружающей среды, подверженной воздействию данного производственного
процесса. Еще раз подчеркнем, что речь идет о факторах, которые
обусловлены трудовой, производственной деятельностью.
Эти факторы можно классифицировать по разным признакам.
По своей природе АПФ могут быть: физическими, химическими,
биологическими, психофизиологическими.
По своему действию АПФ могут разделяться:
• на вредные — АПФ, воздействия которых на работающих в
определенных условиях приводят к заболеванию или снижению
работоспособности (например, шум, вибрация, электромагнитные
поля);
• опасные — АПФ, воздействия которых на работающих в
определенных условиях приводят к травме или другому резкому
ухудшению здоровья (электрический ток, газообразный хлор в
определенных концентрациях, шум, вибрация и др.);
• особо опасные — АПФ, которые при определенных условиях
приводят к промышленной аварии, т.е. разрушительному
высвобождению собственного энергозапаса промышленного предприятия, при
котором сырье, промежуточные продукты, продукция предприятия,
отходы производства, установленное на промышленной площадке
технологическое оборудование, вовлекаясь в аварийный процесс, со-
Глава 1. Концепция инженерной экологии
15
здают факторы для населения, персонала, окружающей среды и
самого промышленного предприятия, приводящие к
катастрофическим последствиям (ионизирующие излучения, пожар, взрыв, выброс
большого количества газообразного хлора и др.).
Следует отметить, что вредные антропогенные
производственные факторы носят, как правило, детерминированный характер, а
опасные и особо опасные — стохастический характер. В
количественную оценку стохастических АПФ входит вероятность
возникновения данного фактора.
Таким образом, предметом исследования инженерной экологии
является взаимодействие технологических и природных процессов
в промышленно-природных системах — экологических системах
«человек — производственный объект — окружающая среда»
различных уровней.
Выявление и анализ антропогенных производственных
факторов, разработка комплекса способов и средств, позволяющих
достигнуть гармонизации взаимодействия человека с окружающей средой,
являются по существу инженерно-экологическим обеспечением про^
изводственного процесса.
Исчезновение с лица Земли сотен тысяч видов зверей, птиц,
пресмыкающихся и земноводных, о чем свидетельствует «Красная
книга», страницы которой стремительно заполняются; увеличение
заболеваний органов дыхания, пищеварения, сердечно-сосудистой
системы, злокачественных новообразований и т.д. — все это
происходит на фоне неизменного, даже катастрофического роста
населения планеты и ухудшения экологической ситуации. Рост
народонаселения сопровождается значительным ростом валового мирового
продукта, который с начала XX в. и до наших дней увеличился
примерно в 350 раз, при этом объем потребления природных ресурсов
(питательные вещества, энергоресурсы и т.д.) за этот же период
возрос в десятки раз (в «душевом» исчислении). И все это
сопровождается социальными и политическими потрясениями. Экстенсивные
формы хозяйствования, которые имели место во многих развитых в
научно-техническом отношении странах, привели к значительной
деградации окружающей среды (ОС). К сожалению, переход на
интенсивные ресурсо- и энергосберегающие технологии пока не дает
Желаемых результатов, так как темпы повышения эффективности
производства отстают от роста его объемов. На первый взгляд,
экономическая ситуация, сложившаяся в РФ, приведшая к
значительному спаду производства, должна была положительно отразиться на
состоянии ОС. Однако снижение капиталовложений в природоо-
16 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Легкая
Оборонная
Пищевая
Химическая
Деревообрабатывающая
Угольная
Промстройматериалы
Газовая
Машиностроение
Нефтепереработка
Нефтедобыча
Черная металлургия
Цветная металлургия
Электроэнергетика
О 5 10 15 20 25 Доля,%
Рис 1 3 Доля выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух
промышленностью (1996 г )
хранные мероприятия, увеличение количества автотранспорта и
несанкционированные сбросы, выбросы и накопление твердых отходов
нивелировали положительную производную, наметившуюся в
процессе формирования экологической ситуации.
Вместе с тем, есть ряд отраслей промышленности, которые на
протяжении десятилетий остаются лидерами антропогенного
загрязнения ОС (рис. 1 3) Наибольший негативный вклад в формирование
экологической ситуации вносит электроэнергетика. Для
наглядности в табл. Г. 1 приведены данные по динамике загрязнения ОС от
электроэнергетики
В крупных городах наблюдается рост концентрации оксида
углерода и диоксида азота за счет увеличения автомобильного
транспорта. Увеличилось количество городов с наибольшим загрязнением
атмосферного воздуха в РФ. Такие изменения имеют объективную
причину, обусловленную переходом на стандарт Всемирной
организации здравоохранения (ВОЗ). Например, при оценке концентрации
бензола нормативы ВОЗ в четыре раза жестче предельно
допустимой концентрации (ПДК).
В ряде регионов наблюдается рост средних концентраций таких
загрязнителей, как бензапирен Такое развитие событий не вселяет
оптимизма, так как бензапирен является одним из самых
распространенных и сильнодействующих канцерогенов. В городах, где его
концентрация составляет 2 .4 ПДК, частота заболеваний раком у
лиц старше 40 лет увеличивается на 12...20%, а при концентрациях
выше 4 ПДК на 22"...24%.
Глава 1 Концепция инженерной экологии
17
Таблица I 1
Показатель
Е
Всего, т
В том числе, т
твердых
жидких и газообразных
сернистого ангидрида
оксида углерода
оксида азота
углеводов при отсутствии
ЛОС*
то же при наличии ЛОС
Уловлено и обезврежено, %
Объем использованной
воды, м*
Объем оборотной и повтор-
нопоследовательно
используемой ВОДЫ, №>
Экономия свежей воды, %
Отведени
Всего, м3
В том числе загрязненных
Из них, м3
без очистки
нормативно-чистых
нормативно очищенных
* Локальные очистные соору
житель
ыброс
10*
103
10J
10'
1,03
103
103
103
—
106
106
е вод
106
to6
106
106
106
жения
1993 г
вредных
5898,2
1812.8
4086,0
2489,4
190,7
1384,2
2,6
1,0
84,4
32435
74370
70
з поверхн
28469
1318
1066
29967
183,9
1994 г
веществ
5267,4
1556,0
3711,4
2254,9
218,6
1200,0
3,9
1,0
84,0
29197
69932
71
остные в
25573
1246
1051
24147
179,7
1995 г
5017,7
1453,1
3564,6
2134,0
248,0
1136,8
4,0
0,9
84,2
28426
69446
71,0
одоемы
24956
1090
813
23692
174,4
1994 г
в % к
1993 г
89,3
85,08
90,8
90,6
114,6
86,7
151.7
101,0
99,5
90,0
94,0
101,4
89,9
94,5
98,6
89,5
97,7
1995 г
в % к
1994 г
95,3
93,4
96,0
94.6
113,5
94,7
110,8
87,8
100,2
97,4
99,3
100,0
97,6
87,5
77,4
98,1
97,1
Разовые концентрации взвешенных веществ оксида углерода,
диоксида азота, сероводорода, фенола, сажи, формальдегида, фторида
водорода и некоторых других веществ выше ПДК в 65...90%
городов. Ежегодно выделяются города с самым высоким уровнем
загрязнения воздуха, в которых индекс загрязнения атмосферы (ИЗА)
равен или выше 14 В 1996 г. приоритетный список включал 44
города. Некоторые города появились в этом списке впервые
(Владимир, Новомосковск, Соликамск, Сызрань). Несколько приоритетных
городов (Екатериш^лвФвтитаи, Чалившие* « матерых ИЗА мень-
18 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Газовая
Нефтедобыча
Промстройматериалы
Пищевая
Легкая
Оборонная
Нефтепереработка
Цветная металлургия
Угольная
Черная металлургия
Машиностроение
Электроэнергетика
Химическая
Деревообрабатывающая
О 5 10 15 20 Доля, %
Рис 1.4 Доля сбросов загрязненных сточных вод промышленностью (1996 г.)
ше 14, сохранены в новом приоритетном списке. Это связано с тем,
что хотя в целом для города ИЗА меньше 14, в некоторых районах
Екатеринбурга (юго-запад), Саратова (центр города), Челябинска
(центр города) уровень загрязнения атмосферы остается очень
высоким.
Не лучшим образом обстоит дело с состоянием водных объектов
(рис. 1.4).
В местах водопользования населения 29% проб не отвечают
установленным нормам по санитарно-химическим показателям и
26,6% — по микробиологическим показателям. В целом по России
более 20% проб из коммунальных и ведомственных водопроводов
не соответствуют гигиеническим нормам по санитарно-химическим
показателям и соответственно 8,9 и 13,6% — по
микробиологическим. Накопление твердых отходов негативно сказывается на
состоянии почвенного покрова. Около 17% проб почвы не отвечает
санитарно-гигиеническим нормам. Тяжелые металлы, пестициды и
полихлорированные бифенилы — далеко не полный перечень
вредных веществ, загрязняющих почву.
Экосистема постоянно находится под воздействием физических
антропогенных факторов (вибрация, шум, электромагнитные и
радиоактивные излучения). Так, свыше 30% жителей городов России
подвержены акустическому воздействию, превышающему
нормативные уровни. В Москве более 3 млн человек проживает в зонах
акустического дискомфорта (30,3% площади селитебной
территории).
Глава 1 Концепция инженерной экологии
19
Интенсивное внедрение новейших средств связи, расширение
традиционных систем информации, телекоммуникаций и
электроснабжения привели за последние 10 лет к росту интенсивности не-
ионизирующих электромагнитных излучений в 20...30 раз.
Решением ВОЗ электромагнитное загрязнение ОС включено в число
важнейших экологических проблем многих регионов. По итогам
социологических исследований эти проблемы вышли на одно из первых
мест среди проблем, наиболее беспокоящих население РФ. Выход
из создавшегося положения только один — с окружающей средой
нужно быть на Вы.
Система «человек—окружающая среда» — замкнутая, любое
нарушение баланса в ней может привести к катастрофическим
последствиям. Например, в процессе эволюции в природе сложился
тепловой баланс, определяемый аккумулированием энергии в
органических соединениях и рассеянием ее в виде тепла.
В отличие от автотрофных растений, в которых начинается
трансформация солнечной энергии в органические соединения,
человек использует органические вещества, сжигая их и переводя
запасенную энергию в тепло. При добыче энергетических ресурсов
человек разрушает биологический состав почв и способствует ее
деградации. Хозяйственная деятельность человека при использовании
природных ресурсов крайне неэффективна.
1.2. Организационно-правовые основы
инженерной экологии
Проблема гармонизации взаимодействия человека с
окружающей средой является комплексной, требующей для своего решения
усилий в различных направлениях: техническом, организационном,
административном, экономическом, социальном. Правовая база ре-
щения этой комплексной проблемы должна опираться на строгие
юридические нормы.
Из числа действующих нормативных правовых актов в этой
области следует прежде всего выделить Закон Российской Федерации
«Об охране окружающей природной среды» — комплексный
нормативный акт, ориентированный на складывающиеся в нашей стране
рыночные отношения и предусматривающий решение следующих
задач:
• охрана окружающей природной среды, а через нее охрана
здоровья человека;
20 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• предупреждение вредного воздействия хозяйственной или
иной деятельности;
• оздоровление окружающей среды путем улучшения ее
качества.
Ведущим принципом данного Закона является научно
обоснованное сочетание экологических и экономических интересов. В
соответствии с Законом нормативы качества окружающей природной
среды должны устанавливать научно обоснованную меру сочетания
экологии и экономики. Создание стройной системы нормативов
вредного воздействия на окружающую природную среду через
критерии качества — одно из достоинств Закона.
Работоспособность данной системы нормативов поддерживается
тремя факторами:
• соответствием современному уровню развития науки и
техники и международным стандартам;
• утверждением специально уполномоченными органами
государства;
• обязательностью данных нормативов для всех хозяйствующих
субъектов и ответственностью предприятий, организаций и граждан
за их исполнение.
Чтобы обеспечить выполнение нормативов качества
окружающей природной среды, Закон формулирует экологические
требования, которые он предъявляет ко всем хозяйственным структурам.
Они адресуются предприятиям, организациям, учреждениям
независимо от форм собственности и подчиненности, а также
гражданам.
Закон предъявляет экологические требования к экономике на
трех уровнях:
• к хозяйствующим субъектам;
• стадиям хозяйственного процесса (планирование,
проектирование, размещение, строительство, ввод в эксплуатацию,
эксплуатация объектов);
• видам хозяйственного воздействия (сельское хозяйство,
мелиорация, энергетика, строительство городов и т.д.).
Здесь проявляется сочетание общеэкологических требований к
экономике независимо от профиля предприятия с особенностями
воздействия каждого из них.
Центральной темой настоящего Закона является человек, охрана
его жизни и здоровья от неблагоприятного воздействия
окружающей среды, вызванного экономикой. В Законе человек представлен
Глава 1 Концепция инженерной экологии
21
не только как субъект активной преобразовательной деятельности,
но и как объект воздействия отрицательных последствий его
хозяйственной работы. В Законе выделен особый раздел, где
характеризуется право граждан на здоровую, благоприятную среду.
Механизм реализации Закона сочетает в себе экономические
методы хозяйствования с административно-правовыми мерами
обеспечения качества окружающей природной среды.
Экономический механизм охраны окружающей среды должен
обеспечить высокий экономический интерес природопользователя в
экологии. Возможны разные пути достижения этой цели. Один из
них заключается в создании прямых экономических стимулов в
охране окружающей природной среды: финансирование,
кредитование, налоговые льготы при внедрении экологически чистых
технологий. Другие оказывают влияние на экономический интерес через
изъятие части денежного дохода в качестве платы за пользование
ресурсами, а также в качестве налога за экологически вредную
продукцию или выпускаемую с применением экологически опасных
технологий.
Наиболее существенным показателем экономического
стимулирования, предусмотренным в Законе, является плата за
пользование природными ресурсами. Различаются два вида платежей,
которые зависят от двух видов пользования: за изъятие, т.е. за
потребление природного вещества; за сброс, выброс, размещение отходов
производства в природной среде. Платежи за пользование
направляются в местные бюджеты для расходования на нужды охраны и
воспроизводства соответствующих видов природных ресурсов.
Платежи за выбросы, сбросы и размещение отходов перечисляются
загрязнителем в экологические фонды. Закон подробно регулирует
режим государственных экологических фондов, порядок их
образования и расходования средств.
Система экономического стимулирования дополняется в Законе
мерами административно-правового воздействия:
• экологической экспертизой;
• экологическим контролем;
• ответственностью за экологические правонарушения.
Государственная экологическая экспертиза является
обязательным актом, предшествующим принятию хозяйственного решения.
Экологический контроль представлен в двух формах —
системой мониторинга окружающей среды и государственным
контролем.
22 Часть I Место инженерной экологи в системе знаний о человеке и природе
Система экологического законодательства Российской
Федерации состоит из двух подсистем: природоохранительного и природо-
ресурсового законодательства.
Природоохранительное законодательство, к которому относится
и Закон «Об охране окружающей природной среды», является
многоуровневым. По горизонтали он подразделяется на законы, указы,
постановления правительства, нормативные акты министерств и
ведомств; по вертикали — на федеральные нормативные акты,
нормативные акты республик в составе РФ, областей, краев, автономных
образований.
Природоресурсовое законодательство дополняется такими
документами, как Земельный кодекс Российской Федерации, Закон
Российской Федерации «О недрах», Лесной кодекс Российской
Федерации, Водный кодекс Российской Федерации и т.д.
Структура системы государственного управления в области
экологии и природопользования России представлена на рис. 1.5.
Юридические нормы, направленные на обеспечение качества
внутрипроизводственной окружающей среды, закреплены в ряде
законодательных актов. Основополагающий — «Основы
законодательства Российской Федерации об охране труда» — устанавливает
Совет
Безопасности
Президент России
I
Двухпалатный парламент
Государст-
венная Дума
I
Совет
Федерации
Правительство России
т
Министерства, комитеты,
ведомства
Служба
советника
по экологии
Органы республик, краев, областей,
автономных образований, городов, районов
I
Специально уполномоченные органы охраны окружающей среды
Z I
комплексные
отраслевые
функциональные
территориальные
Рис 1 5 Структура государственного управления в области экологии и
природопользования России
Глава 1 Концепция инженерной экологии
23
гарантии осуществления права трудящихся на охрану труда и
обеспечивает единый порядок регулирования отношений в области
охраны труда между работодателями и работниками на предприятиях,
в учреждениях, организациях всех форм собственности независимо
от сферы хозяйственной деятельности и ведомственной
подчиненности. Они направлены на создание условий труда, отвечающих
требованиям сохранения жизни и здоровья работников в процессе
трудовой деятельности и в связи с ней; другими словами, на
обеспечение экологической безопасности.
Законодательство Российской Федерации об охране труда
состоит из соответствующих норм Конституции Российской Федерации,
«Основ законодательства Российской Федерации об охране труда»
и издаваемых в соответствии с ними законодательных и иных
нормативных актов РФ и республик в составе РФ. Действие
законодательства распространяются на: предприятия, учреждения и
организации всех форм собственности независимо от сферы хозяйственной
деятельности и ведомственной подчиненности; работодателей;
работников, состоящих с работодателями в трудовых отношениях;
работников кооперативов; студентов учреждений высшего и
среднего образования, проходящих производственную практику.
Основными направлениями государственной политики по
обеспечению безопасности жизнедеятельности являются:
• признание и обеспечение приоритета жизни и здоровья
работников по отношению к результатам производственной деятельности
предприятий;
• координация деятельности в области охраны труда и охраны
окружающей природной среды;
• установление единых нормативных требований по охране
труда для предприятий всех форм собственности;
• государственное управление деятельностью в области охраны
труда, включая государственный надзор и контроль за соблюдением
законодательных и иных нормативных актов об охране труда;
• проведение эффективной налоговой политики,
стимулирующей создание здоровых и безопасных условий труда, разработку и
внедрение безопасных техники и технологий, средств коллективной
и индивидуальной защиты работников;
• подготовка специалистов соответствующей квалификации, в
том числе в учреждениях высшего и среднего профессионального
образования;
• международное сотрудничество при решении проблем охраны
труда и экологической безопасности.
24 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Государство в лице органов законодательной и исполнительной
власти с учетом консультаций с объединениями работодателей,
профессиональными союзами и иными уполномоченными
работниками представительными органами разрабатывает, осуществляет и
периодически пересматривает согласованную политику в области
обеспечения безопасных условий труда и жизнедеятельности
населения.
Каждый работник имеет право на охрану труда, в том числе:
• на рабочее место, защищенное от воздействия вредных,
опасных и особо опасных антропогенных производственных факторов;
• йозмещение вреда, причиненного ему увечьем,
профессиональным заболеванием либо иным повреждением здоровья, связанными
с исполнением трудовых обязанностей;
• получение достоверной информации от работодателя или
государственных и общественных органов о состоянии условий и
охраны труда на рабочем месте; о существующем риске ухудшения
здоровья, о принятых мерах по его защите от воздействия
антропогенных факторов;
• участие в проверке и рассмотрении вопросов, связанных с
улучшением условий и охраны труда и др.
Вместе с этим каждый работник должен:
• соблюдать нормы, правила и инструкции по охране труда;
• правильно применять коллективные и индивидуальные
средства защиты;
• немедленно сообщать своему непосредственному
руководителю о любом несчастном случае, происшедшем на производстве, о
признаках профессионального заболевания, а также о ситуациях,
которые создают угрозу жизни и здоровью людей.
Государственное управление охраной труда осуществляет
государственный орган, функции и полномочия которого в области
охраны труда определяются Президентом Российской Федерации или
по его поручению Правительством Российской Федерации. Нормы
и правила, утвержденные этим государственным органом,
обязательны для исполнения на территории РФ всеми министерствами и
ведомствами, предприятиями всех форм собственности независимо
от сферы хозяйственной деятельности и ведомственной
подчиненности. Должностные лица государственного органа управления
охраной труда имеют право беспрепятственного посещения
предприятий всех форм собственности независимо от сферы хозяйственной
деятельности и ведомственной подчиненности и доступа к
необходимой информации.
Глава 1. Концепция инженерной экологии
25
С целью оперативного управления и контроля в системе
обеспечения безопасности жизнедеятельности наряду со службами по
охране окружающей среды на предприятиях создаются службы охраны
труда или привлекаются специалисты по охране на договорной
основе.
Для организации сотрудничества по охране труда работодателей
и работников на предприятиях с численностью работников более
10 человек создается совместный комитет (комиссия) по охране
груда, в который на паритетной основе входят представители
работодателей, профессиональных союзов и иных уполномоченных
работниками представительных органов.
Ответственность за состояние условий и охраны труда на
предприятии возлагается на работодателя.
Экономический механизм обеспечения безопасности
жизнедеятельности включает в себя следующее.
• Планирование и финансирование мероприятий по охране
труда'. Финансирование охраны труда осуществляется за счет
ассигнований, выделяемых отдельной строкой в республиканском
бюджете РФ. Формируются фонды охраны труда на федеральном,
территориальном уровнях, а также фонды охраны труда предприятий.
• Обеспечение экономической заинтересованности
работодателя во внедрении более совершенных средств охраны труда.
Например, прибыль предприятий, полученная за счет создания
новых, более безопасных технологий и средств производства, а также
за счет выпуска и реализации средств и приборов контроля
производственной окружающей среды, может подлежать льготному
налогообложению в соответствии с налоговым законодательством РФ.
• Обеспечение экономической ответственности работодателя за
опасные и вредные условия труда на предприятии, за выпуск и сбыт
средств производства, не отвечающих требованиям по охране труда,
а также за вред, причиненный работникам увечьем,
профессиональным заболеванием либо иным повреждением здоровья, связанными
с исполнением ими трудовых обязанностей.
• Предоставление работникам компенсаций и льгот за тяжелые
работы и работы при вредных или опасных условиях труда, не
устранимых при современном техническом уровне производства и
организации труда.
Необходимо отметить, что в большинстве случаев не
представляется возможным провести разграничение между задачами,
решаемыми службой по охране труда и службой по охране окружающей
26 Часть I. Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе
среды. Поэтому тесное взаимодействие специалистов этих служб
или объединение их усилий, направленных на создание безопасных,
в том числе и в экологическом отношении, условий
жизнедеятельности человека, отвечают задачам инженерной экологии.
Гл а в а 2
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА АТМОСФЕРУ
2.1. Структура и состав атмосферы
Атмосфера — газовая оболочка Земли массой около 5,9 • 1015 т,
компоненты которой распределены неравномерно. В зависимости от
температуры можно выделить несколько зон, располагающихся на
различных высотах от Земли.
Самый близкий к поверхности Земли слой называется
тропосферой. Его высота в средних широтах составляет 10...12 км над
уровнем моря, над экватором - 16...18 км и на полюсах 7...10 км.
В тропосфере температура воздуха изменяется с +40°С до -50°С,
снижаясь на 0,6°С при подъеме на каждые 100 м.
Выше тропосферы расположен слой толщиной около 40 км,
который называется стратосферой. В стратосфере воздух более
разрежен и влажность его невысока. Температура в стратосфере до
высоты 30 км остается постоянной (около -50°С), затем повышается
до +10°С (на отметке 50 км). В стратосфере сконцентрирована
основная часть атмосферного озона, который поглощает
ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы.
За стратосферой, на высоте более 50 км, находится мезосфера.
В мезосфере температура вновь понижается и на высоте около 80 км
она равна 70°С.
За мезосферой расположена термосфера, не имеющая
определенной верхней границы. Температура в термосфере увеличивается
и на высоте 500...600 км достигает +1600°С.
Атмосферное давление с ростом высоты уменьшается. Под
действием солнечного излучения в атмосфере протекает множество
физико-химических реакций. До высоты 400...600 км состав атмосферы
характеризуется показателями, приведенными в табл. 2.1. На
высоте более 600 км начинает преобладать гелий, а выше 1600 км
преобладает водород.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 27
Таблица 2 I
Компонент
нижних слоев
атмосферы
Азот
Кислород
Аргон
Двуокись углерода
Неон
Гелий
Криптон
Ксенон
Содержание
% по
массе
75,52
23,15
! ,'28
0,046
1,2- Ю-з
7.2- Ю-5
3.3- Ю-4
3,9 • Ю-5
% по
объему
78,09
20,94
0,93
0,033
1,8 • Ю-3
5,2 • Ю-4
1 ¦ 10~4
8 ¦ Ю-6
Компонент
нижних слоев
атмосферы
Оксид азота
Водород
Метан
Диоксид азота
Озон
Диоксид серы
Оксид углерода
Аммиак
Содержание
% по
массе
2,5 ¦ 10-3
3,5 • Ю-6
0,8 • 10-4
8 • 10-5
Ю-6... Ю-5
% по
объему
2,5 ¦ Ю-4
5 • Ю-5
1,5 Ю-4
1,5- Ю-4
2 ¦ Ю-6
2 Ю-8
1 • 10-5
1 ¦ Ю-6
Неравномерность распределения по планете водных пространств
и суши, а также различия в степени нагрева отдельных участков
поверхности Земли приводят к изменению атмосферного давления
и разных районах, в результате чего возникают воздушные течения,
приводящие к общей циркуляции атмосферы.
По сравнению с другими компонентами биосферы атмосфера
имеет ряд присущих только ей особенностей: высокая подвижность,
изменчивость составляющих ее элементов; своеобразие
молекулярных реакций, в которых могут участвовать инертные газы.
Состояние атмосферы определяет тепловой режим поверхности
Земли. Различные соотношения тепла и влаги в воздухе являются
основными причинами существования различных географических
юн на Земле, которые в свою очередь являются определяющими при
формировании почвенно-растительного покрова, рельефа, стока рек
и др.
Атмосфера является жизненной средой и выполняет функцию
(ащиты жизни от воздействия открытого Космоса. Например,
отсутствие атмосферы привело бы к тому, что каждые три-четыре дня на
1 км2 поверхности Земли падал бы метеорит. Благодаря атмосфере
^того не происходит, так как большинство их сгорает в ее плотных
слоях. Кроме того, атмосфера дозирует поступление на поверхность
Земли солнечной энергии. При отсутствии атмосферы поверхность
Земли нагревалась бы до +100°С днем и охлаждалась до -100°С
ночью.
Озоновый и ионный слои атмосферы снижают воздействие
космических и рентгеновских излучений, ограничивают проникновение
ультрафиолетовых, инфракрасных лучей и др.
28 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Защищая поверхность Земли от воздействия различных
излучений, атмосфера в то же время пропускает достаточное количество
солнечной энергии, необходимой для осуществления реакции
фотосинтеза, освещения поверхности Земли, а также некоторое
количество ультрафиолетовых лучей, обеспечивающих санирующий
эффект. Газовый состав атмосферы формировался в течение
миллиардов лет. Параллельно с этим происходили эволюционные процессы
живой материи. В результате все живое на нашей планете
приспособилось к существованию в такой атмосфере. Атмосферный воздух
необходим для поддержания жизненных процессов и формирования
погодно-климатических условий на Земле.
Состояние среды обитания человека определяется
физико-химическими свойствами воздуха, его газовым составом, влажностью и
электрическими свойствами атмосферы. Среди физических свойств
воздуха следует выделить температуру. Основным источником
поступления тепла на поверхность Земли является солнечное
излучение, часть которого непосредственно нагревает воздух, а часть
проходит через него и облучает поверхность Земли. Эта энергия
частично поглощается, а частично отражается от поверхности Земли и
нагревает воздух.
Количество отраженных лучей зависит от фактуры, цвета,
влажности поверхности Земли. Для качественной оценки этих свойств
введено понятие «альбедо», которое характеризует отношение
отраженного излучения к падающему.
Количество энергии, поглощаемое атмосферой и поверхностью
Земли, составляет 1013 кВт
Средняя температура воздуха у поверхности Земли 14,2°С. Как
отмечено выше, в тропосфере температура воздуха с увеличением
высоты уменьшается. Однако в некоторых случаях наблюдаются
процессы, при которых внизу расположен более холодный воздух, а
вверху — более теплый. Такое явление называется тепловой
инверсией. Его можно наблюдать безоблачной ночью, когда Земля
излучает тепло, нагревая прилегающий к ней воздух, который, как
более легкий, поднимается вверх, а его место занимает холодный
воздух.
Перемещение воздушных масс — ветер, возникающий в
результате разности температур и давлений в разных регионах планеты,
влияет не только на физико-химические свойства самого воздуха,
но и на интенсивность теплообмена, изменение влажности,
давления, химического состава воздуха, снижая или увеличивая при этом
количество загрязнений.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 29
Конденсация атмосферного пара из-за изменения температуры
или наличия в нем пыли или других включений приводит к образо-
нанию аэрозолей, которые под влиянием последующих изменений
температуры, давления и движения воздуха могут скапливаться и
выпадать в виде осадков.
Электрические свойства воздуха формируются под
воздействием различного рода излучений, в первую очередь — солнечного.
Атомы газовых составляющих воздуха ионизируются, образуя
положительные и отрицательные ионы. Земля, обладающая
отрицательным потенциалом, притягивает положительные ионы. В
результате между Землей и атмосферой создается разность потенциалов
(150 В на 1 м высоты). В зависимости от погоды она может
возрастать до 50 000 В. Отрицательные ионы абсорбируются
коллоидальными частицами и, образуя аэрозоли, загрязняют воздух.
2.2. Классификация загрязнителей атмосферы
Воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду
зависит от их физических и химических свойств, свойств продуктов
деструкции и концентрации тех и других в выбросах и окружающей
среде. Важнейшим параметром, определяющим масштабы
распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в
ней. Исходя из этого выбросы загрязняющих веществ или сами за-
фязнители делятся на три типа:
• приводящие к загрязнению в глобальном масштабе — выбро-
гы веществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или
месяцы), способные распространяться в окружающей среде в
глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фре-
оны, радионуклиды с периодом полураспада от одного месяца и
больше);
• приводящие к загрязнению в региональном масштабе
(регион может охватывать территорию нескольких государств) —
выбросы веществ с ограниченным (обычно до нескольких суток) временем
/кизни в атмосфере, приводящие к загрязнению крупного региона,
ia пределами которого концентрация загрязнителя быстро падает,
однако в следовых количествах может наблюдаться повсеместно
(оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы);
• приводящие к загрязнению в локальном масштабе (на
сравнительно небольшой территории) — выбросы веществ с малым
временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород
н другие вещества, а также некоторые представители предыдущего
30 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
типа, например оксиды серы и азота, если они выбрасываются из
низких источников).
В зависимости от периодичности различают выбросы
постоянные (или непрерывные) и периодические (залповые), в том числе
аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасываются
в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и
различные вентиляционные устройства. В зависимости от их высоты
источники выброса подразделяются на высокие (Н > 50 м),
средней высоты (Н = 10...50 м), низкие (Н = 2... 10 м), наземные
(Я < 2 м).
2.3. Источники загрязнения атмосферы
Существуют два вида источников загрязнения атмосферы:
естественные и антропогенные. На рис. 2.1 представлены основные
источники загрязнения атмосферы [4-6].
Космическая пыль образуется из остатков сгоревших в
атмосфере Земли метеоритов. Ежегодно на Землю выпадает 2...5 млн т
космической пыли. Природная пыль также является составной частью
земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твердые
взвешенные в воздухе частицы радиусом 10~6...10~5 м и ядра
конденсации со средним радиусом 5 • 10~6 м.
Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое
происхождение и образуются в результате:
• разрушения и выветривания горных пород и почвы;
¦ вулканических извержений;
• лесных, степных и торфяных пожаров;
• испарения с поверхности морей.
Среди источников, загрязняющих пылью нижние слои
атмосферы, следует выделить безводные пустыни и степи. Пыль в атмосфере
не только способствует конденсации водяных паров и образованию
осадков, но и поглощает прямую солнечную радиацию и защищает
живые организмы от солнечного излучения.
Биологическое разложение веществ ведет к образованию и
вынесению в атмосферу больших количеств сероводорода, аммиака,
углеводородов, оксидов азота, оксидов и диоксидов углерода и др.
Мощность природных и антропогенных источников и их вклад в
общее загрязнение атмосферы являются предметом многих
исследований, результаты которых не всегда однозначны. Например,
вулканы в среднем за год выбрасывают в атмосферу Земли 30... 150 млн т
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 31
Загрязнение воздуха
z:
Антропогенное
Прочее
Жилища
Транспорт
Сжигание
Промышленность
Радиоактивное
Урановая
руда
Эксплуатация
реактора
Атомные
взрывы
Аварии
ТЭЦ
X
Естественное
Внеземное
(космическая
пыль)
Континентальное
Органическое
Растения
Животные
¦— Земное
Морское
Дым
Неорганическое
ривание
Вулканизм
Рис 2 1 Основные источники загрязнения воздуха
1азов и 30 ..300 млн т мелкодисперсного пепла, в то время как
стационарные источники в США и СССР выбрасывали 20...25 млн т
иыли в год, а мировой антропогенный выброс серы в 1980-х годах
составлял 100 млн т в год [2].
Основными источниками антропогенного загрязнения
атмосферы являются промышленность, сельское хозяйство, транспорт, энер-
|етика и др. При этом антропогенное воздействие на атмосферу
может быть как прямым, так и косвенным. Косвенное
воздействие — результат нарушения человеком экологического равновесия
и других компонентах биосферы, отражающийся в конечном итоге
па состоянии атмосферы К нему могут быть отнесены сведение
1есов на больших площадях; распашка обширных территорий; со-
щание крупных водохранилищ; изменение направления стоков рек;
мелиоративные работы; массовая добыча полезных ископаемых
открытым способом. Изменения свойств и характеристик поверхности
5емли влияют на: обменные процессы в энергетической системе
кмля — атмосфера; поверхностное альбедо; термические
характеристики земной поверхности и соответственно отдачу тепла в атмо-
32 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
сферу; влагосодержание поверхности, изменение которого вызывает
перераспределение влагообмена между поверхностью планеты и
атмосферой в пространстве и во времени.
Источниками прямого воздействия на атмосферу
антропогенных примесей являются теплоэнергетика, промышленность, нефте-
газопереработка, транспорт и др. Каждый из этих источников или
отраслей производства характеризуется выбросами специфических
примесей; состав последних насчитывает десятки тысяч веществ,
выявление и идентификации которых бывают затруднительны. К
наиболее распространенным выбросам промышленности относятся
следующие: зола, оксид цинка, силикаты, хлорид свинца, диоксид и
триоксид серы, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксид
и диоксид азота, аммиак, озон, оксид и диоксид углерода, фторово-
дород, хлороводород, радиоактивные газы, пыли и аэрозоли.
Ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу
поступает (с учетом очистки) более 20 млрд т диоксида углерода и более
700 млн т других паро- и газообразных соединений. Несмотря на то
что загрязненность атмосферы, например углекислым газом,
составляет 0,032%, диоксидом серы —0,000003% ПДК (при
поступлении 150 млн т в год), в промышленно развитых районах эти
показатели могут быть выше. Так, в Рурском и Донецком бассейнах
концентрация диоксида серы превышает среднее значение примерно а
1400 раз.
Ежегодно в атмосферу поступает около 2 млрд т пыли, из ния
200...400 млн т — пыль антропогенного происхождения. По прогноз
зам количество антропогенной пыли к 2005 г. может возрасти более
чем в два раза. Такая масса пыли может уменьшить прямую
радиацию при безоблачной погоде примерно на 6%, что соответствует
уменьшению суммарной радиации на 1%.
Наиболее негативное влияние на атмосферный воздух оказывает
автомобильный транспорт. Например, в США на его долю
приходится 60%> выбросов СО, а в Нью-Йорке и Лос-Анджелесе этот
показатель доходит до 90%. Не лучшим образом обстоит дело и в
Москве — примерно 80%. Как видно из табл. 2.2, бензиновые двигатели
выбрасывают больше несторевших углеводородов и продуктов их
неполного окисления (оксида углерода и альдегидов), чем дизельные.
Каждая машина с бензиновым двигателем за 15 000 км пробега
потребляет 4350 кг кислорода. При этом в окружающую среду выбрар
сывается: 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 93 к|
углеводородов, 27 кг оксидов азота [3].
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 33
Таблица 2.2
Загрязняющее
вещество
Диоксид углерода, %
Монооксид углерода, %
Оксиды азота, %
Углеводороды, %
Альдегиды, %
Сажа, г/м3
Бензапирен, мкг/м3
Содержание в выхлопных газах двигателей
карбюраторных
5 .12
0,5 ..12
0,0...0,8
0,2...0,3
0,0...0,2
ОД..0,4
До 10...20
дизельных
1,0.. 10
0,01 ..0,5
0,0002.. 0,5
0,009...0,5
0,001...0,009
До 10
До 10
Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании
богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут. Например,
среднее содержание серы в углях, используемых при получении
электроэнергии, составляет 2,5%, поэтому при сгорании в топках
электростанций 1 млн т угля выделяется до 25 тыс. т серы, главным
образом в виде сернистого газа (двуокиси серы).
Использование нефтепродуктов в качестве топлива приводит к
загрязнению окружающей среды продуктами горения, включая
соединения серы (S02 и S03). При перегонке нефти большая часть
серы из таких продуктов, как керосин и бензин, удаляется. В
отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит серы.
В этом отношении газ является экологически чистым топливом.
Диоксид серы, образующийся при сжигании топлива,
постепенно окисляется кислородом воздуха до трехокиси, которая сразу же
реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту, которая
присутствует в воздухе в виде легкого тумана, состоящего из капель.
Этот туман обладает высокой корродирующей способностью.
Диоксид серы S02 оказывает вредное действие на растения, так
как он, поступая внутрь листа, угнетает жизнедеятельность клеток.
При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами,
а потом засыхают. Диоксид и другие соединения серы раздражают
слизистую оболочку глаз, дыхательные пути, а продолжительное
действие даже малых концентраций S02 может вызвать
хронический гастрит, гепатопатию', бронхит, ларингит и другие болезни.
В атмосфере S02 окисляется до S03 каталитически под
воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того,
газообразный и растворенный в воде S02 может окисляться озоном
или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, S03 образует серную
2-4910
34 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
кислоту, которая с металлами образует сульфаты. Диоксид серы
существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в
зависимости от влажности и других характеристик атмосферы.
Переносу S02 на дальние расстояния и его рассеянию в верхних
слоях атмосферы способствуют высокие дымовые трубы, что
снижает локальное загрязнение атмосферы. За счет рассеяния
серосодержащих соединений увеличивается время их пребывания в
воздушной среде и, следовательно, степень их превращения в серную
кислоту и сульфаты.
В результате сгорания угля, нефти, газа большая часть
содержащейся в них серы превращается в диоксид серы, а атмосферный азот
реагирует с кислородом, образуя оксиды азота. При соединении с
атмосферной влагой эти оксиды образуют серную и азотную
кислоты, выпадающие с осадками. Мерой кислотности служит число
ионов водорода на 1 л воды. Обычно кислотность измеряют не как
отношение числа ионов водорода к числу молекул воды, а как
логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком. Эта
величина называется рН. Поскольку lg (0,0000001) = 7,
следовательно, рН = 7 характеризует чистую воду — не кислую и не
щелочную, а нейтральную.
Кислотные дожди оказывают влияние на популяции озерных
рыб, так как вода в озерах становится кислой. Например, в США
51% горных озер, расположенных в Адирондане, имеют рН
меньше 5. Поэтому в 90% этих озер полностью отсутствует рыба, хотя
в 30-х годах озера без рыбы составляли лишь 4% их общего числа.
В результате взаимодействия кислотных осадков с кальцием и
магнием, входящими в состав растворов и строительного камня,
происходит деградация строительных материалов. Особому риску
подвергаются скульптуры, выцветают и разрушаются краски, коррозируют
металлические элементы конструкций крыш и ферм мостов.
В сельской местности концентрация оксидов серы близка к
0,5 мкг/м3, в то время как в городах концентрация в 50...100 раз
выше.
В присутствии бензапирена двуокись серы увеличивает частоту
появления злокачественных опухолей, так как является
канцерогеном. Кроме того, двуокись серы помимо закисления озер инициирует
гибель лесов.
Соединения, содержащие серу, не только вымываются из
атмосферы при выпадении осадков, но и удаляются из нее под действием
гравитационных сил в сухом виде. Среднегодовое количество серо-
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 35
содержащих соединений, вымываемых из атмосферы над
территорией Европы, составляет около 12 • 106 т/год [6].
Другим наиболее опасным загрязнителем является оксид
углерода — газ, не имеющий цвета и запаха (наши органы чувств не в
состоянии его обнаружить). Ранее указывалось, что самым крупным
источником оксида углерода является автотранспорт. В
большинстве городов свыше 90% оксида углерода в воздух попадает
вследствие неполного сгорания углерода в топливе. Если при неполном
сгорании углерода образуется оксид углерода, то полное сгорание дает
конечный продукт в виде диоксида углерода СОг. Большое
содержание оксида углерода в атмосфере может привести к смерти от
удушья (асфиксии)
Рассмотрим вкратце этот процесс. Кислород поступает в легкие
при каждом вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное
русло. В крови кислород соединяется с гемоглобином. Эритроциты
разносят связанный гемоглобином кислород через сеть артерий и
капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки
попадает в клетки тканей тела. При наличии во вдыхаемом воздухе
оксида углерода прекращается процесс переноса кислорода,
поскольку молекулы оксида углерода соединяются с гемоглобином в
200 раз легче, чем кислород Оксид углерода, связанный с
гемоглобином, оттесняет кислород от его переносчика к клеткам тканей.
Чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше
гемоглобина прочно связывается с ним и становится неспособным
переносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с оксидом
углерода, называется карбоксигемоглобином.
Некоторые загрязняющие атмосферу вещества (оксиды азота и
углеводороды) вступают в фотохимические реакции, в результате
которых образуются новые загрязнители, в том числе озон и
альдегиды. Оксиды азота образуются в результате высокотемпературного
сгорания ископаемых видов топлива. При этом происходят реакции
двух типов:
• между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе;
• между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе.
Поэтому даже в тех случаях, когда в топливе не содержится
азот, все равно при его горении образуются оксиды азота. В
результате сжигания ископаемого топлива образуется 95% годового
выброса оксидов азота в атмосферу. При этом около 40% общего
объема выбросов приходится на автомобили и другие виды транспорта,
примерно 30% — на сжигание природного газа, нефти и угля в топ-
36 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ках электростанций, 20% .— на сжигание ископаемого топлива в
различных производственных процессах.
В атмосфере присутствуют пять основных азотсодержащих
газов: N2, NH3, NO, N02, N20. Основная информация, которой
располагают специалисты, о влиянии соединений азота на организм
человека относится к диоксиду азота. Изначально диоксид азота
составляет 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в
ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе
значительная часть оксида азота превращается в диоксид азота,
которая является гораздо более опасным соединением. Диоксид
азота — газ с неприятным-запахом, ослабляет адаптацию глаз к
темноте. Эффект воздействия диоксида азота на организм человека
связан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание. Люди с
хроническими заболеваниями легких испытывают затрудненность в
дыхании уже при концентрации N02 0,038 мг/м3. Кроме того, как и
оксид углерода, газообразный диоксид азота может связываться с
гемоглобином, делая его неспособным выполнять функцию
переносчика кислорода к тканям тела.
Частицы, взвешенные в воздухе, — еще одно серьезное
загрязнение атмосферы. В отличие от других загрязнителей частицы очень
разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в
виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, имеющие
различную природу происхождения. Например, при сгорании угля
образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не
только частицы золы (силикаты кальция) и частицы углерода (сажа),
но также частицы оксидов металлов, например кальция и железа.
В качестве сравнения следует отметить, что при сгорании около
500 кг угля образуется 35...55 кг золы, а при сгорании того же
количества нефти — всего 1 кг золы.
Жидкие углеводороды и жидкие производные углеводородов,
попадающие в атмосферу при неполном сгорании бензина и дизельного
топлива, усугубляют ситуацию, связанную с загрязнением
атмосферы вредными веществами. Не следует забывать, что атмосферный
воздух в городах загрязнен частицами свинца, которые образуются
при работе автомобильных двигателей. В среднем содержание
свинца в городском воздухе составляет 5 мкг/м3. Примерно 75% свинца,
содержащегося в бензине в виде добавок тетраэтилсвинца или тет-
раметилсвинца с целью улучшения антидетонационных
характеристик бензина и устранения преждевременных вспышек горючей
смеси при ее сжатии, выделяется в воздух с выхлопными газами
автомобилей.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 37
В загрязнении атмосферы вредными веществами большую роль
играют такие отрасли промышленности, как металлургия, легкая
промышленность, энергетика, стройиндустрия (табл. 2.3) [1].
Таблица 2.3
Отрасль
промышленности
Металлургическая
Химическая
Машиностроительная
Легкая
Стройиндустрия.
цементная
магнезитовая
асбестовая
деревообрабатывающая
Энергетика (ТЭЦ)
Состав выбросов в
атмосферу
Дым, пыль, свинец, ртуть,
мышьяк
Пыль, хлор, винилхлорид
Масла, щелочи, кислоты
Краски, аммиак, ацетон
Цемент, известь, пыль
Пыль, гипс
Пыль, асбест
Пыль, смолы, оксид углерода,
растворители
Дым, зола, оксид серы (IV)
Высота
трубы,
м
80...200
25...40
Дальность
распространения
выбросов, км
1,5...3,5
0,5...1
0,25.. 0,5
4
2 .3
1..1.5
3
1-1,5
2,5...5
Состояние атмосферного воздуха в Москве в конце 1980-х —
начале 1990-х гг. существенно не менялось, что видно из приведенных
н качестве примера средних годовых концентраций основных
загрязняющих веществ в атмосфере Москвы (табл. 2.4) [1].
Таблица 2.4
<.* Загрязнитель
атмосферы
Оксид серы (IV)
Океид углерода (II)
Диоксид азота
Оксид азота (11)
Сероводород
Аммиак
Фенол
Формальдегид
Бензол
Ксилол
Толуол
3,4 бензапирен, нг/м3
Средняя годовая
1987 г.
0,004
4,0
0,05
0,002
0.19
0,07
0,07
0,9
концентрация в
1989 г
0,001
3,0
0,09
0,135
0,001
0,10
0,006
0,008
0,19
0,13
0,20
0,4
Москве, мг/м3
1991 г.
0,001
3,0
0,09
0,093
0,001
0,01
0,003
0,005
0,19
0,09
0,32
0,7
пдк
0,05
3,0
0,04
0,06
0,04
0,003
0,003
0,1
0,2
0,6
1,0
38 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2.4
Загрязнитель
атмосферы
Тяжелые металлы
железо
кадмий
марганец
медь
свинец
хром
цинк
Средняя годовая
1987 г.
3,50
0,01
0,013
0,25
0,04
0,17
0,013
концентрация в
1989 г.
0,78
0,00
0,05
0,03
0,01
0,01
0,08
Москве, мг/м'5
1991 г.
0,43
0,0!
0,03
0,03
0,01
0,01
0,04
пдк
2.4. Последствия загрязнения атмосферы
Характер распределения загрязнений в атмосфере подчиняется
второму закону термодинамики. Различные загрязнители,
выброшенные из дымовых труб, постепенно рассеиваются в воздухе,
разбавляясь до уровней, не представляющих опасности. Ветры
увеличивают скорость рассеяния и перемешивания, а воздушные потоки,
направленные от земли, выносят загрязнения в верхние слои
атмосферы.
Однако могут возникнуть такие условия, при которых
атмосферные слои остаются стабильными. В результате этого загрязняющие
вещества вместо того, чтобы перемещаться в верхние слои
атмосферы, остаются вблизи поверхности земли, накапливаясь в больших
количествах, опасных для человека и окружающей среды. Инверсия
представляет собой необычное состояние атмосферы, при котором
температура воздуха в тропосфере не убывает с высотой. В
результате более холодный воздух располагается ниже более теплого.
Этим объясняется скапливание загрязнений ниже уровня слоя
теплого воздуха. Наиболее часто инверсия возникает осенью в
холодные безоблачные ночи, В ясные осенние дни солнечные лучи
нагревают поверхность земли, от которой нагревается прилегающий к
земле слой воздуха. По мере того как земля охлаждается,
происходит охлаждение прилегающего к ее поверхности слоя воздуха,
поэтому в утренние часы также может возникать инверсия. Более
продолжительные инверсии возникают в результате «оседания*
воздушной массы, имеющей высокое давление (антициклон). Воздух в
антициклоне опускается к земной поверхности. При этом его
температура возрастает, в результате чего формируется слой холодного
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 39
ноздуха, расположенный между слоями теплого воздуха.
Концентрация загрязняющих веществ в холодном нижнем слое постепенно
увеличивается в течение дня, поскольку эти загрязнения не рассеи-
иаются в верхних слоях атмосферы. Иногда такие явления
наблюдаются в течение нескольких дней, что приводит к росту
загрязнения до опасного уровня, который может привести к летальному
исходу. Так, в октябре 1948 г (самый ранний из
зарегистрированных случаев значительного загрязнения атмосферы в результате
инверсии) сильнейший смог опустился на г. Донора (США), что
стало причиной смерти 20 человек. В декабре 1952 г. в Лондоне за
пять дней из-за загрязнений, скопившихся в воздухе, погибло более
4000 человек.
Загрязнение атмосферы становится причиной снижения ее про-
фачности, а также уменьшения видимости, появления неприятных
(апахов и запыленности.
Вследствие изменения альбедо земной поверхности, прозрачное -
ж атмосферы и увеличения' поступающей в атмосферу теплоты
нарушается энергетический баланс планеты. Альбедо изменяется при
культивировании отдельных видов растительности, а также при
орошении или осушении поверхности Земли. Частицы пыли,
поступающие в атмосферу, некоторое время остаются в ней, сокращая
проникновения ультрафиолетового излучения и образуя ядра конденсации.
Поэтому запыленность атмосферы способствует увеличению
количества отраженного солнечного излучения и уменьшению
количества излучения, достигающего поверхности Земли.
Одним из основных загрязнителей, влияющих на прозрачность
ноздуха, является диоксид углерода. Ежегодно количество С02 в
атмосфере возрастает на 0,4%. Подсчитано, что содержание С02 в
атмосфере при сегодняшнем уровне технологии будет удваиваться
каждые 23 года, что может привести к глобальному повышению
температуры. Принимая во внимание, что при сжигании топлива за год
м окружающую среду поступает 14,2- 1016 кДж теплоты, можно
предположить, что, рассеиваясь в околоземном пространстве, эта
теплота приведет к существенному изменению его температурного
режима. Следует отметить, что в процессах, обеспечивающих
нормальные условия развития экосистем, важную роль играет озон.
Хотя в атмосфере содержание озона невелико (2 • 10~6 % по
объему), тем не менее его роль в защите поверхности Земли от жесткого
ультрафиолетового излучения трудно переоценить. Разрушение
озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы
ультрафиолетового облучения в 10 раз.
40 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
2.5. Управление качеством атмосферного воздуха
Предприятия, выпускающие той или иной вид продукции,
взаимодействуют с экосистемами, вызывая при этом их деградацию.
Например, в результате загрязнения воздушного бассейна происходит
разрушение рекреационных экосистем. Улучшения ситуации можно
достичь при условии гармонизации отношений природных и техни
ческих комплексов и компонентов путем создания и эксплуатации
эколого-экономической системы. Такая система представляет собой
совокупность технических устройств и взаимодействующих с ними
элементов природной среды, которые в ходе совместного
функционирования обеспечивают, с одной стороны, высокие
производственные показатели, а с другой — поддержание в зоне своего влияния
благоприятной экологической обстановки, а также максимально
возможное сохранение и воспроизводство естественных ресурсов.
В эколого-экономической системе должен присутствовать
особый блок управления, воспринимающий информацию о
происходящих в природных системах изменениях, оценивающий возможные
негативные последствия и передающий необходимую команду
производственному предприятию. В качестве блока управления могут
выступать органы власти или службы, например, служба охраны
окружающей среды. В России в целях реализации ст. 41 Закона
Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды»
было утверждено «Положение об оценке воздействия на
окружающую среду в РФ».
Для повышения экономической заинтересованности
предприятий и организаций, негативно влияющих на окружающую среду, в
нашей стране введен принцип — загрязнитель платит. Это
означает, что каждое предприятие за выброс в атмосферу или сброс в воду
загрязняющих веществ определенной номенклатуры платит
установленную сумму. Однако этот подход недостаточно стимулирует
внедрение на предприятиях и в коммунальной сфере
природоохранного оборудования, так как цены на такое оборудование очень
высоки
За выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и
размещение отходов существуют два вида платежей:
• за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов в
пределах установленных предприятию лимитов допустимых
выбросов,
• за выбросы загрязняющих веществ и размещение отходов,
превышающих эти лимиты.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 41
Лимиты определяют исходя из экологической обстановки в
регионе, экономических возможностей предприятия и с учетом
необходимости поэтапного достижения нормативов предельно
допустимых выбросов.
На отечественных предприятиях мероприятиями по охране
окружающей среды руководит главный инженер. Ему подчиняется
служба главного энергетика, которая осуществляет эксплуатацию
систем очистки. На некоторых предприятиях функционируют
цеховые лаборатории, проводящие анализы, которые необходимы для
контроля за выбросами и сбросами. Одной из попыток
государственного регулирования природоохранной деятельности стал ГОСТ
17.0.0 04-90 «Экологический паспорт промышленного
предприятия», в котором отражены данные о влиянии на окружающую среду
всех элементов производства, представляемые по следующей схеме:
¦ сведения о применяемых предприятием технологиях;
• количественные и качественные характеристики
используемых ресурсов: сырья, топлива, энергии (т.е. того, что предприятие
потребляет);
• количественные характеристики выпускаемой продукции;
• количественные и качественные характеристики выбросов
загрязняющих веществ предприятием.
С целью регулирования природопользования в нашей стране
введены лимиты — система эколого-экономических ограничений по:
территориям; срокам и объемам предельных показателей
использования природных ресурсов; выбросам и сбросам в окружающую
природную среду загрязняющих веществ; размещению отходов.
Лимитами для выбросов и сбросов загрязняющих веществ служат
нормативы качества природной среды:
¦ ПДВ — предельно допустимые выбросы в атмосферу;
¦ ПДС — предельно допустимые сбросы в водные источники;
• ПДК — предельно допустимые концентрации;
• ПДН — предельно допустимые нагрузки на природную
среду (количество посетителей за одну экскурсию по заповеднику,
нагрузка скота на единицу пастбищных угодий).
Виды, лимиты хозяйственной деятельности и экологические
требования при использовании природных ресурсов фиксируются в
лицензиях (разрешениях) на природопользование, выдаваемых
органами управления.
BOOKS.PROEKTANT.ORG
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОННЫХ
КОПИЙ КНИГ
для проектировщиков
и технических специалистов
42 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
2.6. Рассеяние токсичных выбросов в атмосфере
Предельно допустимые выбросы загрязняющих веществ
промышленными предприятиями в атмосферу регламентируются ГОСТ
17.2.3.02-78 и ОНД-86 (общероссийский нормативный документ).
Указанные документы определяют ПДВ для каждого конкретного
предприятия из условия, чтобы сумма создаваемых всеми
предприятиями приземных концентраций данного вещества или их
комбинаций не превышала ПДК. ПДВ являются средством текущего
контроля деятельности предприятия. Использование
нормативных показателей выбросов позволяет объективно оценить
превышение ПДК вредных веществ или веществ и примесей, входящих в
состав выбрасываемых газов в двухметровом слое на уровне земли, а
также в вертикальном и горизонтальном сечении дымового факела
на расстоянии не более 100 км от источника.
В зависимости от высоты выброса относительно поверхности
земли источники делятся на четыре класса: высокие (более 50 м);
средние (10...50 м); низкие (2...10 м); наземные (менее 2 м).
Если в процессе контакта с атмосферой под действием
солнечной радиации или других факторов происходит трансформация
одних соединений в другие, в концентрации и состав компонентов
вносятся поправки.
Нормативный метод позволяет рассчитывать поля концентраций
вредных выбросов, создаваемые дымовыми трубами, а также
линейными и плоскостными источниками, под которыми понимаются
вентиляционные фонари цехов, улицы с интенсивным движением
автотранспорта, а также скопление многочисленных мелких
источников.
Динамические процессы, происходящие в атмосфере, таковы,
что реально наблюдаемые под факелом концентрации подчиняются
не стохастическим, а вероятностным законам и меняются в
пределах, отличающихся друг от друга на несколько порядков.
Основой нормативного метода является максимальное
значение приземной концентрации Ст. Например, для горячих точечных
источников, для которых изменение температуры Д7" значительно
больше нуля:
AMFmn
т ~ H2i<v\Kf'
где Н — высота трубы, м; М — расход выбрасываемого в атмосферу
вещества (мощность выбросов), г/с; Д7" = ТГ~ Гв — разность тем-
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 43
ператур выбрасываемых газов и атмосферного воздуха; V{ —
полный объем выбрасываемых (дымовых) газов на срезе трубы, м3/с;
А — коэффициент, учитывающий рассеивающие свойства
атмосферы, которые определяются климатическими зонами России
(табл. 2.5); F, т, п — коэффициенты, определение которых дано
ниже.
Таблица 2.5
Географические районы (климатические зоны России)
Бурятия, Читинская область
Европейская территория (районы РФ южнее 50° северной широты,
районы Нижнего Поволжья и Кавказа), Дальний Восток и остальные
территории Сибири южнее 50° северной широты (источники высотой менее
200 м)
Европейская территория и Урал от 50° до 52° северной широты,
(источники высотой менее 200 м)
Европейская территория и Урал севернее 52° северной широты, (за
исключением центра Европейской части)
Московская, Тульская, Рязанская, Владимирская. Калужская,
Ивановская области
250
200
180
160
140
Для источников, температура выброса которых мало отличается
от температуры воздуха (AT ~ 0), используется уравнение
Ст = AMFmn К/Н^\
Интенсивность сепарации F определяется отношением скорости
оседания частиц в воздухе VB к турбулентности, которая в свою
очередь пропорциональна скорости ветра V. Если VB/ V < 0,015, то
принимают F = 1; при 0,015 < Vb/V < 0,03 принимают F = 1,5. При
Кв/1/>0,03 и степени очистки дымовых газов не менее 90% —
F = 2; при степени очистки 75...90% — F - 2,5; при отсутствии
очистки F =3. Коэффициент F не зависит от степени очистки и
принимается равным 3 при расчетах концентрации пыли в атмосферном
воздухе производств, в которых содержание водяного пара в
выбросах достаточно для того, чтобы в течение всего года наблюдалась
его интенсивная конденсация сразу же после выхода в атмосферу,
а также при коагуляции влажных пылевых частиц. Признаком
интенсивной конденсации служат наблюдаемые летом плотные клубы
пара, образующиеся на расстоянии 1...3 м от среза трубы и
растворяющиеся в атмосфере.
Значения коэффициентов шип определяются по
вспомогательным величинам, вычисляемым в свою очередь с учетом параметров:
44 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
1000 Q)2 D
/ = —;
' И2 AT
Vu = 0,65 л/V, А Г/Я;
1/0= l,3w0D/tf,
где со0 — средняя по сечению скорость газов, м/с; V0, ]/ы -
вспомогательные параметры для холодных и горячих источников
соответственно
Коэффициент т определяется из равенства
/п = (0,67 +0,1 ^7+0,34'л/7)"' при / > 100.
Коэффициент п при / < 100 определяется следующими
выражениями:
п = 1 при VM > 2;
п = 0,532 1/2 -2,13 Ум + 3,13 при 0,5 < VM<2;
п = 4,4 1/м при VM < 0,5.
Для холодных выбросов
K = D/(8V0) = (7,l V(o0 Ко)"',
где D — диаметр устья трубы, м
Для горячих источников расстояние Хт, м, от источника
выбросов до точки, где приземная концентрация С, мг/м3, достигает
максимального значения Ст, определяется по формуле
к=ЦгНЛ'
где безразмерный коэффициент d при / < 100 вычисляется как
d = 2,48 (1 + 0,28 V7) при VM < 0,5;
d = 4,95 Vu(l + 0,28Vj) при 0,5 <VY< 2;
d = 7 лДГ (1 + 0,28 V7) при l/„ > 2.
Для холодных источников при Д7" ~ 0 и / > 100 имеем:
d = 5,7 при I7,, < 0,5,
d= 11,4 Умпри0,5< VM < 2;
d = 16 ^г при Vv; > 2
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 45
Все изложенные методы относятся к категории поверочных
расчетов, когда для источника параметры Н, V, Т, М уже заданы.
В ряде случаев, например при подготовке различных обоснований,
возникает необходимость решения обратных задач, т.е. поиска М,
И и т.д
Мощность горячих ( ДГ> 0) выбросов, соответствующая
заданному значению максимальной концентрации Ст, мг/м3,
определяется по формуле
М=~ V V.AT.
AFmn '
Мощность холодных выбросов при / > 100 или Д7" ~ 0
находится из выражения
С,#4/3 81/,
М
AFnD
Высота источника Н, соответствующая значению Ст в случае
AT ~ 0 определяется по формуле
„ (AMFD^'*
п =
Заменяя Ст значением норматива для конкретного вещества, т.е.
его ПДК, получаем предельные значения М, которые обеспечат
выполнение условия С < ПДК, т.е. предельно допустимый выброс.
Таким образом, регламентация выбросов в атмосферу
осуществляется путем установления ПДВ вредных веществ в
атмосферу, т.е. нормативов, определенных из условия, при
котором содержание загрязняющих веществ в приземном слое
воздуха от источника или их совокупности не превышает
нормативов качества воздуха для населения, животного и
растительного мира. При этом обязательно учитываются фоновые
концентрации тех же веществ от внешних источников Сф и эффект
суммирования. Следовательно,
• для нагретых выбросов
(ПДК - С Л Я2 ,
ПДВ = " *' 4V^f;
AFmn '
для холодных выбросов
ПДВ
(ПДК-Сф)8//«/38У1
AFnD
46 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
При расчетах загрязнения воздуха от источников
прямоугольного сечения целесообразно использовать нормативные документы
[7-12].
2.7. Санитарно-защитные зоны
Среди процессов, происходящих в атмосферном воздухе при
поступлении в него примесей, выбрасываемых различными
предприятиями, следует выделить рассеяние этих примесей в атмосферном
воздухе, в результате чего происходит снижение их концентрации,
причем с увеличением расстояния от точки выброса эти
концентрации снижаются до безопасных уровней. Поэтому с целью защиты
селитебных территорий и других объектов и зон градостроения от
воздействия загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу
вместе с выбросами, требуется отделять предприятия или их
подразделения свободными территориями — санитарно-защитными
зонами (СЗЗ).
Санитарно-защитные зоны представляют собой территории
определенной протяженности и ширины, располагающиеся между
предприятиями и источниками загрязнения и границами зон жилой
застройки.
С 1981 г. расчет СЗЗ регламентируется государственным
стандартом, причем установлено, что каждое предприятие, имеющее
источники загрязнения среды, должно иметь санитарно-защитную
зону. Для этой цели все предприятия разделены на 10 групп по
отраслям в зависимости от совокупности вызываемых ими вредностей.
В пределах каждой группы выделяется пять классов
предприятий по степени их опасности и в зависимости от класса
устанавливается нормативная ширина СЗЗ. Минимальные
протяженности СЗЗ для предприятий I класса составляют 1000 м, II
класса — 500 м; III класса — 300 м; IV класса —¦ 100 м; V класса —
50 м.
При установлении протяженности СЗЗ учитываются
господствующие направления ветров, т.е. она может в зависимости от розы
ветров иметь различную протяженность в разных направлениях, но
в любом случае — не ниже минимальной (нормативной). Размеры
СЗЗ могут быть уменьшены за счет технологических мероприятий,
например систем очистки и обезвреживания загрязняющих веществ,
снижения влияния иных вредных производственных факторов.
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 47
2.8. Санитарно-гигиенические показатели
загрязнения атмосферы
В 1951 г. в СССР были утверждены ПДК для 10 наиболее
распространенных атмосферных загрязнителей. Это были первые в
мире нормативы качества воздуха, введенные в работах В.А.
Рязанова, К.А. Буштуевой, М.А. Пинигина и др. В начале 1970-х гг.
перечень ПДК, приведенный в «Санитарных нормах проектирования
промышленных предприятий» (СН 245-71), включал более 600
названий вредных веществ, а в середине 1990-х гг. — 2400. В основу
нормирования была положена концепция, согласно которой
допустимой может быть признана такая концентрация
загрязнителя в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека
прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не
снижает его работоспособности, не влияет на его
самочувствие или настроение.
Некоторые загрязнители атмосферы обладают запахом и
оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки верхних
дыхательных путей. Такие их свойства следует учитывать" лишь в
случаях, если они вызываются концентрациями ниже пороговых по
токсическому действию. Ощущение запаха или раздражающего
действия, как правило, появляется в период кратковременного подъема
концентраций. Кроме того, для обоснования ПДК изучаются
различные рефлекторные реакции на кратковременное вдыхание
загрязнителя.
С учетом критериев вредности устанавливаются ПДК
атмосферных загрязнений для двух периодов усреднения концентраций:
• среднесуточная ПДК, которая является основной и служит
для предотвращения хронического неблагоприятного действия;
• максимальная разовая ПДК, дополнительная к
среднесуточной ПДК для веществ, обладающих запахом или раздражающим
действием для оценки пиковых подъемов концентраций в течение
20...30 мин.
Предельно допустимая концентрация атмосферных загрязнений
должна использоваться только для оценки степени загрязнения
воздуха селитебных территорий и не должна применяться для оценки
степени загрязнения воздуха промышленной площадки и санитар-
но-защитных зон.
Для оценки загрязнения воздуха на территориях курортов, мест
массового отдыха населения используется 0,8 ПДК атмосферных
загрязнений.
48 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Любой химический загрязнитель атмосферы имеет порог
действия, поэтому очень важно уметь правильно определять пороговую и
подпороговую концентрацию.
Предельно допустимая концентрация атмосферных
загрязнителей устанавливается на уровне подпороговых значений,
нормирование которых ведется в расчете на группы населения, к которым
относятся дети, лица старшего возраста и ослабленные болезнью.
В основу нормирования положено использование
экспериментального метода, позволяющего моделировать заданные условия и
широко обобщать результаты с целью прогнозирования биологического
действия атмосферных загрязнителей как при изолированном, так
и комбинированном их влиянии. С методологической точки зрения
этот метод более эффективен, чем метод наблюдения за здоровьем
населения в условиях уже наступивших загрязнений атмосферы.
Установление среднесуточной ПДКСС базируется на изучении ре-
зорбтивного действия вредного вещества в условиях круглосуточной
экспозиции на экспериментальных животных Длительность
экспозиции составляет 3...4 месяца, или 10... 15% времени жизни белых
крыс, на которых, как правило, проводятся такие эксперименты.
Затем результаты исследований распространяются на людей.
Проверка проводится в натурных исследованиях на населении и
рассматривается как обязательный второй этап нормирования
Практика выбора концентраций для затравки животных показывает, что
подпороговая концентрация обычно бывает в 3. .10 раз ниже
пороговой. Накопленные результаты второго этапа нормирования
свидетельствуют о надежности установленных в РФ ПДК атмосферных
загрязнений и правомерности прямого переноса результатов
эксперимента в реальные условия.
При действии любого вредного фактора возникает спектр
биологических реакций организма на это действие, таких как смерть,
болезнь, физиологические признаки болезни, функциональные
сдвиги не ясной биологической значимости, накопление загрязнителей
или продуктов их метаболизма в органах и тканях. Всемирной
организацией здравоохранения (ВОЗ) принята схема биологических
ответов (реакций) организма на загрязнение атмосферы, согласно
которой при определении границ безвредности (безвредных
уровней) атмосферных загрязнений различают три зоны.
• 1-я зона — зона отсутствия действия фактора, получившая
название подпорогового уровня;
• 2-я зона — зона сдвигов в организме неясной биологической
значимости;
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 49
• 3-я зона — зона токсического действия, когда регистрируются
патологические изменения в организме, вызванные загрязнителем.
В зарубежных странах нормативы устанавливаются на уровне
3-й зоны или между 2-й и 3-й, чем объясняются более высокие
уровни нормативов качества воздуха Для сравнения в табл. 2.6
приведены примеры нормирования среднесуточной концентрации
диоксида серы в стандартах разных стран.
Для наиболее часто встречающихся загрязняющих веществ в
атмосферном воздухе населенных мест в табл. 2 7 приведены значения
ПДКСС и ПДК\, р [9].
Таблица 2 6
Страна
РФ
Польша
Румыния
Нидерланды
Япония
США
Франция
Югославия
Швеция
Норматив ПДКСС,
мг/м\ диоксида серы
0,05
0,35
0,25
0,075
0,1
0,26
0,75
0,15
0,25
Примечание
Не должен превышаться круглогодично
ПДК для жилых зон
ПДК
Не должен превышаться в 50% проб
Национальный сгандар!
Федеральный стандарт
Дчя специальных зон Парижа
ПДК
Не должен превышаться более одного раза
в месяц
Таблица 2 7
Вещество
Азота диоксид
Азота оксид
Аммиак
Анпщрид серный
Бензапирен
Бензин нефтяной малосернистыи (в пере-
cicie на углерод)
Ьензин сланцевый (в пересчете на углерод)
Бен юл
Взвешенные нешеава.
Недифференцированная по состан\ пьпь (азрозоль), eoicp-
жашаяся в воздухе населенных пунктов
Водород ллорииыи (по молекуле НО)
Железа оксид (в пересчете на жетезо)
Железа сульфат (в пересчете на железо)
Кальция оксид (ориентировочно
безопасный уровень воздействия)
ПДК, мг/м5
максимальная
разовая
0,085
0,6
0,2
0,5
3
0,05
1,5
0,5
0,2
0.3
среднесуточная
0,04
0,06
0,04
0,05
0,1 • 10-^
1,5
0,05
0,1
0,15
0,2
0.04
0,007
Класс
опасности
К
2
3
4
3
1
4
4
2
3
2
3
3
50 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2 7
Вещество
Кислота азотная (по молекуле HNO,)
Кислота серная (по молекуле H,S04)
Магния оксид
Озон
Пыль неорганическая, содержащая более
70% оксида кремния
То же — от 70 до 20% (шамот, цемент)
То же — ниже 20% (доломит и др.)
Ртути соединения (в пересчете на ртуть)
Сажа
Сероводород
Углерода оксид
Фенол
Фенолы сланцевые
ПДК, мг/мЗ
максимальная
разовая
0,4
0,3
0,4
0,16
0,15
0,3
0,15
0,008
5
0,01
0,007
среднесуточная
0,15
0,1
0,05
0,03
0,05
0,1
0,0003
0,05
3
0,003
Класс
опасности
К
2
2
3
1
3
3
1
3
2
4
2
Максимальные разовые предельно допустимые концентрации
(ПДКМ р) нормируются по рефлекторным реакциям,
преимущественно по запаху. Вещества, обладающие запахом или
раздражающим свойством, исследуются на добровольцах в условиях
краткосрочных опытов с целью определения порога запаха раздражающего
или рефлекторного действия. Эти исследования выполняются в
условиях «слепого» опыта с использованием специальных установок с
динамическим дозированием изучаемых веществ в цилиндры, через
которые доброволец свободно дышит.
При обосновании ПДКМ учитывается влияние средних
пороговых или подпороговых концентраций не для группы, а для
наиболее чувствительных лиц.
2.9. Комплексный показатель загрязнения
атмосферного воздуха
Все виды ПДК относятся к отдельным веществам. Между-тем в
атмосферном воздухе может присутствовать от одного до сотни
различных веществ и соединений. Ответная реакция организма на их
воздействие может развиваться по трем направлениям:
• усиление эффекта (синергизм), т.е. превышение реакции,
вызванное действием каждого из веществ смеси;
• ослабление эффекта (антагонизм), т.е. ответная реакция будет
меньше эффекта, вызванного любым веществом смеси;
Глава 2. Антропогенное воздействие на атмосферу 51
• независимое действие, когда ответная реакция будет
соответствовать действию каждого отдельного вещества или ведущему из
них.
Трудность оценки комбинированного действия состоит в том, что
при разном уровне воздействующих концентраций ответная реакция
может протекать по-разному. Накопленный опыт свидетельствует о
том, что комбинированное действие атмосферных загрязнений с
одинаковым лимитирующим признаком, как правило, характеризуется
эффектом простого суммирования. Поэтому оценку
комбинированного действия проводят по формуле
Ц ^2 ^п _ < .
пдк, + пдк2 + - + пдк„ "q" '¦
где С], С2, ..., Сп — концентрации веществ; ПДК1? ПДК2,...,ПДКП —
предельно допустимые концентрации соответствующих веществ.
Если сумма q долей обнаруженных концентраций, отнесенных к
их ПДК, не превышает единицы, то степень загрязненности
атмосферного воздуха с учетом суммации биологического действия не
превышает гигиенических нормативов. Перечень смесей
атмосферных загрязнений, для которых должна учитываться суммация
биологического действия при совместном присутствии, внесен в
санитарное законодательство и используется для гигиенической оценки
степени загрязнения атмосферного воздуха на стадии
предупредительного и текущего санитарного надзора.
В качестве среднесуточной концентрации принимается
среднеарифметическое значение концентраций, измеренных в течение
суток или полученных при непрерывном отборе пробы в течение 24 ч.
Под среднемесячной концентрацией понимают
среднеарифметическое из среднесуточных концентраций за определенный месяц.
Под среднегодовой концентрацией понимают среднее всех
365 суточных или 12 месячных усредненных концентраций.
Фактическое загрязнение атмосферы воздуха городов и
населенных пунктов оценивается по 5-балльной шкале:
1 — допустимое загрязнение;
2 — умеренное загрязнение;
3 — слабое загрязнение;
4 — сильное загрязнение;
5 — очень сильное загрязнение.
Загрязнение степени 1 является безопасным для здоровья
человека. При загрязнении степеней 2-5 вероятность возникновения не-
52 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
благоприятных эффектов возрастает с увеличением степени
загрязнения.
Загрязнение атмосферы при одновременном присутствии
различных загрязнителей можно оценить по комплексному показателю
Р, учитывающему характер комбинированного воздействия
различных веществ и их класс опасности (см. табл. 2.7):
С,
Величина К, представляет собой среднегодовое загрязнение
атмосферы конкретным г-м веществом, выраженное в долях
среднесуточной ПДК (ПДКСС), приведенное к,биологическому эквиваленту
3-го класса опасности. Для получения значения Р вначале
определяют, во сколько раз концентрация г'-го вещества превышает его
ПДКСС. Приведение Kt к 3-му классу опасности осуществляется по
табл. 2.8-2.10.
Таблица 28
Отношения
концентрации
веществ 1-го
класса опасности к их
ПДК (К{)
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
Значения К\,
приведенные
к 3-му классу
<*1-з)
1,25
1,5
1,9
2,2
2,6
3.1
3,5
4
4,6
5,2
5,8
6,5
7,2
Отношения
концентраций
веществ 1-го
класса к их ПДК
(Л',)
2,4
2,5
2,6
2,7
2.8
2,9
3
3,1
3,2
3,5
4
4,5
5
Значения Kh
приведенные
к 3-му классу
8,0
8,8
9.7
10.6
11,6
12,6
13,6
14,7
16
19,7
27
35,8
46
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 53
Таблица 29
Отношения
концентрации веществ 2-го
класса опасности
к их ПДК (К2)
1,5
2
2,5
3
3.5
4
4,5
5
5,5
Значения К2,
Приведенные
к 3-mv классу
1.7
2,4
3,2
4
4,9
5,8
6,8
7,8
8,8
Отношения
концентрации
веществ 2-го
класса опасности
к их ПДК (К,)
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
Значения К2,
приведенные
к 3-му классу
(*2-i>
9,8
10,8
11,9
13
14,1
15,2
16
17,6
18,7
Таблица 2 10
Отношения концент
раций веществ 4-го
класса опасности к
их ПДК (/Q)
1,5
2 '
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
Mml
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
(*4-3>
1,4
1,8
2,2
2,6
3
3,3
3,7
4
4 ,4
4,7
5
5,4
5.8
6
Отношения
концентрации
ве'ществ 4-го
класса опасности
к их ПДК (/С4)
13,5
14
14,5
15
15,5
16
16,5
17
17,5
18
18,5
19
19,5
20
Значения КА,
приведенные
к 3-му классу
9,6
9,9
10,2
10,5
10.8
11,1
11,4
11,7
12
12,3
12,6
12,9
13,2
18,5
54 Часть 1. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение табл 2 10
Отношения
концентраций веществ 4-го
класса опасности к
их ПДК (КА)
8,5
9
9,5
10
10.5
И
11,5
12
12,5
13
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
<*4-3>
6,4
6,8
7
7,4
7,7
8
8,4
8,7
9
9,3
Отношения
концентрации
веществ 4-го
класса опасности
к их ПДК (/С4)
20,5
21
21,5
22
22,5
23
23,5
24
25
Значения /С4,
приведенные
к 3-му классу
13,8
14,1
14,4
14,7
15
15,2
15,5
15,8
16
Значения Кг отсутствующие в таблицах, определяются по
следующим формулам:
для /-го вещества 1-го класса /ft_3 = Kl - К1 ¦ 3
2 89 1е К .
для j'-ro вещества 2-го класса /С2_3 = К1 (3/2)
1.55 IgK
1,05 Ig/f,
• для г'-го вещества 4-го класса /f4_3 = Кс (3/4)
Полученное расчетное значение комплексного показателя Р
позволяет оценить уровень загрязнения атмосферного воздуха в
зависимости от числа загрязнителей (табл. 2.11).
Таблица 2 11
Уровень
загрязнения атмосферного
воздуха
1 — допустимый
2 — слабый
3 — умеренный
4 — сильный
5 — очень сильный
Значения комплексного показателя Р
2-3
загрязнителя
2
2,1 4
4,1 8
8,1 16
> 16
4-9
загрязнителей
3
3 1.6
6,1 12
12,1 24
> 24
10-20
загрязнителей
4
4,1 8
8,1 16
16,1 32
> 32
Более 20
загрязнителей
5
5,1 10
10,1 20
20,1 40
> 40
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 55
ч ¦
2.10. Раздельное нормирование
загрязняющих веществ в воздухе
Для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности
человека условие С < ПДК должно соблюдаться в любых местах его
пребывания неизменно. Как правило, содержание примесей в воздухе
рабочей зоны больше, чем на территории предприятия
(промышленной площадке) и за ее пределами, например в населенных пунктах,
куда загрязняющие атмосферу вещества поступают рассеянными.
Учитывая эти обстоятельства, приняты принципы раздельного
нормирования загрязняющих веществ. Это означает, что для каждого
вредного вещества устанавливается несколько максимальных
разовых предельно допустимых концентраций в воздушной среде. В
частности, одно значение ПДК устанавливается для воздуха рабочей
зоны (ПДК ), под которой понимают пространство в пределах двух
метров от пола, где находятся места постоянного или временного
пребывания работающих, другое — для атмосферного воздуха
населенного пункта (ПДКНП).
Предельно допустимая концентрация рабочей зоны — это
концентрация, которая при ежедневной работе человека, кроме
выходных, в течение 8 ч или при другой продолжительности рабочего дня,
но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа, не может
вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья,
обнаруживаемых современными методами исследования как в процессе
работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих
поколений. На территории предприятий содержание примесей
принимается равным 0,3 ПДК . Снижение нормы содержания
примесей на территории предприятия втрое по сравнению с ПДК 3
вызывается тем, что воздух территории предприятия используется
для вентиляции производственных помещений, где концентрация
примесей периодически может быть весьма высокой, т.е. превышать
3'
редельно допустимая концентрация атмосферного воздуха
населенного пункта — это максимальная концентрация примеси,
отнесенная к определенному времени осреднения, которая при
периодическом воздействии на человека или при воздействии на
протяжении всей жизни человека не оказывает вредного влияния,
включая отдаленные последствия, на него и на окружающую среду
r целом.
Таким образом, необходимость раздельного нормирования
загрязняющих веществ определяется законом толерантности. На
if
56 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Предельно допустимая
концентрация (ПДК)
Максимальная разовая
в рабочей зоне (ПДКрз)
т
Максимальная разовая
на территории (площадке)
предприятия (ПДК™)
В атмосферном воздухе
населенного пункта
<ПДКНП)
X
Максимальная разовая
(ПДкмр)
X
Среднесуточная
(ПДКСС)
Максимальная разовая для крупных
городов и курортов (0,8 ПДК„ р)
Рис 2 2 Классификация предельно допустимых концентраций
предприятии в течение рабочего дня загрязненным воздухом дышат
практически здоровые люди, прошедшие необходимое медицинское
освидетельствование, а в населенных пунктах круглосуточно
находятся не только взрослые, но и дети, пожилые люди, беременные и
кормящие женщины, люди, страдающие заболеваниями, поэтому
ПДК з должно быть больше ПДКа/НП. Например, для диоксида серы
ПДКрз =10 мг/м3, а ПДКэ/нл= 0,5 мг/мА
Наряду с предельно допустимыми концентрациями
существуют временно допустимые концентрации (ВДК), иначе
называемые ориентировочно безопасными уровнями воздействия
(ОБУВ) — временный гигиенический норматив для загрязняющего
атмосферу вещества, установленный расчетным методом для целей
проектирования промышленных объектов
На рис 2 2 представлена классификация предельно допустимых
концентраций в воздухе.
2.11. Ограничение выбросов
Планы, программы и мероприятия по защите атмосферы следует
рассматривать как стратегию защиты атмосферы. На рис. 2.3
приведена упрощенная схема анализа стратегических и тактических
возможностей при решении проблемы снижения выбросов в
атмосферу.
Глава 2 Антропогенное воздействие на атмосферу 57
Источники атмосферного
загрязнения
Технические мероприятия
по ограничению выбросов
Пределы выбросов
Метеорологические, топографические
и демографические факторы
Взаимодействие
и химические изменения
загрязняющих веществ
в атмосфере
Конечное качество
атмосферы
Воздействие
на потребителя
(людей, животных,
растения.оборудование)
т
Административные
мероприятия
по ограничению выбросов
Пределы осаждения
загрязняющих веществ
Рис 2 3 Схема анализа проблемы загрязнения атмосферы
Основными при решении проблемы защиты атмосферы являются
технические меры в отношении источника загрязнения,
определяющие возможные ограничения выбросов загрязняющих веществ и,
следовательно, непосредственно воздействующие на уровень
загрязнения. Технические мероприятия по ограничению уровня
загрязнения воздуха могут осуществляться в трех направлениях
1 Меры, приводящие к абсолютному снижению выбросов
загрязняющих веществ
• замена источников энергии путем перехода на
нетрадиционную энергетику, газификацию и десульфаризацию топлива,
энерготехнологическую переработку топлива и др.;
• модификация процессов заменой сырья теми его видами,
которые содержат меньшее количество загрязняющих веществ;
• модификация процессов за счет предварительной обработки
топлива и других сырьевых материалов;
• модификация процесса путем изменения технологии
производства;
58 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• отделение твердых частиц, а также удаление и
обезвреживание газообразных продуктов, являющихся загрязнениями.
1. Модуляция процессов во времени, ведущая к
относительным снижениям выбросов загрязняющих веществ во время
максимальных выбросов:
• ограничение применения процессов горения в периоды
максимального загрязнения воздуха;
• постоянный контроль качества процессов горения или
производственных условий, а также их регулировка для устранения
избыточных загрязнений воздуха;
• кратковременное введение более «чистых» видов топлива и
сырья;
• применение мокрых скрубберов при особенно
неблагоприятных метеорологических условиях.
2. Региональные (локальные) модуляции количества
выбросов загрязняющих веществ в целях устранения локальных
максимумов:
• перемещение в периоды экстремальных метеорологических
ситуаций производства из районов с более неблагоприятными
условиями в регионы с более удовлетворительными метеорологическими
условиями распространения выбросов;
• контролируемое распределение различных типов топлива по
его качеству;
• повышение степени распределения загрязняющих веществ на
большую площадь путем применения более высоких дымовых труб.
ЛИТЕРАТУРА
1. Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред.
В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997
2. Экология- Учеб. пособие / Под ред. С.А. Боголюбова. М : Знание, 1997.
3. Стад нищий Г.В., Родионов А И. Экология. СПб.: Химия, 1995.
4. Ревель П, Ревель Ч. Среда нашего обитания М.: Мир, 1996.
5. Шевцов К.К. Охрана окружающей природной среды в строительстве.
М : Высш. шк., 1994
6. Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от
загрязнений Л.: Химия, 1989.
7. ГОСТ 17.2 3.01-76. Охрана природы. Атмосфера. Классификация
выбросов по составу
8. ГОСТ 17.2.1.02-76 Охрана природы. Атмосфера. Термины и определения
выбросов двигателей автомобилей, тракторов, самоходных
сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин.
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 59
9. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы Атмосфера. Правила контроля
качества воздуха населенных пунктов.
10. ГОСТ 17.2.4.02-81. Охрана природы. Атмосфера. Общие требования к
методам определения загрязняющих веществ
11. ГОСТ 17 2.1.03-84. Охрана природы Атмосфера Термины и
определения контроля загрязнений.
12 ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера Источники и
метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Термины и
определения.
Глава 3. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
НА ГИДРОСФЕРУ
3.1. Запасы воды
Гидросфера — водная оболочка Земли, располагающаяся
между атмосферой и литосферой и представляющая собой
совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод,
ледников и водяного пара атмосферы. Гидросфера связана с другими
элементами Земли — атмосферой и литосферой. Воды Земли
находятся в непрерывном движении. Круговорот воды увязывает воедино
все части гидросферы, образуя в целом замкнутую систему. Без
гидросферы невозможно существование растений и животных, так как
их клетки и ткани в основном состоят из воды. Например, человек
на 65% состоит из воды, и его суточная физиологическая норма
потребления воды составляет 1,5...2,6 л. Кроме того, для
удовлетворения гигиенических потребностей человеку в среднем требуется
ежедневно около 35 л воды.
В природе вода может быть в твердом (лед), жидком (собственно
вода) и газообразном (водяной пар) состоянии. Льды занимают до
10% суши. Вода Мирового океана покрывает около 3/4
поверхности планеты и насыщает почву суши. В атмосфере вода содержится
в виде пара, количество которого колеблется в зависимости от
температуры, давления и других условий.
Обычно в воде находятся различные примеси органического и
неорганического происхождения. Различают воду соленую и
пресную. Основную массу воды на нашей планете составляет соленая
вода, образующая соленый Мировой океан и большую часть
минерализованных подземных вод глубинного залегания (1,5...2 км).
60 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Средняя соленость океанической воды 34,7%, или 34,7 г/л.
Содержание солей в пресной воде не более 1 г/л [6]
Общие запасы воды на планете исчисляются 1385984- 103 км3 н
занимают 510 106 км2, или 70% ее поверхности. Средняя глубина
гидросферы 3554 м. Если все количество воды равномерно
распределить по поверхности планеты, то получится слой толщиной
2718 м. Масса всей воды составляет примерно 1,32-10'8 т, или
0,022% общей массы Земли [4]. Температура воды в летний период
на поверхности моря колеблется от -2°С в Белом море до +35°С в
мелководных районах Персидского залива.
Большие запасы пресной воды сосредоточены в реках, среди
которых самыми длинными являются Нил и Амазонка. Протяженность
Нила составляет 6670 км, Амазонки — 6437 км. Среди рек России
наибольшую протяженность имеет Обь, если считать ее длину от
истока Иртыша, то она равна 5410 км. В ледниках и океанических
льдах также сосредоточено большое количество воды. Самый
толстый слой льда (4,78 км) зарегистрирован в Антарктиде.
Мировой океан неоднороден как по солености, так и по
температуре. В нем можно различить изометрические области, слои и
тончайшие прослойки Самая высокая температура воды в океане
(404°С) была зарегистрирована у горячего источника в 480 км от
западного побережья Америки. Нагретая до такой температуры вода
не превращалась в пар, так как источник находился на значительной
глубине в условиях большого давления. Самая чистая вода в мире
зарегистрирована в море Уэддела в Антарктиде. Ее прозрачность
соответствует прозрачности дистиллированной воды. При этом воды
Мирового океана находятся в постоянном движении, их
температура и течения влияют на состояние воздушных масс и определяют
погодные и климатические условия на прилегающих территориях
В табл. 3 1 представлены данные по водным запасам Земли, из
которых видно, что количество пресной воды составляет всего
2,53% общих запасов, причем 3/4 этого количества находится в
труднодоступных местах, в том числе и в виде ледников или на
больших глубинах под землей [9].
Следует отметить, что поверхностные, подземные и
атмосферные воды связаны между собой. К атмосферным водам относятся
воды, содержащиеся в воздухе в виде пара. Они составляют около
0,001% запаса воды планеты. В основном атмосферные воды
формируются за счет ежегодного испарения с поверхности Мирового
океана около 505-103 км3 воды. Из них 458- 103 км3 возвращается
обратно в океан в виде осадков, а 47-Ю3 км3 перемещается в ре-
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 61
Таблица 3 I
Тип воды
Мировой океан
Подземные воды
В том числе пресные воды
Ледники и снежный покров
Подземные льды
Воды озер
пресные
соленые
Воды болот
Воды в руслах рек
Биологическая вода
Воды атмосферы
Общие запасы воды
В том числе пресные воды
Объем, тыс
кубических
километров
1338000
23400
10530
24064,1
300
176,4
91
85,4
11,47
2,12
1,120
12,9
1385984,61
35029,21
Доля мировых запасов, %
от общих
запасов воды
96,5
1,7
0,76
1,71
0,022
0,013
0,007
0,006
0,0008
0,0002
0,0001
0,001
100
2,53
от запасов
пресной воды
—
—
30,1
68,1
0,86
—
6,26
—
0,03
0,006
0,003
0,04
—
100
зультате атмосферной циркуляции и выпадает в виде осадков над
сушей. С поверхности суши, включая поверхность озер и рек,
испаряется 72-103км3, которые затем возвращаются на сушу в виде
осадков. Таким образом, над сушей выпадает 119-103 км3 осадков.
Осадки (дождевые воды) — пресные, очень бедные минеральными
примесями, малопригодные для питья.
По общим запасам пресной воды Россия занимает второе место
в мире (после Бразилии). Положение осложняется
неравномерностью распределения водных ресурсов по территории страны.
В южных и юго-западных районах России на одного жителя
приходится (3...5)-103 м3 речного стока, на севере европейской части —
35- 103 м3, в Западной Сибири — 45-Ю3 м3, а в Восточной
Сибири — 144-103 м3.
Особо следует отметить озеро Байкал, в котором сосредоточено
26% мировых запасов озерной пресной воды (26,5 км3). По своим
запасам и характеристикам это озеро считается уникальным.
Потребность человека в пресной воде на 80% удовлетворяется
за счет речного стока. Единовременный ее объем в руслах рек
оценивается 2- 103 км3. Прогнозы показывают, что в XXI веке ресурсы
рек не смогут покрыть спрос на воду, и потребность в ней
необходимо будет удовлетворять за счет опреснения вод Мирового океана,
62 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
а также за счет использования подземных вод и вод ледников.
Подземные воды составляют около 20% всего объема пресной воды
гидросферы [1]. По своим свойствам они могут быть пресными и
минерализованными и подразделяются на верховодку и глубинные.
Верховодка располагается в первых 2...3 м толщины грунта и, как
правило, очищена слабо. Глубинные воды более чистые, но
труднодоступные [7]. В мировой практике широко используются
поверхностные воды, накапливаемые в водохранилищах. Общий объем таких
вод составляет более 5-103 км3.
Самым крупным потребителем воды в настоящее время является
сельское хозяйство. Для получения 1 т пшеницы необходимо 1500 м3
воды; 1 т риса — более 7000 м3, 1 т хлопка — около 10 000 м3.
На втором месте стоит промышленность. Так, на производство
1 т продукции расходуется воды [7]:
• 15...20 м3 для стали, чугуна;
• 25...80 м3 для серной кислоты;
• 80... 180 м3 для азотной кислоты;
• 400 м3 для шерсти;
• 500 м3 для синтетического волокна;
• 500... 1000 м3 для пластмасс;
• 2000...3000 м3для синтетического каучука.
В масштабах планеты различные отрасли промышленности (без
энергетики) потребляют ежегодно 215 км3 воды, энергетика
потребляет 240 км3 в год.
По подсчетам специалистов, безвозвратное водопотребление
составляет 150 км3 в год, т.е. 1% устойчивого стока пресных вод.
Развитие человеческого общества ведет к увеличению водо-
потребления. Так, по расчетам специалистов, потребление воды в
XXI веке ежегодно будет возрастать на 3%. Многие страны
ощущают водное голодание, несмотря на то, что всего 1 % водопотребления
расходуется на бытовые нужды. Трудности с обеспечением водой
испытывает около 2 млрд человек. По данным ООН, в
развивающихся странах 15 млн детей в возрасте до 5 лет умирают ежегодно от
болезней, связанных прежде всего с употреблением загрязненной
воды. Наряду с общим ростом потребности в пресной воде
происходит интенсивное ее загрязнение, в результате чего сокращается
количество разведанных и освоенных источников чистой воды.
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 63
3.2. Самоочищение в гидросфере
Процесс самоочищения в гидросфере связан с круговоротом
воды в природе. В водоемах этот процесс обеспечивается
совокупной деятельностью организмов, которые их населяют. В идеальных
условиях процесс самоочищения протекает достаточно быстро, и
вода восстанавливает свое первоначальное состояние. Факторы,
обусловливающие самоочищение водоемов, можно разделить на три
группы: физические, химические, биологические.
Среди физических факторов основными являются
разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений.
Например, интенсивное течение реки обеспечивает хорошее
перемешивание, в результате чего снижается концентрация взвешенных
частиц. Оседание в воде нерастворимых частиц в процессе
отстаивания загрязненных вод способствует самоочищению водоемов. Под
действием силы тяжести микроорганизмы осаждаются на
органических и неорганических частицах и постепенно опускаются на дно,
подвергаясь при этом действию других факторов. Увеличение
интенсивности действия физических факторов способствует быстрому
отмиранию загрязняющей микрофлоры. При воздействии
ультрафиолетового излучения происходит обеззараживание воды, основанное
на прямом губительном воздействии этих лучей на белковые
коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток.
Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные
бактерии, но и на споровые организмы и вирусы
Очищение воды в океане происходит за счет фильтрационных
способностей планктона. За 40 дней поверхностный слой воды
толщиной в сотни метров проходит через фильтрационный аппарат
планктона. Соотношение главных ионов в морской воде на
протяжении миллионов лет остается достаточно стабильным, несмотря на
непрерывный обмен веществ между океаном и сушей. Концентрация
растворенных в морской воде солей составляет около 3,5%. По
химическому составу эти слои на 99,9% состоят из ионов натрия,
калия, хлора, брома, фтора, магния, кобальта и др.
3.3. Основные источники загрязнения гидросферы
Уровень загрязнения рек, озер, морей и океанов с каждым годом
возрастает. Особую и едва ли не самую серьезную роль в
загрязнении водных объектов играет сброс отработанных промышленных
вод. Они загрязняют более 1/3 всего речного стока. Например, в
64 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
США за 70 лет загрязненность рек выросла в 10 раз, что привело к
запрещению купания в реке Миссисипи и ее притоках. Не лучшим
образом обстоит дело и с водоемами, расположенными в
Европейской части России. Так, концентрация аммонийного и нитритного
азота увеличилась в 1,5 раза, количество взвешенных и
органических веществ достигает от 2 до 12 ПДК, содержание фенолов — от
10 до 41 ПДК, тяжелых металлов — от 8 до 24 ПДК
Наибольший вклад в загрязнение водных объектов сточными
водами вносят такие отрасли промышленности, как черная и цветная
металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-
бумажная и пищевая.
В зависимости от технологических особенностей производств
сточные воды можно разделить на:
• реакционные воды, загрязненные как исходными веществами,
так и продуктами реакции;
• воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах;
• воды после промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;
• водные экстрагенты и абсорбенты;
• бытовые воды из туалетов, после мытья помещений, душевых;
• воды, стекающие с территории промышленных предприятий,
загрязненные различными химическими веществами.
Промышленные сточные воды могут иметь кислую, нейтральную
или щелочную среду, что приводит к изменению естественного рН
в водоемах, в которые сбрасываются эти воды.
В шлаках промышленных производств присутствуют
разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов, в
бытовых отходах содержание органических веществ составляет
32...40%. Эти вещества, попадая в почву, создают в грунтах
устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип
иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов.
В случае образования в водоемах поверхностных пленок,
содержащих нефтяные углеводороды, нарушается газообмен на границе
сред воздух—вода Кроме того, загрязняющие вещества могут
аккумулироваться в клетках и тканях гидробионтов и оказывать
токсическое действие на них.
Поверхностные воды в промышленно развитых густонаселенны»
регионах подвергаются загрязнению коммунально-бытовыми и
промышленными стоками, стоками сельхозпредприятий и др. Напри-,
мер, в пределах столицы ежегодно в р. Москву станциями аэрации
сбрасывается до 4-106м3 сточных вод; к ним нужно добавить
8-103м3 сточных вод, поступающих от промышленных предпри-
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 65
ятий. Всего в бассейн р. Москвы поступает 9-103 т загрязняющих
веществ, основу которых составляют соединения азота,
нефтепродукты, металлы. Все это приводит к тому, что в черте города в водах
]). Москвы в 2 раза возрастает количество взвешенных частиц, в 1,5
раза увеличивается минерализация, концентрация растворенного
кислорода уменьшается до 1,5...2,0 мг/л, в 5 раз увеличивается
концентрация биогенных элементов, в 2 раза по сравнению с фоновым
возрастает содержание металлов и нефтепродуктов. По количеству
сбрасываемых в водоемы стоков в РФ лидирует Москва —
2367 -106 м3, далее следуют Санкт-Петербург — 1519-106 м3, Ан-
1арск — 529-106м3, Красноярск —416106м3, Новосибирск —
316-106 м3[12].
Еще одним источником загрязнения природных вод являются
атмосферные воды, несущие в себе вымываемые из воздуха
загрязняющие вещества промышленного происхождения. При стекании по
поверхности земли атмосферные и талые воды увлекают за собой
органические и минеральные вещества из почвы. В первую очередь
•»то касается территорий санитарно неблагоустроенных населенных
пунктов, сельскохозяйственных объектов и угодий, особенно в
период весеннего паводка, что приводит к сезонному ухудшению
качества питьевой воды.
Городские сточные воды, включающие преимущественно быто-
мые стоки, которые содержат большое количество поверхностно-ак-
жвных моющих средств, также являются источниками загрязнения
природных вод. Наличие в стоках поверхностно-активных моющих
гредств губительно сказывается на флоре и фауне. Например,
10...25 мг моющих химических средств на 1 л воды ядовиты для
водной флоры. При концентрации моющих средств 1 мг/л гибнет
планктон, при 3 мг/л — дафнии, 15 мг/л — рыбы. Кроме того, в
городских сточных водах может содержаться в среднем (мг/л):
!>,9 — калия, 0,5 — меди; 0,5 — свинца; 0,8 — железа; 23,2 — на-
>рия; 0,2 —цинка, 6,6 —фосфора, 4,53 —жиров. Разложение
большого количества органических веществ в стоках приводит к
дефициту кислорода и накоплению сероводорода, в результате чего со
нременем такие водоемы «умирают».
Большое значение для организации водопотребления и
водопользования имеет состояние подземных вод, которое может нарушаться
проведением мелиоративных и гидротехнических работ,
строительством городов и поселков, сооружением и эксплуатацией шахт и
рудников. В результате уровень грунтовых вод может меняться
J-4910
66 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
на обширных территориях. Так, в районе Курской магнитной
аномалии осуществление работ в местах добычи полезных ископаемых
вызвало появление депрессионных воронок, а затем заметное
изменение водного режима и характера растительности на расстоянии
50...60 км от карьеров. Интенсивная откачка из глубин нефти, газа
или воды может повлечь за собой оседание почвы на больших
территориях, изменение путей подземных потоков и их скоростей, что
может привести к разрушению первичных структур. Кроме того,
откачка подземных вод из шахт, рудников и карьеров и сброс их на
поверх-ность ведут к загрязнению рек и водоемов.
Многие страны, имеющие выход к морю, производят морское
захоронение вредных веществ. Объем таких захоронений составляет
около 10% всей массы загрязняющих веществ, поступающих в
Мировой океан. Основанием для использования морей и океанов в
качестве полигонов для захоронения различных отходов послужила
способность морской воды к переработке большого количества
органических и неорганических веществ. Однако эта способность не
беспредельна. Поэтому такой подход можно рассматривать как
вынужденную меру, подтверждающую несовершенство технологий по
переработке и уничтожению отходов производства и потребления.
В дополнение к сказанному отметим, что в результате аварий судов,
промывки резервуаров танкеров, утечек нефти при добыче ее в
шельфовой зоне ежегодно в воды Мирового океана попадает до
(10...15)- 106 т нефти. Каждая 1 т нефти покрывает тонкой пленкой
примерно 12 км2 поверхности и загрязняет до 1 млн т морской воды.
Особо следует остановиться на захоронении в морях и океанах
радиоактивных отходов. Захоронение радиоактивных отходов
(РАО) в море рассматривается как изоляция этих опасных веществ
от среды обитания человека на период, достаточный для
физического распада радионуклидов. Захоронение жидких радиоактивных
отходов (ЖРО) и твердых радиоактивных отходов (ТРО)
осуществлялось многими странами, имеющими атомный флот и атомную
промышленность [31. Первые захоронения РАО в морях были
произведены в 1946 г. США в северо-восточной части Тихого океана на
расстоянии 80 км от побережья Калифорнии. С 1947 г. сбросы стали
производиться Великобританией и др. До 1983 г. практиковался
сброс ТРО в открытое море.
В России возникают свои проблемы, связанные с захоронением
РАО в морях, омывающих ее территорию. В СССР захоронение
РАО началось в 1957 г. Только по ТРО в северные и дальневос-
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 67
точные моря суммарный сброс составляет 53 376 м3 с активностью
21 614 Ки. Одновременно производится захоронение ЖРО,
суммарный слив которых в северные моря составил 190 435 м3 с
активностью 23 753 Ки. Не меньший вред по загрязнению водных объектов
наносят удобрения и ядохимикаты (пестициды), применяемые в
сельском хозяйстве, которые, попадая на поверхность почвы,
смываются с нее и оказываются в водоемах.
Необходимо отметить, что процессы регенерации, или
самоочищения, протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе.
Источники загрязнения водоемов более разнообразны, а
естественные процессы, происходящие в водной среде и подвергающиеся
действию загрязнителей, более чувствительны и имеют большее
значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые происходят
в атмосфере.
3.4. Оценка качества водной среды
Критериями загрязненности воды являются ухудшение ее
качества вследствие изменения органолептических свойств и появление
веществ, вредных для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и
промысловых организмов, а также повышение температуры воды,
изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных
организмов.
Важнейшей водоохранной задачей в условиях промышленной и
хозяйственной деятельности общества является установление
допустимых нагрузок на водные объекты при водопользовании и водо-
потреблении.
Водопользование — это использование воды без изъятия ее из
мест естественной локализации. В основном водопользователями
являются рыбное хозяйство, гидроэнергетика, водный транспорт.
Водопотребление — это использование воды, связанное с
изъятием ее из мест локализации с частичным или полным
безвозвратным расходованием или с возвращением в источник водозабора в
загрязненном состоянии. Как уже отмечалось, основными водопо-
требителями являются сельское хозяйство, промышленное
производство, культурно-бытовое хозяйство. В зависимости от категории
водопользования (рис. 3.1) предъявляются соответствующие требо-
иания к качеству воды.
При анализе вредных веществ, поступающих в водный объект,
используют совокупность специфических токсикометрических
характеристик, в зависимости от которых конкретное вещество отно-
68 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Хозяйственно-питьевое
и для предприятий пищевой
промышленности
Культурно-бытовое
(купание, спорт, отдых)
Использование
для нужд населения
КАТЕГОРИИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Места нереста,
массового нагула,
зимовальных ям,
охранные зоны хозяйств
для воспроизводства
водообитающих
организмов
Использование для целей
рыбного хозяйства
1
Для сохранения
и воспроизводства
ценных видов
рыб с высокой
чувствительностью
к содержанию
кислорода
Для других
рыбохозяйственных
целей
Рис 3 1 Категории водопользования
сят к тому или иному классу опасности [2, 4] Одним из основных
показателей, с помощью которого определяют опасность вредных
веществ, является их подпороговая (максимальная недействующая)
концентрация (МНК), определяемая по санитарно-токсикологичес-
ким признакам при поступлении вещества в организм с водой
Другим показателем является подпороговая (максимальная
недействующая) доза (МНД) вещества, которая в двадцать раз меньше МНК
(МНД = МНК/20) Оба показателя выражаются в миллиграммах
на литр
Поскольку многие вещества обладают специфическими привку
сами и запахами, то оценку опасности производят с помощью под-
пороговой органолептической концентрации ППК , которая
оценивается восприятием вещества органами чувств Кроме
названных, к токсикометрическим характеристикам вредных веществ в
воде относятся
• пороговая концентрация, не влияющая на санитарные
характеристики воды в водном объекте ПКсан,
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 69
• пороговая доза по отдаленным эффектам ПД0ТД,
• пороговая доза по общетоксическому действию Пдоощ
Класс опасности вещества в воде устанавливается за четыре
этапа (табл 3 2), причем, на первых двух этапах чрезвычайно
опасные вещества не определяются
Табгица 3 2
Этап
дования
1
2
3
4
Критерии
оценки
опасности
МНК/ПКоргп
МНК/ПКС<1Н
МНК мг/л
лд*50/мнд
ПД0ТД/ПД0СЩ
Значения критериев соответствующие классам
опасности
1
(чрезвычайно
опасные)
0,001
105
1
2
(высоко
опасные)
1
1
0,001 0,1
106 105
1 10
3
(умеренно
опасные)
1 10
1 10
0,1 10
105 104
10 100
4
(мало
опасные)
10 и более
10 и более
10 и более
104 и менее
100 и более
* ЛД — летальная доза, при которой умирает 50% испытуемых
3.5. Обеспечение качества водных объектов
Взятая из озера, реки или колодца вода должна быть безопасна
для здоровья, иметь приятный вкус и не иметь запаха Контроль
качества и управление качеством воды в водных объектах призваны
дать ответ на ряд вопросов, таких как какую воду следует считать
чистой и безопасной, какие вещества и в какой концентрации за-
i рязняют воду и т п [16] Степень предельно допустимого
загрязнения воды в водном объекте, зависящая от его физических
особенностей и способности к нейтрализации примесей, рассматривается
как предельно допустимая нагрузка (ПДН)
Использование воды может быть связано с изъятием ее из
водного объекта, что приводит к его истощению и тем самым к
разрушению экосистемы Вводимый в практику норматив предельно
допустимой экологической нагрузки на водные экосистемы
(ПДЭН) позволит предотвратить деградацию и гибель экосистем
Основная цель при решении задач, связанных со снижением уровня
1агрязнения в водных объектах, заключается в разработке обосно-
нанных предложений по сокращению загрязненных сбросов в
водную среду в такой мере, чтобы процессы естественной утилизации
шгрязняющих веществ постоянно превалировали над процессами
70 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
загрязнения и приводили к устранению нарушений в экосистемах.
В общем случае допустимая нагрузка на водоем определяется
как разность между установленной нормативной нагрузкой Сн,
т.е. возможностью сброса, и уже существующей, т.е.
фактической нагрузкой Сф
С = Г — Г
Необходимое качество воды в водоеме может обеспечиваться
поддержанием соответствующих гидрохимических и
гидрологических режимов. Попадающие в водоем токсиканты изменяют
гидрохимический состав поверхностной воды и в зависимости от
концентрации оказывают влияние на процессы формирования ее качеств.
Поэтому контроль состояния водных объектов осуществляется
по физическим, химическим, бактериологическим и
гидробиологическим показателям
В нашей стране анализ состояния водных объектов проводят ряд
организаций, относящихся к различным министерствам, например-
• Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей
среды следит за количественными и качественными показателями
поверхностных вод и их изменением под влиянием деятельности
человека,
• Центр санитарно-эпидемиологического надзора
контролирует водоемы и воду, используемые для питьевого водоснабжения,
лечебно-оздоровительных целей;
• Рыбохозяйственная инспекция осуществляет надзор за
водоемами, имеющими рыбохозяйственное значение;
• Управление по геологии и использованию недр контролирует
использование подземных вод и осуществляет охрану их от
истощения и загрязнения,
• Комитет по водному хозяйству следит за водопользованием
и водопотреблением
Гидрохимический контроль качества воды состоит из системы
контроля и наблюдений
• за химическим составом воды водоемов и водотоков бассейна;
• поступающими атмосферными осадками,
• антропогенными источниками загрязнения
Гидрохимическая система контроля и наблюдений создается с
учетом сбросов сточных вод, а также видов водопользования.
Состав и объем гидрохимических наблюдений определяются
требованиями, предъявляемыми органами государственного управления и
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 71
надзора и основными водопользователями. При этом обычно
устанавливаются:
• минерализация;
• содержание кислорода;
• биологическое потребление кислорода (БПК);
• химическое потребление кислорода (ХПК);
• содержание основных ионов, биогенных веществ,
нефтепродуктов, детергентов, фенолов, пестицидов, тяжелых металлов
Определяются также физические параметры: цветность,
температура.
Объектами санитарных наблюдений являются водоемы, которые
используются для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых
нужд населения [14]. Створы обычно расположены вблизи пунктов
санитарно-бытового водопользования. При наблюдениях собирают
сведения об основных источниках загрязнения:
• о санитарном благоустройстве населенного пункта;
• об условиях отведения сточных вод;
• о промышленных и других объектах, сбрасывающих сточные
воды;
• о качестве и составе сбрасываемых стоков;
• о характере очистки и обеззараживания и т.д.
Загрязненность воды — понятие, относящееся только к вполне
определенному месту или зоне водного объекта и к конкретному
виду водопользования. Водный объект вне места
водопользования не считается загрязненным, даже если его экосистема
полностью разрушена вследствие сброса вредных веществ. С
экологической точки зрения это неприемлемо. Поэтому специалисты
различных производств должны независимо от того, обеспечена или
нет допустимая нагрузка на водный объект, принимать все
технически доступные меры для минимизации сброса в него
загрязняющих веществ
Контроль загрязнения водных объектов только по физическим и
химическим показателям, а также бактериологическая оценка
поверхностных вод (даже при наличии экологически обоснованных
норм содержания загрязняющих веществ и микрофлоры) в
природных средах оказываются недостаточными. Основным нормативным
требованием к качеству воды является соблюдение
установленных предельно допустимых концентраций Предельно
допустимые концентрации в воде — это такие нормативные показатели,
при которых исключается неблагоприятное влияние каких-либо
веществ,на организм человека и которые ограничивают хозяйственно-
72 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
с»пдк
\ Створ
\ сброса
\
\
\
Зона
разбавления
с<пдк
\ '
X IQ.
с ,о
О 03
- О |
* 1
L, км
1 км
J
^1
1 Створ
,водопользова-
, НИЯ
1
Рис. 3.2. Схема расположения контрольных точек на реке
Пункт
водопользования
Q
Рис. 3.3. Схема расположения контрольных точек в непроточном водоеме
питьевое, культурно-бытовое и другие виды водопользования. Состав
и свойства воды в водных объектах должны соответствовать
нормативам в створе реки или в радиусе 1 км от пункта водопользования
для непроточных водоемов (рис. 3.2, 3.3).
Предельно допустимые концентрации веществ для различных
категорий водопользования различны. Например, присутствие хлорор-
ганических соединений (ДДТ, гексахлоран) в
хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых водных объектах допускается в
концентрациях 0,02 и 0,1 мг/л соответственно, а в воде рыбохозяйственных
водоемов присутствие этих веществ вообще не допускается.
Глава 3. Антропогенное воздействие на гидросферу 73
Исходя из того, что отдельные вещества оказывают
неблагоприятные воздействия на организм лишь при попадании внутрь, а
другие представляют опасность даже при контактном воздействии, для
практики приняты различные ограничения. Например, санитарные
ограничения регламентируют возможности купания и умывания при
наличии одних веществ, в то время как санитарно-гигиенические
ограничения лимитируют использование воды для питья и
приготовления пищи при наличии в ней других веществ. Поэтому ПДК
разных веществ различаются лимитирующим показателем
вредности (ЛПВ). При этом выделяют:
• органолептический ЛПВ, изменяющий органолептические
свойства воды (цвет, запах, вкус);
• общесанитарный ЛПВ, влияющий на общесанитарное
состояние водоема, в частности, на скорость протекания процессов
самоочищения;
• токсикологический ЛПВ, влияющий на организм человека и
обитающих в воде животных..
Для водных объектов культурно-бытового и
хозяйственно-питьевого назначения в основу приоритетности нормирования положены
преимущественно токсикологический, общесанитарный и
органолептический лимиты, а для водных объектов рыбохозяйственного
назначения — в основном токсикологический и отчасти
органолептический [13].
При питьевом и рекреационном назначении вода нормируется
по 11 основным показателям. При этом ПДК установлено более чем
для 1200 ядовитых веществ.
Вода, используемая для рыбохозяйственных целей, нормируется
по 8 основным показателям [4]. При этом ПДК разработано почти
для 1000 веществ.
При наличии нескольких веществ, относящихся к одной группе
лимитирующего показателя вредности, содержание загрязняющего
вещества должно соответствовать условию
т с,
<=1
где С, — средняя концентрация г'-го вещества в воде водного
объекта; ПДК,- — предельно допустимая концентрация того же
вещества; т — общее количество веществ данной группы ЛПВ,
находящихся в воде исследуемого водного объекта.
В табл. 3.3 приведены значения ПДК для некоторых веществ в
водных объектах хозяйственно-питьевого назначения [15].
74 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природу
Таблица 33
Вещество
Медь, никель, цинк
Аммиак
Хлор активный
Капролактам
Тетраэтилсвинец
Свинец
Бензол
Анилин
Гексахлорбензол
Нитраты по азоту
ПДК, мг/л, в
водных объектах
хозяйственно-
питьевого
назначения
0,1
2,0
0,0
1,0
0,0
0,03
0,5
0,1
0,05
45,0
Вещество
Железо
Нефть
высокосернистая
Нефть прочая
Фенол
Дихлорфенол
Хлорофос
Сероуглерод
Нафтеновые кислоты
ДДТ (пестицид)
ПДК, мг/л, в
водных объектах
хозяйственно-
питьевого
назначения
0,3
0,1
0,3
0.001
0,002
0,05
1,0
0,3
0,2
Качество воды оценивается не только по присутствию в ней
токсичных или дурно пахнущих веществ, но и по изменениям физико-
химических показателей и свойств воды. В табл. 3.4 приведены
общие требования к составу и свойствам воды с указанием
допустимых норм [15].
Таблица 3 4
Показатели состава и
свойств воды водоема
Взвешенные вещества
Плавающие примеси
Запахи и привкусы
Окраска
Температура
Реакция рН
Минеральный состав
Растворенный кислород
БПК при 20°С
ХПК
Требования и нормативы
Содержание взвешенных веществ не должно
увеличиваться больше чем на 0.25 мг/л
На поверхности воды не должны обнаруживаться плава
ющие пленки, пятна масел и скопление других примесей
Вода не должна приобретать запахов и привкусов
интенсивностью более 1 балла
Не должна обнаруживаться в столбике 20 см
Летняя температура воды в результате спуска сточных
вод не должна повышаться более чем на 3°С по
сравнению со среднемесячной температурой самого
жаркого месяца за последние 10 лет
6,5 8,5
Не должен превышать по сухому остатку 1000 мг/л,
хлоридов 350 мг/л, сульфатов 500 мг/л
Не менее 4 мг/л
Не более 3 мг/л
Не более 15 мг/л
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 75
Наряду с общими требованиями к составу и свойствам воды
разработаны и внедрены в практику специальные требования,
например, к качеству водных объектов, предназначенных для купания и
спорта (табл. 3.5), которые узаконены ГОСТ 17.15.02-80
«Гигиенические требования к зонам рекреации водных объектов».
Таблица 35
Показатели
рекреационных вод
Плавающие примеси
Запах
Окраска
РН
Растворенный кислород
ХПК
Кишечные палочки
для купания
для спорта
Требования и нормативы
На поверхности водоема не должны обнаруживаться
плавающие пленки, пятна минеральных масел
Не более 1 балла
Не должна обнаруживаться в столбике 10 см
6,8 8,5
Не более 4 мг/л
Не более 30 мг/л
Не более 1000 бактерий/л
Не более 10 000 бактерий/л
С целью защиты прибрежных вод морей установлены зоны
санитарной охраны вод:
• зона водопользования, распространяющаяся на расстояние
2 морские мили от берега (1 морская миля = 1852 м) и используемая
для купания, спорта и отдыха;
• зона водопользования, распространяющаяся на 5 морских миль.
Основные требования к качеству воды в прибрежной зоне
приведены в табл 3.6.
Таблица 3 6
Показатели качества
воды в прибрежной зоне
Требования и нормативы
Зона водопользования
Зона санитарной
охраны
Плавающие примеси
Привкус и запах
Прозрачность
Окраска
Биохимическая
потребность в кислороде (БПК5)
Возбудители заболеваний
Кишечные палочки
Не должны обнаруживаться необычные для морских
вод плавающие примеси
на поверхности и в поверх- на поверхности воды
ностном слое глубиной 30 см
Интенсивность необычных для морской воды запахов
не должна превышать порога восприятия (2 балла)
Не менее 30 см
Не наблюдается в столбике 10 см
Не более 3.0 мг/л
Вода не должна содержать
возбудителей заболеваний
Не более 1000 бактерий/л
Не нормируется
Не нормируется
Определяется условия-
ми спуска сточных вод
76 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Особое внимание при оценке качества воды уделяется таким
показателям, как интенсивность запахов (табл. 3.7) и вкусовой порог
минеральных веществ (табл. 3.8).
Таблица 3 7
Балл
0
1
2
3
4
5
Интенсивность
запаха
Нет запаха
Очень слабый
Слабый
Заметный
Отчетливый
Очень сильный
Описание
Отсутствие ощущения запаха
Запах, не поддающийся обнаружению потребителем, но
обнаруживаемый в лаборатории
Запах, не привлекающий внимание потребителя
Легко обнаруживаемый, может сделать воду не пригодной
для питья
Обращающий на себя внимание и делающий воду не
пригодной для питья
Настолько сильный, что делает воду не пригодной для питья
Таблица 3 8
Химическое
вещество
Nad
KCI
СаС12
MgCl2
МпС)2
CaS04
Na,S04
Граница
ощушае-1
мости,
мг/л
495
550
400
3,5
140
450
Граница
вкусовой
пригодности,
мг/л
660
525
625
535
500
Химическое
вещество
MgS04
FeS04
MnS04
NaN03
KNOj
Ca(N03)2
NaHCO.j
Граница
ощущае-
мости,
мг/л
615
4,8
15,7
205
325
330
480
Граница
вкусовой
пригодности
мг/л
750
345
410
3.6. Регламентация поступления загрязняющих веществ
в водные объекты
Защита водных объектов от поступления в них загрязняющих
веществ может осуществляться разнообразными способами и
средствами. Однако выбор подходящего способа определяется в
основном источником и типом загрязнения. В случае защиты водоемов от
попадания в них коммунально-бытовых отходов можно все
источники разделить на два типа [14]:
• жилые массивы, сточные воды которых попадают в природные
водоемы через сливные и канализационные трубы; такие источники
загрязнений называют стационарными или точечными.
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу П
• источники загрязнения, характерные, например, для сельской
местности, от которых сточные воды поступают в природные
водоемы с обширных поверхностей суши; их принято называть
линейными или неточечными источниками загрязнения.
Сточные воды, содержащие растворенные и взвешенные
вещества, отходящие в водные объекты, рассматриваются как сбросы.
Сбросы могут быть неорганизованными, если они стекают в водный
объект непосредственно с территории промышленного или
сельскохозяйственного предприятия, не оборудованного канализацией или
иными устройствами для сбора, и организованными, если они
отводятся через специальные источники, т.е. водовыпуски, которые
классифицируются по следующим признакам:
• по типу водоема, в который поступает сточная вода (озерные,
речные, морские);
• по месту расположения выпуска: береговые (размещенные
в пределах береговой полости), русловые (в виде трубопроводов,
выводимых в русло реки до глубины более 30...40 м) и глубоководные
(на глубину более 40 м);
• по конструкции распределительной части:
сосредоточенные, рассеивающие и рассредоточенные);
• по типу оголовка, т.е. по конструкции сбросного устройства.
Целью природоохранных мероприятий является обеспечение
такого содержания загрязняющих веществ в воде, которое не окажет
вредного воздействия ни на качество окружающей среды, ни на
здоровье людей. Поэтому задача сводится к ограничению содержания
загрязняющих веществ в сбросах \\\].
В мировой практике существуют два подхода к решению данной
задачи. Первый подход состоит в том, чтобы загрязняющие
вещества не оказывали отрицательного влияния на природные
экосистемы в целом Критерием здесь считается ассимиляционный
потенциал территории, показывающий, какое количество вредных
веществ может быть без ущерба для своего состояния ассимилировать
та или иная территория После того, как суммарные объемы вредных
веществ, которые могут быть обезврежены в природных
экосистемах данной территориальной единицы, промышленным
предприятиям устанавливают предельные нормы на сбросы вредных веществ в'
течение определенного периода (сезона, года). Второй подход,
практикуемый в России, заключается в том, что приоритетным
условием является соблюдение санитарно-гигиенических нормативов,
т.е. соблюдение условия С > ПДК. Отсюда следует, что
предприятие должно обеспечить такое поступление загрязняющих веществ
78 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
в природную среду (сброс), при котором эти вещества смогут
рассеяться до неопасных концентраций (ПДК) в определенных местах
Как было показано выше (см. рис. 3 2), в створе реки в
пределах 1 км перед пунктом водопользования должно выполняться
условие С > ПДК Между пунктом водопользования и створом сброса
сточных вод расположена зона рассеяния (разбавления) вредного
вещества, концентрация которого в сточной воде превышает ПДК
Условие С > ПДК в установленном створе может быть обеспечено,
если содержание вредных веществ в стоках (предельно допустимый
сброс — ПДС) гарантируется разбавлением их до неопасных
концентраций Обеспечение этих нормативов для каждого источника и
для каждого отдельного вещества (с учетом эффекта суммации)
является конкретной задачей предприятия. Таким образом, если ПДК
являются нормативами на содержание загрязняющих веществ в
природной среде, то ПДС — нормативами на их поступление.
Под ПДС понимается масса вещества в сточных водах,
максимально допустимая к отведению (в установленном режиме) в
единицу времени. Для каждого конкретного случая при установлении
лимита отведения сточных вод в водный объект и для
прогнозирования степени загрязнения водного объекта вниз по течению
проектируемого выпуска расчет значения ПДС производится на основе
уравнения баланса, учитывающего фоновую концентрацию,
гидрологические, гидравлические и гидродинамические
особенности водного объекта [11]
Проекты ПДС разрабатываются и утверждаются для
предприятий, учреждений и организаций, имеющих или проектирующих
самостоятельно выпуски сточных вод в водные объекты в целях
соблюдения ПДК в контрольных створах водопользования. Расчет
ПДС, г/с, производится по наибольшим среднечасовым
расходам сточных вод qQT, м3/ч, фактического периода спуска сточных
вод, по концентрации загрязнений С, мг/л или г/м3 [5]
Характеристика промышленных сточных вод необходима в той
же степени, что и характеристика водоема, принимающего эти воды.
Достоверные данные о характере и режиме выпуска промышленных
сточных вод в водоемы можно получить, используя схему
исследования, приведенную на рис. 3.4 Как видно из схемы, одним из
основных мероприятий при определении количества и качества
сточных вод является разработка норм или установление соответствия
удельного водопотребления и водоотведения. Установление
соответствия нормам дает характеристику степени эффективности исполь-
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 79
зования воды, оптимального состава и количества сточных вод,
отводимых на очистку в водостоки и водоемы.
В табл 3.9 показаны примеры средних удельных расходов воды
и сточных вод на производство топлива и в теплоэнергетике.
Таблица 3 9
Вид продукции
Добыча 1 т нефти
Добыча 1000м5газа
«условного»
Добыча 1 т угля в
шахтах
Получение 1 МВт ч
электроэнергии
конденсационных
электростанций
на органическом
топливе
на ядерном топливе
Объем оборотной
и последовательно
используемой
воды, м3
Объем
свежей воды
из
источника, м3
Топливо
3,6
600
2,1
3,6
15
0,3
Теплоэнергетика
137,6
205
6
9,2
Объем
всей
воды,
м3
7,2
615
2,4
143,6
214,2
Потери
воды,
м»
3,2
12
0,15
1,4
3
Объем
сточной
воды,
м3
0,4
3
0,15
4,6
6,2
Значение ПДС, г/с, или г/ч, или т/год, с учетом требований
к составу и качеству воды в водном объекте определяется как
произведение наибольшего расхода сточных вод (обычно
среднечасового) q, м3/г, и разрешенной предельной концентрации вредного
вещества в сточных водах Спдо г/м3 При расчете условий сброса
сточных вод сначала находится значение СПдС, обеспечивающее
нормативное качество воды в контрольных сбросах, а затем — ПДС
согласно уравнению
ПДС = ^СПДС (3 1)
Следует иметь в виду, что сброс, соответствующий ПДС, должен
быть увязан с расходом сточной воды, так как уменьшение расхода
при сохранении значения ПДС приводит к концентрации вещества
в водном объекте, превышающей ПДК. Если концентрация
загрязняющего вещества в водном объекте превышает ПДК, то СПдСв
каждом конкретном случае согласовывается с инспекционными
органами [9]
80 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Характеристика
условий
образования
сточных вод
Ознакомление
с производственной
структурой
и технологией
предприятия
X
Выяснение
характера
возможного
загрязнения
стоков
Выявление
режима
и условий
отведения стоков
Выявление
условно чистых
сточных вод
и возможности
их повторного
и
последовательного
использования
Количественная
характеристика
сточных вод
Проведение
непрерывных
суточных
или сменных
замеров
Определение
суточных
или сменных
расходов
сточных вод
Определение
режима стока
и коэффициента
неравномерности
Определение
удовлетворяющего
расхода воды
и сточных вод
на единицу
продукции
или сырья
Качественная
характеристика
сточных вод
Отбор средне-
пропорциональных или
средних проб
сточных вод
Санитарно-
химический
анализ
и определение
концентрации
вредных
веществ
Микробиологический
анализ
Определение
изменений
состава
и свойств
сточных вод
при различных
методах
очистки
Отбор проб
для
динамической
характеристики
сточных вод
Определение
колебаний
температуры
Определение
колебаний рН
Определение
изменений
концентраций
характерных
вредных
веществ
Рис 3 4 Схема исследований характера сточных вод
Основное расчетное уравнение для определения Спдс без учета
неконсервативности вещества имеет вид [8]1
^пдс ~ " Сцдк>
(3 2)
где СПдК— предельно допустимая концентрация загрязняющего
вещества в воде водотока, г/м3; п — кратность общего
разбавления сточных вод в водостоке, равная произведению кратности
начального разбавления пн на кратность основного разбавления
Пп, те. л
пи п.
н "о
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 81
Кратность начального разбавления пн учитывается при выпуске
сточных вод в водоток в следующих случаях:
• для напорных сосредоточенных и рассеивающих выпусков в
водоток при скоростях реки и стока V и Уст, удовлетворяющих
условию Vcr > 4 Vp,
• при абсолютных скоростях истечения струи из выпуска более
2 м/с (при меньших скоростях пн = 1)
Кратность основного разбавления п0 определяется по методу
В.А. Фролова — И.Д. Родзиллера:
n0=(q+yQ)/q, (3.3)
где Q — расчетный-расход водостока, м3/с; у — коэффициент
смешения, показывающий, какая часть речного расхода смешивается
со сточными водами в максимально загрязненной струе расчетного
створа:
Y= r'-^PC-efrl. (3.4)
1 + —ехр(-а \ /)
Я
где / — расстояние йт выпуска до расчетного створа по фарватеру;
а — коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке:
а = ф? 3V Д/q, (3.5)
где ф — коэффициент извилистости реки (отношение расстояния
до контрольного створа по фарватеру к расстоянию по прямой); \ —
коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод (при
выпуске у берега \ = 1, при выпуске в стержень реки \ - 1,5); Д —
коэффициент турбулентной диффузии, м2/с.
Для летнего времени
Д = ё VtpWq,/(37nluc2).
где g — ускорение свободного падения, м/с2; Уср — средняя
скорость течения реки, м/с; Яср_ средняя глубина реки, м; пш —
коэффициент шероховатости реки, определяемый по таблице
А.Ф. Скрибнера (табл. 3.10); с — коэффициент Шези,
определяемый при глубинах Н < 5 м как с = R /пш (R — гидравлический
радиус потока, равный И).
Для равнинных рек коэффициент Д по М.В. Потапову
определяется из уравнения
Д = Кср /Уср/200. (3.6)
82 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 3 10
Характеристика русла
Естественные русла благоприятные условия (чистое, прямое,
незасоренное, земляное со свободным течением)
Русла постоянных водотоков равнинного типа, преимущест
венно больших и средних рек в благоприятных условиях
Периодические водотоки при очень хорошем состоянии
поверхности и формы ложа
Сравнительно чистые руспа постоянных равнинных водосто
ков в обычных условиях, извилистые или с неправильностями
рельефа дна (отмели, промоины, местами камни)
Русла больших и средних рек, значительно засоренные и
извилистые
Сильно засоренные, галечно валунные русла горного типа
Русла со слабым течением, валунные, горного типа с непра
вильной поверхностью водного зеркала
Руспа горно водопадного типа со значительной извилистостью
Русла болотного типа, во многих случаях со стоячей водой
Коэффициент
шероховатости
для открытых
русл
Пш
0,025
0,03
0,04
0,05
0,067
0,08
0,1
0,133
1/яш
40
33,4
25
20
15
12,5
10
7,5
Для зимнего периода (периода ледостава)
37 ппр С"Р'
(3 7)
япр, спр — приведенные значения гидравлического радиу-
где Япр.
са, коэффициента шероховатости и коэффициента Шези соответст
венно
R„p = 0.5 Н,
+ ca/«J1-5
-1 О Ь7
где па — коэффициент шероховатости нижней поверхности льда
(табл. 3 11)
Расчет ПДС для выпусков сточных вод в водохранилища и озера
определяется с учетом специфики гидродинамического и
биохимического состояния данных объектов и места выпуска сбросов в
водоемы по глубине Считается, что полное разбавление сточных вод
в водоеме является результатом совместного влияния начального
разбавления, происходящего вблизи водовыпуска за счет скорости
и турбулентности струи, и основного разбавления,
осуществляющегося вследствие диффузии
Глава 3 Антропогенное воздействие на гидросферу 83
Таблица 3 11
Периоды ледостава
Первые 10 дней ледостава (первая декада)
10 20 дней после ледостава (последняя декада декабря
- начало января)
20 60 дней после ледостава (середина января - первая
декада февраля)
60 80 дней после ледостава (конец февраля - начало
марта)
80 110 дней после ледостава
Коэффициент
шероховатости льда па
0,15 0,05
0,1 0,04
0,05 0,015
0,04 0,015
0,025 0,01
Независимо от нормативных требований к качеству воды в
водном объекте, существуют ограничения на сброс сточных вод
Запрещается сбрасывать в водные объекты сточные воды |10], если
они:
• могут быть устранены путем рациональной технологии,
максимального использования в системах оборотного и повторного
водоснабжения,
• содержат ценные отходы, которые могут быть утилизованы на
данное или других производствах;
• содержат производственное сырье, реагенты, полупродукты и
конечные продукты производства в количествах, превышающих
установленные нормативы технологических потерь;
• содержат вредные вещества, для которых не установлены
ГЩК;
• при соблюдении санитарных требований и с учетом состава
местных условий могут быть использованы для орошения в сельском
хозяйстве.
ЛИТЕРАТУРА
1 Экология, охрана природы, экологическая безопасность / Под ред
В И Данилова-Данильяна М Изд-во МНЭПУ, 1997
2 Алтунин ВС , Белавцева ТМ Контроль качества воды Справочник
М Ко юс, 1993
3 Экология Учеб пособие / Под ред С А Боголюбова М Знание, 1997
4 Стадшщкий Г В , Родионов А И Экология СПб Химия, 1995
5 Очистка природных и сточных вод Справочник М Высш шк , 1994
6 Ревель П , Ревель Ч Среда нашего обитания М Мир 1996
84 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
7. Шевцов К.К. Охрана окружающей природной среды в строительстве.
М.: Высш шк., 1994.
8. Сборник нормативных материалов по охране окружающей среды. Кн. 4.
Охрана водоемов Санитарные требования к проектированию сооружений
хозяйственно-питьевого водоснабжения. М , 1994.
9. Негробов О.П. Основы экологии и природопользования. Гидросфера.
Учеб. пособие Воронеж, 1997.
10. Черкинский С.Н Санитарные условия спуска сточных вод в водоемы
М.: Стройиздат, 1977.
11. Лаптев Н.Н. Расчеты выпусков сточных вод. М/ Стройиздат, 1977.
12. Обзор загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за
1996 год / Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу
окружающей среды. М., 1997.
13. Проблемы экологии Москвы / Под ред. Е.И. Пупырева. М.: Гидроме-
теоиздат, 1992.
14. ГОСТ 17.1 1 02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация
водных объектов
15 ГОСТ 17.1.1.01-77. Охрана природы. Гидросфера. Использование и
охрана вод Основные термины и определения.
16 ГОСТ 17.1.3.13-86. Охрана природы. Гидросфера Общие требования к
охране поверхностных вод от загрязнений.
Гл а в а 4
АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЛИТОСФЕРУ
4.1. Строение, состав и свойства литосферы
Литосфера — верхняя твердая оболочка Земли, постепенно
переходящая в сферы с меньшей прочностью вещества и
включающая в себя земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность
литосферы 5...200 км, в том числе земной коры —до 50...70 км на
континентах и 5...10 км на дне океана. Литосфера (или иначе
земля) — важнейшая часть окружающей природной среды,
характеризующаяся площадью, рельефом, почвенным покровом,
растительностью, недрами, а также пространством для размещения всех отраслей
народного хозяйства (1—5]. Состояние литосферы меняется во
времени под воздействием природных сил и деятельности человека.
Природные силы (тепло, влага, ветер, радиация и т.д.) и вызываемые
ими геологические явления (вулканические извержения, землетря-
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу 85
*-* ¦ ¦—-—
сения, наводнения и т.д.) существенно изменяют характер
литосферы в отдельных регионах.
Одним из важнейших свойств почвы является ее плодородие,
т.е. способность обеспечивать органическое и минеральное питание
растений. Плодородие зависит от физических и химических свойств
почвы.
Почва является трехфазной средой, содержащей твердые,
жидкие и газообразные компоненты. Она формируется в результате
сложных взаимодействий климата, растений, животных,
микроорганизмов и рассматривается как биокосное тело, содержащее живые
и неживые компоненты. В результате перемещения и превращения
веществ почва обычно расчленяется на отдельные слои, или
горизонты. Соотношение и протяженность горизонтов по глубине
зависит от типа почвы, но самый верхний горизонт, содержащий
продукты перегнивания органических веществ, является самым
плодородным. Он называется гумусовым или перегнойным, имеет зернисто-
комковатую или слоистую структуру. Гумус представляет собой
растительные и животные остатки, разложившиеся под действием
микроорганизмов, разрушающие крахмал, целлюлозу, белковые
соединения. Его мощность 10...15 см.
Над гумусовым горизонтом располагается слой растительного
опада, который называют подстилкой. Он состоит из еще не
разложившихся растительных остатков. Ниже гумусового горизонта
расположен малоплодородный белесый слой толщиной 10... 12 см.
Питательные вещества вымыты из него водой или кислотами,
поэтому его называют горизонтом вымывания, или выщелачивания.
Далее залегает материнская порода.
Свыше 50% минерального состава почвы образовано кремнозе-
мом (Si02), до 25% приходится на глинозем (А1203), до 10% на
оксид железа (Fe203) и от 0,1 до 5% на оксиды магния, калия
фосфора, кальция (MgO; K20; Р205; СаО). Органические остатки в
почве минерализуются с образованием простых (воды, СОо, аммиака
и др.) или более сложных соединений, например гумуса [6, 7].
' Важнейшими химическими свойствами почвы, превращающими
ее в уникальный реактор, являются концентрация солей в почвенном
растворе, кислотность, оказывающая решающее влияние на
активность микроорганизмов и усвоение растениями азота, а также
обменная или поглотительная способность почвы, связанная с суммой
обменных оснований почвенных коллоидов.
Содержание воды в почве зависит от ряда факторов, в том числе
от температуры и количества осадков. Чем выше концентрация
солей в почвенном растворе, тем менее они доступны растениям.
86 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Питательные вещества из почвы поступают в растение через
корневые окончания в ионной форме: катионы оснований, например,
обмениваются на катионы водорода, источником которых могут быть
органические кислоты. Корни растений извлекают из почвы
соединения азота (нитраты), серы, фосфора, а также зольные элементы,
в частности соли калия, кальция и в меньшей степени кремнезем и
полуторные оксиды. Таким образом, растительность создает
непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к
ее поверхности, т.е. обеспечивает их биологическую миграцию.
В процессах почвообразования большую роль играют
населяющие почву живые организмы (микробы, беспозвоночные), бактерии,
грибы.
Человек практически не воздействует на литосферу, хотя
верхние горизонты земной коры сильно изменяются в результате
эксплуатации месторождения полезных ископаемых. Наибольшей
трансформации подвергается самый верхний, поверхностный
горизонт в пределах суши, которая занимает 29,2% поверхности земного
шара и включает земли различной категории, из которых
важнейшее значение имеет плодородная почва. Под влиянием деятельности
людей возникает ускоренная эрозия, когда почвы разрушаются в
100... 1000 раз быстрее, чем в естественных условиях. В результате
такой эрозии за последнее столетие утрачено 2 • 109 га плодородных
земельных угодий, что составляет 27% земель
сельскохозяйственного использования.
В почве протекают различные физические, химические и
биологические процессы, которые в результате попадания в нее
загрязняющих веществ нарушаются Загрязнение почв связано с
загрязнением атмосферы и гидросферы. В почву попадают твердые и
жидкие промышленные, сельскохозяйственные и бытовые отходы.
Основными загрязняющими почву веществами являются металлы и
их соединения, радиоактивные вещества, удобрения и пестициды.
Главными источниками загрязнения почвы являются
следующие.
• Жилые дома и бытовые предприятия. В числе
загрязняющих веществ преобладает бытовой мусор, пищевые отходы,
фекалии, отходы отопительных систем, больниц, столовых, гостиниц,
магазинов и др.
* Промышленные предприятия. В газообразных, жидких и
твердых промышленных отходах присутствуют те или иные
вещества, которые существенно изменяют химический состав почв,
загрязняя их.
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 87
• Теплоэнергетика. Помимо образования массы шлаков при
сжигании каменного угля с теплоэнергетикой связано выделение в
атмосферу сажи, несгоревших частиц, оксидов серы и других
веществ, которые попадают в почву.
• Сельское хозяйство. Удобрения и ядохимикаты,
применяемые для защиты растений от вредителей, болезней и для борьбы с
сорняками. На полях ежегодно рассеивается свыше 500- 106 т
минеральных удобрений и около 4 • 106 т ядохимикатов, а типовой
свиноводческий комплекс на 108 тыс. голов дает около 106 м3 навозных
стоков, т.е. по эффекту загрязнения равен городу с численностью
населения 150 тыс. человек.
• Транспорт. При работе двигателей внутреннего сгорания
интенсивно выделяются оксиды азота, свинец, углеводороды и другие
вещества, оседающие на поверхности почвы или поглощаемые
растениями. В выхлопных газах автомобилей более 40 химических
веществ, большинство из которых токсичны. Следы свинца находят
на расстояниях до 100 м от полотна дороги, а в почве придорожных
полос повышенное содержание никеля, цинка и других металлов.
Самоочищение почв — процесс медленный. Почвы могут
самоочиститься в тех случаях, когда в этом процессе активно участвуют
находящиеся в почве бактерии, грибы, простейшие организмы и т.д.
При накоплении токсичных веществ химический состав почв
изменяется, и происходит нарушение единства геохимической среды и
живых организмов. Из почвы токсичные вещества могут попасть в
организмы животных и людей, в результате чего возникают
нежелательные последствия. О масштабах химического преобразования
поверхности литосферы можно судить по следующим данным: за
столетие (1870-1970 jt.) на земную поверхность осело свыше
20 • 109 т шлаков; 3 • 109 т золы; выбросы цинка и сурьмы составили
по 600 • 103 т; мышьяка — 1,5 ¦ 106 т; кобальта — свыше 0,9 • 106 т;
никеля — более 1 • 106 т. В год из Земли извлекается до 10 т горных
пород, однако использование ископаемых материалов
малоэффективно. Каждый год при переработке и добыче минерального
сырья образуется около 8,5 ¦ 109 т твердых отходов [1].
4.2. Нормирование загрязняющих веществ в почве
Нормирование загрязняющих веществ в почве имеет три
направления:
• нормируется содержание ядохимикатов в пахотном слое почвы
сельскохозяйственных угодий;
88 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• нормируется накопление токсичных веществ на территорий
предприятия;
• нормируется загрязненность почвы в жилых районах,
преимущественно в местах хранения бытовых отходов [6, 7].
В пахотном слое ядохимикаты нормируются по двум
показателям:
• предельно допустимым концентрациям (ПДКП);
• временно допустимым концентрациям (ВДКП).
Для установления ПДКП используют данные о фоновых
концентрациях исследуемых веществ, их физико-химических свойствах,
параметрах стойкости, токсичности. При этом экспериментально
устанавливают:
• допустимую концентрацию вещества в почве, при которой
его содержание в пищевых и кормовых растениях не превысит
некоторых допустимых остаточных количеств (ДОК), иначе
называемых ПДК в продуктах питания;
• допустимую (для летучих веществ) концентрацию, при
которой поступление вещества в воздух не превысит
установленных ПДК для атмосферного воздуха (ПДКав);
• допустимую концентрацию, при которой поступление
вещества в не грунтовые воды не превысит ПДК для водных
объектов;
• допустимую концентрацию, не влияющую на
микроорганизмы и процессы самоочищения почвы.
Наиболее жесткие из названных показателей принимаются в
качестве ПДКП, причем сравнение идет по одноименным показателям
вредности. Установлены ПДКП в основном для ядохимикатов,
применяемых для защиты растений от вредителей, болезней, сорняков
(табл. 4.1).
Таблица 4 I
Пестицид
Прометрин (арборицид)
Хлорамп (арборицид)
Хлорофос (инсектицид)
ДЦТ (инсектицид)
Сивин (инсектицид)
пдк„,
мг/кг
0,5
0,05
0,5
0,1
0,05
Пестицид
Гексахлоран (инсектицид)
Гамма-изомер гексахлорана
Полихлорпинен (инсектицид)
Полихлоркамфен (инсектицид)
пдкп,
мг/кг
1,0
1,0
0,5
0,5
Временно допустимые концентрации (ВДКП) в отличие от ПДКП
определяются расчетным путем для всех пестицидов, которые раз-
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу 89
решены к этим испытаниям или, в силу своих химических
особенностей не требуют обязательного определения ПДК.
Санитарное состояние почвы оценивается по ряду
гигиенических показателей, в том числе по так называемому санитарному
числу, т.е. отношению содержания белкового азота к общему
органическому; учитывается также наличие кишечной палочки (коли-
титр), личинок мух, яиц гельминтов. По комплексу этих показателей
почва оценивается как чистая или загрязненная. Кроме того,
существует ряд дополнительных показателей санитарного состояния
почв (табл. 4.2), определяемых на территории как производственных
предприятий, так и населенных пунктов [8, 9].
Таблица 4 2
Показатель санитарного состояния почвы
Санитарное число
Азот аммонийный, мг/кг
Азот нитратный, мг/кг
Хлориды, мг/кг
Пестициды, .мг/кг
Тяжелые металлы, мг/кг
Нефть и нефтепродукты, мг/кг
Фенолы летучие, мг/кг
Сернистые соединения, мг/кг
Канцерогенные вещества, мг/кг
Удобрения (остаточные количества), мг/кг
рн
Радиоактивные вещества, Ки/кг
Термофильные бактерии, титр
Бактерии группы кишечной палочки, коли-титр
Патогенные микроорганизмы
Бактерии клостридиум перфигена, титр
Яйца и личинки гельминтов жизнеспособные,
экз/кг почвы
Личинки и куколки синантропных мух, экз/кг почвы
Характеризуемые
свойства почвы
Санитарно-химические
То же
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
'—
'—
'—
'—
'—
Санитарно-бактериоло-
гические
То же
—"—¦
—"—
Са ни та рно-ге л ьм и нто-
логические
Санитарно-энтомологи-
ческие
90 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
4.3. Радиоактивное загрязнение почв и загрязнение
тяжелыми металлами
Ряд территорий РФ в силу различных причин подвержен
радиоактивному загрязнению. В результате аварии на Чернобыльской
АЭС в 1986 г. 20 областей Европейской территории России были
загрязнены цезием-137. Данные о площадях территорий РФ,
загрязненных цезием-137, и связанные с этим возможные накопленные
дозы радиоактивного облучения представлены в табл. 4.3.
Таблица 4.3
Область,
республика
Белгородская
Брянская
Воронежская
Калужская
Курская
Ленинградская
Липецкая
Нижегородская
Орловская
Пензенская
Рязанская
Саратовская
Смоленская
Тамбовская
Тульская
Ульяновская
Мордовия
Татарстан
Чувашия
1 Всего
Площадь,
км2
27100
34900
52400
29900
29800
85900
21100
74800
24700
43200
39600
100200
49800
34300
700
37300
36200
6800
18000
Площадь загрязнения цезием-137, км2,
при его активности, Ки
1 .5
1620
6750
1320
3500
1220
850
J 690
250
8840
4430
5320
150
100
510
10320
1100
1900
ПО
80
49760
5..19
2628
1419
132
1271
5450
15.40
2130
2130
> 40
310
310
В 1993 г. на территории Томской области в результате аварии
на Сибирском химическом комбинате произошло радиоактивное
загрязнение территории, примыкающей к комбинату. В результате
проведения подземных ядерных взрывов образовались районы с
локальными зонами радиоактивного загрязнения, к которым
относятся' республика Саха, Оренбургская область, Ивановская область,
Архангельская область, Пермская область.
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 91
Росгидрометом ежегодно проводится выборочный контроль
загрязнения земель 5-километровой зоны вокруг основных
промышленных центров черной и цветной металлургии, химических и
нефтехимических предприятий, центров машиностроения, энергетики и
других зон повышенного техногенного воздействия на окружающую
среду.
Некоторые виды микроорганизмов способны питаться ядами.
Кроме того, под действием загрязнителей формируются устойчивые
к токсикантам формы микробов. В их клетках вырабатываются
ферменты, способные осуществлять распад токсичных соединений.
Приспособляемость микроорганизмов к токсичным веществам
обусловлена разными причинами. Одни из них непостоянны, и с их
устранением исчезает и адаптационный эффект микроба, другие
вызывают генетические изменения микробных клеток и тем самым
стабильно закрепляют их новые свойства.
Разлагать токсичные вещества способны микроорганизмы
различных групп. Особенно активны бактерии рода Псевдомонас —
они одинаково легко используют моноциклические ароматические
углеводороды (бензол, толуол, ксилол), альдегиды (формальдегид,
ацетальдегид), спирты (метанол, глицерин) и другие, более сложные
соединения.
В процессе воздействия на загрязненную почву тяжелых
металлов микроорганизмы могут накапливать их в своих клетках. Гриб
нейроспора способен поглотить до 40% накопленного в почве
кобальта. С каждым годом расширяется поиск микробов, «работающих
на человека>>. Идет окультуривание диких и создание новых, более
полезных форм микроорганизмов. Ранее считали, что внесенный в
почву посторонний микроб быстро в ней гибнет и не выполняет
своих функций. Однако в настоящее время появились
доказательства того, что многие микроорганизмы, искусственно внесенные в
почву, находят в ней свое место и долго сохраняют
жизнедеятельность и активность. В процессе разложения токсичных соединений
чаще всего участвуют несколько видов микроорганизмов, причем,
одни начинают, а другие завершают процесс разложения, расщепляя
уже частично измененные продукты. Скооперированное действие
микроорганизмов может быть основано не только на таких
сравнительно простых связях. Между отдельными представителями
единого микробного комплекса может происходить обмен генетическим
материалом посредством специфических структур — плазмид.
Плазмиды не являются неотъемлемой частью клетки. Они могут
Лыть утрачены ею или приобретены извне. При этом утрачивается
свойственный данному микроорганизму признак или приобретается
92 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
новый. Планируется создание ряда новых штаммов, способных
разрушать стойкие химические соединения. С их помощью можно
обезвреживать специальные угодья с повышенным содержанием
ксенобиотиков. Познание взаимоотношений микроорганизмов с
запрограммированными свойствами позволит решить многие важные
проблемы, возникающие на нашей планете.
4.4. Деградация почв
Скорость образования верхнего слоя почвы составляет примерно
2,5 см за 100... 1000 лет Этот показатель широко варьируется в
зависимости от климата, растительности, типа почвы и характера
землепользования.
Эрозия почвы измеряется в тоннах потерянной почвы на 1 га.
Чтобы понять, что означает скорость потери почвы, необходимо
обратиться к фактам. В современном сельском хозяйстве глубина
вспашки обычно составляет 15 см. Масса этого слоя на 1 га равна
примерно 2245 т. Если скорость эрозии примерно 33 т на 1 га за
год, то ежегодно утрачивается около 0,25 см почвы, а весь пахотный
слой будет утрачен за 60 70 лет. Подсчитано, что продуктивность
почвы может сохраняться в течение долгого времени при ежегодных
потерях, не превышающих 2,2... 11 т с 1 га в год. В составе
земельного фонда учитываются семь категорий по назначению земель и
семь основных видов их использования (угодий).
Категории земель:
I — земли сельскохозяйственных предприятий и граждан;
II — земли лесного фонда (лесохозяйственные),
Ш — земли в ведении городских, поселковых и сельских органов
власти;
IV — земли природоохранного назначения;
V — земли промышленности, транспорта и иного
несельскохозяйственного назначения;
VI — земли водного фонда;
VII — земли запаса.
Данные о категориях почв приведены в табл. 4.4.
Масштабы деградационных процессов зависят от интенсивности
действия естественных (климатические, гидрологические, морфоди-
намические, фито- и зоогенные) и антропогенных факторов, таких
как: нерациональное ведение бочарного и орошаемого земледелия;
чрезмерный выпас; уничтожение почвенно-растительного покрова
промышленным, коммунальным и ирригационным строительством;
Глава 4 Антропогенное воздействие на литосферу 93
Таблица 4 4
Категория
земель
I
II _
III
IV
V
VI
VII
Всего
Площадь земельных угодий РФ, млн гектаров, (1995 г)
Сельскохозяйственные
Всего
186,6
3,8
24,4
0,4
1,2
00
5,4
221,8
Пашня
122,9
0,2
5,9
0,2
1,5
130,7
Леса
и
кустарники
134,4
620,5
5,0
13,0
3,8
0,1
7,9
784,7
Болота
15,8
77,1
1,6
1,6
0,4
0,7
11,0
108,2
Под
водой
19,6
12,9
0,9
1,4
0,8
18,2
18,0
71,8
Оленьи
пастбища
253,3
60,1
00
1,7
0,1
12,8
328,0
Под
стройками,
дорогами
3,6
1,7
5,0
0,1
3,0
0,0
0,0
13,4
Прочие,
в том
числе
нарушенные
54,4
62,5
1,7
9,1
8,3
0,4
45,5
181,9
Итого
667,7
838,6
38,6
27,3
17,6
19,4
100,6
1709,8
горные разработки; технологические и аварийные промышленные
выбросы в атмосферу; сброс сточных и дренажных вод. Эти
процессы имеют свою региональную специфику:
• деградация оленьих пастбищ на севере,
• дегумификация, истощение и эрозия почв в центральной части
России;
• опустынивание на юге.
В 1994 г. вынос питательных веществ из почвы урожаем и
сорняками в три раза превышал поступление их с минеральными и
органическими удобрениями. Применение минеральных удобрений
стало убыточным. В то же время возрастает площадь
сельскохозяйственных угодий с низким и очень низким содержанием фосфора,
калия и с повышенной кислотностью. Сокращены объемы по
мелиорации земель. При сельскохозяйственном использовании
наибольший ущерб причиняется невыполнением противоэрозионных
агротехнических мероприятий при обработке склонов, распашкой эро-
зионно-опасных зон, перевыпасом скота. Нарушенные земли в
1995 г. составляли 1282,6- 103 га. Общее количество организаций,
ведущих работы, связанные с нарушением почвенного покрова,
приближается к 20 тыс. Снимаемый с нарушенных территорий
плодородный слой почвы используется неполностью, а объемы его
складирования увеличиваются. В настоящее время заскладировано
815,8 • 106 м3 плодородного слоя. Проводимая в России земельная
реформа в наибольшей степени отражается на землях, находящихся
в ведении администраций городов и других населенных пунктов.
94 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
4.5. Рекультивация земель
С развитием земледелия зарождались идеи по рациональному
использованию обрабатываемых площадей, их приспособлению к
требованиям проводимых работ. С давних пор люди создавали новые
искусственные ландшафты на бесплодных землях и безжизненных
горных породах, рекультивировали нарушенные земли, свалки,
отвалы пустых пород и т.д. [10]. Еще в 1912 г. в России на территории
нынешней Владимирской области на участках заброшенных
торфоразработок были поставлены опыты-по их окультуриванию и
выращиванию сельскохозяйственных растений. В настоящее время
успешная работа по рекультивации буроугольных и каменноугольных
разработок проводится в Германии, Чехии, Словакии, Польше,
Англии, США. Большой опыт рекультивационных работ накоплен в
России.
Рекультивация представляет собой комплекс работ,
направленных на восстановление продуктивности нарушенных земель, а
также на улучшение условий окружающей среды. Согласно
действующим стандартам, выделяются два этапа рекультивации земель:
технический и биологический. Они охватывают различные
мероприятия горно-технического, сельскохозяйственного,
водохозяйственного, санитарно-гигиенического и эстетического характера.
Такое разнообразие работ потребовало введения классификации по
ряду признаков [11].
По типу выполняемых работ они подразделяются на ланд-
шафтно-восстановительные и экоохранные.
По виду и составу технологических процессов землевосстанови-
тельные работы классифицируются:
• на горно-планировочные — разравнивание и планировка
поверхности отвалов, террасирование откосов, отвалов и уступов в
карьерах;
• инженерную подготовку восстанавливаемых площадей —
отвод вод и защита от подтопления, размывов; борьба с
образованием оврагов и эрозией; устройство дорог и подъездов;
• горные — по снятию, хранению и повторному использованию
почв;
• биомелиоративные — по восстановлению прежнего
плодородия перемещенной почвы;
• инженерные — по искусственному уплотнению отвалов
(послойная укладка с уплотнением пород, специальные методы
укрепления пород);
Глава 4. Антропогенное воздействие на литосферу
• гидротехнические — по строительству водохозяйственных
объектов (устройство ложа водоема, производство береговых
укрепительных работ, устройство водозаборных и сбросных
сооружений).
Биологическая рекультивация — это этап рекультивации
земель, включающий мероприятия по восстановлению их плодородия,
нарушенного в результате загрязнения почв отходами
промышленного производства и сельскохозяйственной освоенности.
Под качеством рекультивации следует понимать совокупность
свойств восстановленных земель, обусловливающих их пригодность
удовлетворить определенным требованиям в соответствии с
целевым назначением. Качество рекультивируемых земель слагается из
качества показателей его составных элементов. Если
рекультивированные земли отвечают всем требованиям нормативно-технической
документации, то они считаются годными для эксплуатации и могут
быть переданы для освоения землепользователям. Современный
уровень развития технологии, техники и организации землевосста-
новительных работ позволяет обеспечить высокие показатели
качества рекультивации земель.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев Ю.А., Фокин С.А. Мониторинг и методы контроля окружаю*
щей среды. М : МНЭПУ, 1998.
2. Экология. Учеб. пособие / Под ред. С.А. Боголюбова. М.: Знание, 1997,
3. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. СПб.: Химия, 1995.
4. Ревель П., Ревель Ч. Среда нашего обитания. М.: Мир, 1996.
5. Маэур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. М.,
Высш. шк., 1996.
6. ГОСТ 17.4 2.03-86. Охрана природы Почвы. Паспорт почвы
7. ГОСТ 17.4.1 02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических
веществ для контроля загрязнения
8. ГОСТ 17.4.3 02-85. Охрана природы. Почвы. Общие требования к
методам определения загрязняющих веществ.
9. СанПиН № 42-128-4433-87 Санитарные нормы допустимых концентра
ций химических веществ в почвы. М.: МЗ СССР, 1988.
10. ГОСТ 17.5.3 04-83. Охрана природы. Земли Общие требования к ре
Культивации земель.
11. ГОСТ 17.5 1.01-83. Охрана природы. Рекультивация земель. Термины
1| определения.
96 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Гл а в а 5
ШУМ (ЗВУК) И ВИБРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
5.1. Основные понятия
Понятие «звук», как правило, ассоциируется со слуховыми
ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые
ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые
представляют механические колебания, распространяющиеся в
газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы
слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как
звук только в определенной области частот (16 Гц...20 кГц) и при
звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.
Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона
слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и
ультразвуковыми, не имеют отношения к слуховым ощущениям человека
и воспринимаются как физические воздействия среды. Своеобразие
их действия на организм человека в данном пособии не
рассматривается.
Звуковые колебания частиц упругой среды (рис. 5.1,а) имеют
сложный характер и могут быть представлены в виде функции
времени а = a(t). Простейший процесс описывается синусоидой [1J:
a(t) = amax sin Ш,
где атах — амплитуда колебаний; со = 2 л/ — угловая частота; / —
частота колебаний.
Гармонические колебания (рис. 5.1,6) с амплитудой атах и
частотой / называются тоном. Сложные колебания характеризуются
эффективным значением на временном периоде Т.
7
am=[(\/T)\a4t)dt\^\
о
Для синусоидального процесса справедливо соотношение
йэФф= °-mJ4~2 = 0,71 amax.
В зависимости от формы кривой, описывающей процесс,
отношение эффективного значения к максимальному составляет от 0 до 1.
Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся
во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на
воде. При этом следует различать скорость распространения меха-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 97
ait)
л..- СН—
•. JW in
Рис 5.1 Виды колебания частиц упругой среды
нических колебаний v (в нашем случае видимые поперечные
колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с
(продольные акустические колебания).
С физической точки зрения распространение колебаний
состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой.
Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из
них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует
определенной затраты времени, в результате чего движение молекул
в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к
движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом,
колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость
распространения звуковой волны — это физическое свойство среды.
В зависимости от способа возбуждения колебаний различают
несколько видов волн:
• плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью
(рис. 5.2,а);
• цилиндрическую, создаваемую радиально-колеблющейся
боковой поверхностью цилиндра;
• сферическую, создаваемую точечным источником колебаний
типа пульсирующего шара (рис. 5.2,6).
Основными параметрами, характеризующими звуковую волну,
являются, длина звуковой волны А., м; скорость распространения
волны с, м/с; частота колебаний /, Гц; звуковое давление р, Па;
интенсивность звука /, Вт/м2.
Длина волны А. равна длине пути, проходимого звуковой волной
за один период Т:
X = сТ,
где 7=1//.
\—г~^
\ атах
Т
t
4-4910
98 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис. 5 2 Виды звуковой волны
о - плоская, б — сферическая
В табл. 5.1 приведены скорости распространения звуковой
волны в различных средах.
Таблица 5.1
Газ
Водород
Гелий
Кислород
Азот
Углекислый газ
Воздух
Водяной пар 130°С
Скорость
звука с,
м/с
1310
1005
326
337
268
344
450
Жидкость
Ацетон
Этиловый
спирт
Метиловый
спирт
Бензин
Глицерин
Вода
дистиллированная
Скорость
звука с.
м/с
1190
1150
1120
1190
1959
1495
Твердый
материал
Алюминий
Сталь
Никель
Медь
Дерево
Пробка
Резина
Скорость
звука с,
м/с
5200
5100
4800
3700
2000-нЗООО
500
70
Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и
разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в
областях разрежения понижается. Разность между давлением рср, суще-
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
99
Тишина
Звук
Атмосферное
давление
Рис. 5.3 Звуковое давление
ствующим в среде в данный момент, и атмосферным давлением ратм,
называется звуковым давлением р (рис. 5.3):
Р = РсР - Ратм- (5-1)
Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим
сопротивлением га (табл. 5.2), которое определяется отношением
звукового давления р к колебательной скорости частиц среды и:
za = р/и = рс. (5.2)
Звуковая волна является носителем энергии в направлении
своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за
1 с через пространство с площадью сечения 1 м2, перпендикулярное
направлению движения, называется интенсивностью звука I,
Вт/м*:
/ - Р2/га. (5.3)
Таблица 5 2
Вещество
Водород
Воздух
Кислород
Резина
Пробка
Спирт
Вода
Ель
Дуб
Алюминий
Медь
Л °С
0
20
0
20
20
12,5
13
20
20
20
20
Акустическое
сопротивление га,
кг/(м2 • с)
114
414
455
600
12- 10"
100- 104
144- 104
240¦ 1Q4
290- 104
1400- 104
3100- 104
Плотность вещества р,
кг/м3
0,09
1,20
1,43
950
250
810
1000
510
720
2700
8900
V
100 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Для сферической волны от источника звука с мощностью W
интенсивность звука на поверхности сферы радиусом г
/ = №/(4лг2). (5.4)
Из (5 4) следует, что интенсивность сферической волны убывает
с увеличением расстояния от точечного источника звука. В случае
плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.
5.2. Распространение шума (звука)
Поверхность тела, совершающая колебания, является
излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое
поле.
Акустическим полем называют область упругой среды, которая
является средством передачи акустических волн [2]. Акустическое
поле характеризуется звуковым давлением р (5.1) и акустическим
сопротивлением га (5.2). Энергетическими характеристиками
акустического поля являются: интенсивность I (5.3); мощность W —
количество энергии, проходящей за единицу времени через
охватывающую источник звука поверхность. Важную роль при расчете
акустического поля играет направленность звукового
распространения, т.е. угловое пространственное распределение
образующегося вокруг него звукового давления. Единицы перечисленных
величин и аналитические выражения их взаимосвязи приведены в
табл. 5.3. В формулах таблицы: р = 1,21 кг/м3 — плотность
воздуха; с = 344 м/с — скорость звука в воздухе; S, м2 — площадь
охватывающей источник поверхности.
Таблица 5 3
Величина
Звуковое давление
Акустическое сопротивление
Колебательная скорость частицы среды
Интенсивность
Звуковая мощность
Обозначение
Р
га
и
1
W
Единица
Па
(Па с)/м
м/с
Вт/м2
Вт
Формула
взаимосвязи
р = реи
га = рс
и = р/(рс)
1 = ри
№= IS
Если акустическое поле не ограничено поверхностью и
практически бесконечно, то такое поле называют свободным
акустическим полем. В ограниченном пространстве (например, в закрытом
помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
101
Отраженная
волна
Поглощенная
волна
Рис 5 4. Иллюстрация взаимодействия звуковой волны с преградой
И акустических свойств поверхностей, расположенных на пути
распространения волн. Если звуковая волна встречает преграду,
имеющую иную, чем акустическая среда, волновое сопротивление, то
часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в
нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся
часть проникает сквозь преграду (рис. 5.4). Свойства преграды и
материала, покрывающего эту преграду, определяются следующими
показателями:
Коэффициент звукопоглощения:
*-* — 'поп' 'пад
где /погл —• поглощенная материалом или преградой звуковая
энергия, /пад — падающая на преграду звуковая энергия.
Коэффициент отражения:
Р ~ 'отр/ пад '
где /отр — отраженная от преграды звуковая энергия.
Коэффициент звукоизоляции.
i — пад' 'отр'
Коэффициент прохождения (используются также термины
«коэффициент проницаемости» и «коэффициент проникновения»):
т = / //
1 'пр ' 'пад
Из определения коэффициента прохождения следует, что чем
меньше значение х, тем больше ослабление звука преградой, т.е.
лучше ее звукоизолирующие свойства.
102 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Коэффициент рассеяния от поверхности преграды:
° ~ ^пад 'погл *пр'' ^пад'
Значения коэффициентов а, (3, 5, х зависят от частоты звуковой
волны. Используя приведенные выше формулы, можно записать
следующие соотношения:
а=1-р; 3 + 5 + х=1.
Звукоизоляция R оценивается в децибелах
R= 10 1g(l/x).
Процесс формирования звукового поля в помещении связан с
явлениями реверберации и диффузии. Если в помещении начинает
действовать источник звука, то в первый момент времени имеем
только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей
преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн.
Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы
по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не
наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения
необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или
равны длине звуковой волны.
Звуковое поле, в котором возникает большое количество
отраженных волн с различными направлениями, в результате чего
удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю,
называется диффузным полем (рис. 5.5). После прекращения источником
излучения звука акустическая интенсивность звукового поля
уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время.
Источник звука
Рис 5.5. Иллюстрация образования диффузности звукового поля
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде
103
Практически считается, что звук полностью затухает, когда его
интенсивность падает в 106 раз от уровня, существующего в момент
его выключения, что соответствует снижению акустического
давления на 60 дБ. Таким образом, любое звуковое поле как элемент
колеблющейся среды обладает собственной характеристикой
затухания звука — реверберацией («послезвучание»). Расчет времени
реверберации Тр проводят, используя эмпирические формулы Сэбина
7-р = 0,161 V/ A = 0,162/(aSorp),
где V, м3, — объем помещения, для которого проводится расчет;
А — полное акустическое поглощение помещения.
Формула Сэбина дает удовлетворительные результаты для
случаев, когда коэффициент поглощения звуковой энергии a < 0,03.
Поэтому для помещений, имеющих a > 0,3, необходимо применять
формулу Эврина:
Гр = 0,161 V/[S ln(l -a)].
Для анализа шумности помещений (приложение 5.1) по их
функциональной пригодности пользуются кривыми (рис. 5.6),
утвержденными международной комиссией. Если уровень интенсивности шума
в помещении находится в границах,
определяемых кривыми L/ = 20 и L; =
- 30, то такое помещение считается
очень малошумным или очень тихим.
К таким помещениям относятся
театральные и конференц-залы,
аудитории, учебные классы и т.п.
Помещения считаются малошумными или
тихими, если уровень шума в них
находится в пределах L/ = 30 и L] = 40.
К ним относятся рабочие кабинеты,
залы кинотеатров и т.п. В таких
помещениях нормальная человеческая
речь слышится на расстоянии 16 м.
Многие производственные
помещения относятся к разряду шумных (при
L/ = 50 и L/ = 55). Здесь нормальную
речь можно разобрать на расстоянии
1...2 м. Помещения, имеющие L/ = 60,
считаются очень шумными.
Разговорная речь в них слышна на расстоянии
менее 0,7 м.
Lp-ДБ
120
100
80
60
40
20
дБ
1
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
/ / /0,51 24 8 f, Гц
0,062 /0,25
0,125
Очень тихое помещение
Тихое помещение
Шумное помещение
ч\ч I
^ ~--~-^ ^т4~
4v"^-~^ "~^"t"~
^-s^«»."""fcb-
iv\^CrT-7-
щ
"~~^i>2
'>ь
Рис 5.6. Стандарт уровней
звукового давления
104 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Шумовые характеристики оборудования оговариваются в
технической документации, справочниках или могут быть получены
расчетным путем. В табл. 5.4 и 5.5 приведены значения уровней
звуковой мощности оборудования металлообрабатывающих и кузнеч-
но-прессовых цехов, компрессоров и газотурбинных установок. Для
оборудования, не отраженного в этих таблицах, уровни звуковой
мощности следует принимать по данным натурных измерений или
использовать приводимые в табл. 5.4 и 5.5 шумовые характеристики
для аналогичного оборудования.
Человек ощущает звук в широком диапазоне звуковых давлена
р (интенсивностей /). Стандартным порогом слышимости (или пи
рогом слышимости) называют эффективное значение звукового дав
ления (интенсивности), создаваемого гармоническим колебанием с
частотой / = 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней
чувствительностью слуха 17]. Порогу слышимости соответствует звуковое
давление р0 = 2 ¦ 10-5Па, или интенсивность звука /0 = 10_12Вт/м2.
Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых человеком,
ограничивается болевым ощущением; ему соответствуют рт = 20 Па и
1т = 1 Вт/м2.
Значение слухового ощущения Л и значение звукового давления
р при превышении стандартного порога слышимости определяются
законом психофизики Фехнера:
Л = q lg(p/po),
где q — некоторая постоянная, зависящая от условий проведения
эксперимента
Для оценки и сравнения звукового давления р, Па,
интенсивности /, Вт/м2, и звуковой мощности W, Вт, различных источников,
учитывающих психофизическое восприятие звука человеком,
приняты их уровни L (с соответствующим индексом), выраженные в
децибелах (дБ):
Lp = 10 lg (р/р0Г-, (5.5)
L, = 10 lg (///0), (5.5a)
Lv,= \0lg(W/Wo). (5.56)
Здесь W0 =10~12 Вт — опорная звуковая мощность на частоте
1000 Гц. Предположим, что источник излучает на определенной
частоте звуковую мощность 10~6 Вт. Тогда уровень звуковой мощности
Lft/ составит 60 дБ
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 105
Таблица 54
Оборудование
Ур
с
63
звень звуковой мощности L^, дБ, при
редней геометрической частоте, Гц
125
250
ТОКАРНЫЕ СТАНКИ
1А62
1К36
1551
Токарно-карусельный 1541Б
Токарно-винторезный 1К62
Автоматно-револьверный 1А112
Токарно-револьверный с
программным управлением
Универсальный горизонтально-
фрезерный 6Н12
Вертикально-фрезерный 6М12
Продольно-фрезерный ЭФС
Фрезерный с программным
управлением
84
96
94
92
91
90
93
8!
85
98
85
РАЗНЫЕ
Шлифовальный ЗА-277
Плоскошлифовальный ТЗД71
Координатно-расточный ПР87
Радиально-сверлильный с
программным управлением РСП1
Сверлильный автомат А28
88
80
80
90
80
СВАРОЧНОЕ 01
Аппарат ПХ 464 А
Многоэжекторная машина
МРМ02
Сварочная машина ПС1000
Газовая резка
95
96
94
94
КУЗНЕЧНО-ЛРЕССОВ
Молот 5т
Пресс К222 16т
Эривошипный 25т
эксентриковый пресс
Штамповочный автомат АТ60
Холодновысадочный автомат АТЭ2
Гильотинные ножницы
109
106
91
90
98
96
103
87
94
96
96
90
92
92
84
86
98
86
CTAh
91
79
85
97
86
ЮРУ/
97
97
94
95
ОЕ О
115
103
95
91
102
95
104
90
95
96
98
95
96
90
92
92
95
88
КИ
94
84
93
95
88
10ВА
97
95
94
97
БОРУ
114
102
96
98
102
99
104
500
92
98
98
100
95
97
90
93
97
99
91
98
87
98
90
94
НИЕ
100
98
97
92
ДОВ/
116
101
96
102
105
105
106
1000 2000 4000 8000
91
93
97
104
96
92
86
92
94
96
90
99
86
84
85
100
105
105
90
96
\НИЕ
117
102
95
105
101
104
106
87
90
93
95
97
87
82
91
83
94
86
97
80
80
88
90
101
106
91
87
116
102
95
104
99
108
105
82
90
91
93
98
83
78
77
92
86
78
91
74
78
82
89
109
108
91
102
108
98
98
106
92
100
100
80
86
80
82
91
74
76
75
96
84
70
86
71
77
87
89
ПО
109
90
103
107
89
100
92
92
96
99
106 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5 5
Тип компрессоров и ГТУ
Уровень звуковой мощности Ly,,
средней геометрической
63
125
250
500
1000
дБ, при
частоте, Гц
2000
4000
8000
ВСАСЫВАЮЩИЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ВП 10/8, 2ВП 10 /8
200 в 10/8.ВП 20/8 160, В 20/8
205ВП 30/8
ВП 50/8
5Г-1О0/8
2СА-25
2СГ-5С
120
119
121
122
124
111
ПО
117
118
127
124
112
106
108
104
109
117
115
101
96
102
102
102
108
ПО
98
95
97
97
94
100
99
99
87
86
90
87
94
98
96
80
85
86
83
90
94
91
76
78
84
83
89
92
85
76
75
ВСАСЫВАЮЩИЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОКОМПРЕССОРОВ
2РК 1,5/200
2Р-3/220
ЗР-7/220
5Г-14/220
ЗГ-100/220
5ОТ-130/220
2РВ 3/350
2РВ 3,4/400
К 250 61
О К 500-92
К 345 91
105
105
105
100
119
119
НО
116
84
102
102
103
103
103
95
ПО
ПО
111
119
79
100
100
97
97
97
84
107
107
96
109
83
95
95
86
86
86
81
100
100
91
92
82
96
96
80
80
80
75
92
92
86
87
94
104
104
ВЫХЛОПНЫЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕСС
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
ВП 10/8, 2ВП 10/8
200В-10/8, ВП-20/8, 160-20/8
205ВП-30/8
ВП-50/8
5Г-10О/8
2СА-25
2СГ50
112
104
106
106
107
103
124
112
111
108
108
105
97
117
92
104
117
117
104
96
114
95
102
118
118
114
93
107
109
ПО
115
115
123
96
116
75
75
75
72
85
85
82
86
99
111
111
ОРОВ
110
107
109
109
126
102
124
71
71
71
67
77
77
77
83
98
107
107
69
69
69
55
69
69
75
79
89
98
98
105
105
106
106
128
ПО
129
106
103
107
107
127
112
124
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 107
Продолжение табя 5 5
Тип компрессоров и ГТУ
Уровень
средн
63
125
звуковой мощности /.ц", дБ, при
зй геометрической частоте, Гц
250
500
1000
2000
4000
8000
ВЫХЛОПНЫЕ ВОЗДУХОВОДЫ ОТ КОМПРЕССОРОВ ВЫСОКОГО
ДАВЛЕНИЯ И ТУРБОКОМПРЕССОРОВ
2РК 15-200
2Р 3/220
ЗР 7/220
5Г-14/220
ЗГ-100/220
50TJ 30/200
2РВ-3/350
2РВ 3 4 -400
К 250 61
ОК 500-92
К 345-91
160В-20/8
ВП-50/8
5Г-100/8 2
2 РВ-3/360
РВ -3/360 3 Г-100/220
ОК-500-92 к
250-61
КТК-7
К-355
ГТ 50-800 (агрегаты покрыты
теплоизоляцией)
ГТ 25 700 (агрегаты покрыты
теплоизоляцией)
ГТ700-12М (без теплоизоля
ции)
ГТ 100-750 (без
звукоизолирующего кожуха)
ПО
108
103
108
111
106
108
108
119
122
127
86
93
99
84
93
108
89
96
93
118
112
113
117
106
112
115
112
113
НО
112
112
117
132
130
97
102
98
91
95
116
98
95
97
119
108
112
120
113
117
118
117
122
121
109
109
120
128
129
95
99
96
90
93
112
102
102
104
109
101
109
НО
122
122
121
123
132
127
109
109
124
126
132
93
98
97
90
93
112
101
103
103
108
103
ПО
111
131
128
125
128
143
134
115
115
124
128
140
90
96
98
91
96
115
101
101
102
113
105
112
112
130
128
126
128
141
135
118
118
130
133
141
90
92
90
86
85
121
104
101
101
120
113
117
118
132
127
120
127
138
136
121
121
133
128
140
80
86
85
80
77
120
99
102
102
120
ПО
120
118
132
126
117
126
136
136
124
124
130
122
138
80
86
76
80
74
105
92
99
97
116
107
115
117
108 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Безразмерные величины Lp, Lh Lw достаточно просто
измеряются приборами, поэтому их полезно использовать для определения
абсолютных значений р, /, W по обратным к (5.1) зависимостям:
Р2 = pi • 100Д Ч (5.6)
/ = /0 ¦ Юол Ч (5.6а)
W = W0- 10a'V (5.66)
Пусть источник звука окружен некоторой замкнутой
поверхностью S так, что направление распространения волн в любой точке
поверхности перпендикулярно к этой поверхности. Тогда полная
звуковая мощность, излучаемая источником:
W = f l(S) dS = f ?^± dS,
J J pc
s s r
где /(S), p(S) — законы распределения интенсивности звука и
звукового давления по поверхности S.
Если вся площадь поверхности разделена на п равных частей dS
с давлением на каждой площадке р,, а число п существенно велико,
то уравнение для W приобретает другой вид:
п п
W = ? р,2 = n(dS) (1/п) ^ Р?/?с = Sp%/pc, (5.7)
где р2 = (1/п) V р,2 — среднее среднее квадратическое значение
i = 1
звукового давления по всей площади поверхности.
Подставив значение W из (5.7) в (5.56), получим значение
уровня звуковой мощности, выраженное через параметры среды и
звуковое давление:
Lw= 10 [g(W/W0) = 10 IgS + 10 lg lp?p/(W0 pc)]. (5.8)
Используя (5 5) для определения p,2 = p02 10 Pl, выразим
значение pc2p через уровни звукового давления 0,1 Lp на i-й элементарной
площадке:
п
рс2 =р0Ч1Л)? \QLp: (5.9)
Глава 5 Шум (звуи) и вибрации в окружающей среде 109
Подставив (5.9) в (5.8), получим
L\v -
п
= 10 lgS + 10 lg [p02 (W0 pc)\ + 10 lg |(1/n) ? \0Lp'. (5.10)
j = l
Второй член уравнения (5.10) при р0 = 2 • 10_5Па, WQ= 10~12 Вт,
рс = 415 кг/(м2 • с) равен 0,2, и его значением можно пренебречь
по сравнению с реальными значениями других членов. Таким
образом, имеем
п
Lw= 10IgS+10 1g[(l//i)? \0Lp,] =
i= i
п
= 10 1gS+10 1g[(l/n)?(p/Po)2] =
i = l
= 10 lgS + 10 [lg (Pcp/Po)2l = 10 lgS + Lpcp, (5.11)
где Lpcp — средний уровень звукового давления или уровень
среднего квадратического значения звукового давления:
а
Lpcp= 10 1g[(l/n)?104
i = i
Уравнение (5.11) описывает приближенное соотношение между
уровнем звуковой мощности и средним уровнем звукового давления,
что позволяет определить уровень звуковой мощности, измеряя
уровень звукового давления на воображаемой поверхности,
окружающей источник Уравнение (5.11) справедливо при определении
звукового давления в свободном звуковом поле, в остальных случаях
его можно использовать, принимая соответствующие поправки.
Предположим, что имеются два чистых тона с частотами /j и /2
в звуковом поле, средние квадратические значения звукового
давления которых равны р] и р2 соответственно. Суммарное среднеквад-
ратическое значение звукового давления р в этом случае получим
суммированием двух синусоидальных волн:
Р1 = Р\ + р\
или
(р/Ро)2 = (Р\/РоУ2 + (Р2/РоУ2- (5.12)
110 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Подставив (5 12) в (5 5), получим
Lp = 10 lg (p/po)2 = Ю lg [(рУро)2 + (P2/W21
или с учетом (5 5)
Lp = 10 1g(1001ip, + 10ой-") (5 13)
Например, если два чистых тона имеют одно и то же среднее
квадратическое значение звукового давления (pi=p2), а значит, один
и тот же уровень звукового давления {Lp = Lp ), то создаваемый
ими суммарный уровень звукового давления в соответствии с (5 13)
Lp= 10 lg (2 l00iLp,) = 10 lg 10°iLp, +10 1g2 = L + 3,
т е будет на З дБ больше, чем уровень звукового давления одного
отдельно взятого тона В общем виде для п чистых тонов с разными
частотами будем иметь
Lp{n) = 10 lgOO01^, + 10° ilp, + + 10° 1Z-")
Отметим, что суммарный уровень звукового давления от
нескольких звуковых волн различных частот не зависит от
соотношения фаз звукового давления в этих волнах Однако сочетание двух
звуковых волн одной и той же частоты зависит от соотношения фаз
Такие колебания называются когерентными
Рассмотрим случай двух звуковых волн одной и той же частоты
в звуковом поле Средние квадратические значения звукового
давления в расчетной точке поля двух сигналов одной частоты с раз
ностью фаз 0 определяются из уравнения суммирования векторов
Р2 = (р2 + Р\ + 2plp2cosB),
где pj и р2 — средние квадратические значения звуковых давлений
двух звуковых волн, 0 — фазовый угол между двумя звуковыми
волнами в данной точке
Если /?[*= р2 и две звуковые волны в какой-либо точке находятся
в противофазе, т е 0 = 180°, тогда результирующее звуковое
давление в этой точке равно нулю Если две звуковые волны находятся
«в фазе» друг с другом, те 0 = 0, то р2 = 4р2, и тогда уровень
звуковою давления
Lp= 10 lg (4 р,/р0)2 = 10 lg {рх/РоУ + 10 lg (4) = LPi + 6,
т е увеличивается на 6 дБ
Восприятие звука человеческим ухом представляет собой
сложный процесс Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 111
] Уровни болевого ощущения
J Уровни слышимого давления
Уровни неслышимого давления
50 200 103 104
20 100 500
Рис 5 7 Кривые равной громкости
разными частотами Чувствительность уха увеличивается при
частотах от 16 до 1000 Гц Наибольшей чувствительностью
человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 4000 Гц, где она
практически постоянна После частоты 4000 Гц чувствительность
уха снова уменьшается Анализ кривых равной громкости (рис 5 7),
построенных на основе экспериментальных исследований Флетчера
и Мунсона, показывает, что для того, чтобы услышать низкий тон
с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз
превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой
1000 Гц
Человек воспринимает звуковое давление и оценивает уровень
громкости звука фоном Фон - это уровень громкости звука, для
которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука
частотой 1000 Гц равен 1 дБ
Для анализа акустических характеристик различных объектов
пользуются единицей измерения — децибелом (дБ) Увеличение
интенсивности звука в 10 раз соответствует одному белу (Б) 1Б =
= 10 дБ На рис 5 8 приведены акустические характеристики для
разных источников
Международная электротехническая комиссия (МЭК)
утвердила в качестве стандартной частотную характеристику А (рис 5 9),
приближающуюся к частотной характеристике чувствительности
человеческого уха Используя частотную характеристику Л, можно
получить поправочные значения для приведения в соответствие
уровней звукового давления уровням громкости звука по шкале А
Ч» М"
112 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Звуковое
давление,
Па
106 -
10s -
104
103
102 -
10 -
10"'
10г
10 э-
КГ-
ю-5-
р„=2-10^
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
100
90
80
70
60
40
30
20
Интенсивность
звука, Вт/м2
1010
10"
J О6
J О4
102
-1
ю-2
JO"4
J06
10'°
10 ,2
Выстрел из орудия
Нормальное атм. давление
(1013 мбар = 760 мм рт.ст.)
Порог болевой слышимости
(1000 Гц)
Гром
Очень громкая музыка
Сильное уличное движение
на расстоянии 5 м
Нормальная разговорная
речь на расстоянии 1 м
Уличный шум
Тихая музыка
Шепот на расстоянии 1,5 м
Порог слышимости (1000 Гц)
Рис 5 8 Абсолютные значения и уровни звукового давления,
а также интенсивности звука для различных источников
--
_.
-—,
—
*г
-?¦
Ге
-7
**-¦
D
/
;>-
—
-
А
И-
—
.
f--
f)
I
t^
ч
\
-
k-
V
V
20
0
-20
-40
-60
' Л I 1 U I S I
10° 10' 10' 10s 10' 10s '.Гц
Рис 5 9 Стандартные частотные характеристики А, В, С, D
В табл. 5.6 приведены численные значения поправок AL для
частотных характеристик А, В, С
Необходимость введения поправок обусловлена тем, что
человеческое ухо воспринимает уровень звукового давления на разных
частотах по-разному.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 113
Таблица 56
Частота, Гц
номинальная
10
12,5
1'б
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
точная
10
12,59
15,85
19,95
25,12
31,62
39,81
50,12
63,10
79,43
100
125,9
158,5
199,5
251,2
316,2
398,1
Значение AL
А
-70,4
-63,4
-56,7
-50,5
-44,7
-39,4
-34,6
-30,2
-26,2
-22,5
-19,1
-16,1
-13,4
-10,9
-8,6
-6 6
-4,8
В
-38,2
-33,2
-28,5
-24,2
-20,4
-17,1
-14,2
-11,6
-9,3
-7,4
-5.6
-4.2
-3,0
-2,0
-1.3
-0,8
-0,5
, дБ
С
-14,3
-11,2
-8,5
-6,2
-4,4
-3,0
-2,0
-1,3
0,8
0,5
0,3
0,2
0,1
0,0
0,0
0,0
0,0
Частота, Гц
номинальная
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
точная
501,2
631
794,3
1000
1259
1585
1995
2512
3162
3981
5012
6310
7943
10000
12590
15850
19950
Значение Д/
А
-3,2
-1,9
-0,8
0,0
0,6
1,0
1,2
1,3
1,2
1,0
1,2
-0,1
-1,1
-2,5
-4,3
-6,6
-9,3
В
-0,3
-0,1
0.0
0,0
0,0
0,0
-0,1
-0,2
-0,4
-0,7
-1,2
-1,9
-2,9
-4,3
-6,1
-8,4
-11,1
, дБ
С
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
-0,1
-0,2
-0,3
-0,5
-0,8
-1,3
-2,0
-3,0
-4,4
-6,2
-8,5
-11,2
Показания шумомера L А, полученные с использованием
характеристики А, называются акустическим уровнем звука с единицей
дБ(А) (или дБА):
LpA(m)= 10 1g(p4/Po)2 =
т
= Ю !g [(р.д/ро)2 + (Р2д/Ро)2 + - + (Ртд/Р0) 21 = Ю ig X Ю^,
<- 1
Кривые В и С на рис. 5.9 используются для анализа громких
звуков.
На примере анализа частотных полос шириной 1% рассмотрим
использование уровня звукового давления в узких полосах частот
для получения значений уровня звука. В табл. 5.7 приведены уровни
звукового давления всех доминирующих компонентов в полосах
частот шириной 1% для отдельного случая шумового загрязнения
окружающей среды. Уровень звука для этого случая с учетом поправок
(см. табл. 5.7)
LpA= 10 1g(10769 + 107'52+ 10?.72+ 10s0 +
+ 107'9+ Ю9'13) = 92,2 дБ.
114 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5 7
Частота,
Гц
100
400
800
1000
1600
2500
Уровень звукового
давления в полосе при
относительной ширине
полосы 1 %, Д1р, дБ
96
80
78
80
78
90
Поправка по
характеристике
A ALA, дБ
-19,1
-4,8
-0,8
0
1,0
1,3
Уровень звукового
давления с учетом
поправок по
характеристике ALpA, дБ
76,9
75,2
77,2
80,0
79,0
91,3
Приведенный пример показывает, что вклад максимального
компонента с частотой 100 Гц в уровень звука мал, поскольку на этой
частоте характеристика А дает затухание 19,1 дБ. Если измерения
шума проводятся в октавных и третьоктавных полосах частот,
уровни звукового давления пересчитываются в уровень звука
аналогичным методом.
Приборы для измерения шума строятся на основе полосовых
фильтров и показывают уровень звукового давления в полосе частот.
Частотная характеристика K(f) = иБЫХ/«БХ фильтра представляет
собой зависимость коэффициента передачи сигнала «вх со входа
фильтра на его выход «вых от частоты сигнала /. Относительная
частотная характеристика k(f) =
= K(f) /А"(/с) — это отношение
частотной характеристики к значению
этой же характеристики, взятому на
фиксированной частоте /с. В качестве
значения Ж/с) выбирается либо
максимальное значение характеристики
K(f), и тогда k{f) < 1, либо значение
K(f) в наиболее характерной плоской
области полосы пропускания. В
последнем случае k(f) = 1.
Относительные характеристики позволяют
сравнивать фильтры с различными
усилительными свойствами по их
частотным характеристикам.
Относительная частотная
характеристика типового октавного
полосового фильтра показана на рис. 5.10.
ад
о
-з
-10
-20 -
-30
-40
—
в
—
I
\
и
Рис 5 10 Частотная
характеристика октавного фильтра
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 115
Полосовой фильтр характеризуется полосой пропускания В, т.е.
областью частот между двумя частотами /j и /2, на которых частотная
характеристика k(f) имеет значение (затухание) 3 дБ:
s = /2-/i-
Запишем соотношение между частотами /[ и /2, которые
называются частотами среза фильтра, в виде
/2 = 2 т /„
где т — постоянная фильтра.
Для большинства фильтров, применяемых в шумоизмерительной
аппаратуре, т = 1 или т = 1/3. Если от = 1, фильтр называется
октавным, а когда т - 1/3 — третьоктавным. Центральная
частота /0 фильтра определяется из равенства /0 = (/] /2)'/2.
Центральная частота /0 и полоса частот В для каждого октавного и
третьеоктавного фильтров, принятых в международных стандартах,
представлены в табл. 5.8.
В дополнение к октавным и третьоктавным фильтрам некоторые
анализаторы шума, используемые для идентификации
доминирующих частотных компонентов шума, оборудованы узкополосными
фильтрами. Ширина полосы пропускания фильтров выражается
либо в процентах установленной средней частоты, либо как
абсолютное значение в герцах. Соответственно их называют фильтрами
с относительно постоянной полосой и фильтрами с постоянной
полосой. Октавные и третьоктавные фильтры являются фильтрами с
относительно постоянными полосами 71 и 23% соответственно.
При средних квадратических значениях звуковых давлений р{,
р2, •••. рп в узких полосах для всех значимых частотных компонентов
инутри третьоктавной полосы пропускания уровень звукового
давления Lp в этой полосе определяется выражением (5.13),
распространенным на п звуковых компонентов:
Lp= 101g[(Pl/p0)2 + (р2/р0)2+...+ (Рп/РоП (5.14)
В свою очередь третьоктавные полосы являются узкополосными
по сравнению с октавными. Поэтому уровни звукового давления в
фетьоктавных полосах, находящихся в пределах октавной полосы,
преобразуются в уровни звукового давления согласно (5.14).
Например, если уровни звукового давления в третьоктавных полосах час-
ют с центральными частотами 50, 63, 80 Гц составляют 27,9; 24,8
II 23,3 дБ соответственно, то в октавной полосе с центральной час-
ютой 63 Гц уровень звукового давления
Lp = 10 lg (102'79 + 102-48 + 102-33) = 30,5 дБ. (5.15)
116 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 5.8
Частоты октавного фильтра, Гц
Центральная
/о
16
31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
Нижняя
среза /i
11
22
44
88
177
355
107
1420
2840
5680
11360
Верхняя
среза /г
22
44
88
177
355
710
1420
2840
5680
11360
22720
Частоты третьоктавного фильтра, Гц
Центральная
/о
16
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000 ~1
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
Нижняя
среза /i
14,1
17,8
22,4
28,2
35,5
44,7
56,2
70,8
89,1
112
141
178
224
282
355
447
562
708
891
1122
1413
1778
2239
2818
3548
4467
5623
7079
8913
11220
14130
17780
Верхняя
среза \ч
17,8
22,4
28,2
35,5
44,7
56,2
70,8
89,1
112
141
178
224
282
355
447
562
708
891
1122
1413
1778
2239
2818
3548
4467
5623
7079
8913
1220
14130
14780
22390
Таким образом, полосовые фильтры позволяют
проанализировать уровень звукового давления.
Иногда в технических требованиях или технических условиях
допустимое значение уровня шума устройства указывается в виде
корректированного уровня, который является суммарным уровнем
звуковой мощности с коррекцией по А всех отдельных уровней на
рассматриваемых частотах. Корректированный уровень звуковой
мощности выражается в виде
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 117
Lir„=10 1g?10°'1L-',
где сумма берется по m важным компонентам шума; индекс А
означает коррекцию по А.
Используя данные табл. 5.9, продемонстрируем получение
скорректированного уровня звуковой мощности во всей полосе звуковых
частот, исходя из уровней мощности в октавных полосах частот: ¦
Lu^=101g(10°.43+ Ю0%+ 10!.52+ 102'38+ 102-3 +
+ КЗ306 + 10264 + 102-28) = 33,5 дБ.
Таблица 5.9
ральная
частота ок-
тавной
полосы, Гц
63
125
250
500
Уровень
звуковой
мощности
в октав-
ной
полосе Lv, дБ
30,5
25,7
23,8
27,9
Поправка по
теристике
Л, дБ
-26,2
-16,1
-8,6
-3,2
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе LrA,
дБ
4,3
9.6
15,2
23,8
Центральная
частота
октавнои
полосы,
Гц
1000
2000
4000
8000
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе 1ц</, дБ
23,0
29,4
25,4
23,9
Поправка по
теристике
Л, дБ
0
+ 1,2
+ 1,0
-1,1
Уровень
звуковой
мощности
в
октавнои
полосе LWa. дБ
23,0
30,5
26,4
22,8
5.3. Действие шума на человека и окружающую среду
Среди основных чувств человека слух и зрение играют
важнейшую роль — они позволяют человеку владеть звуковыми и
зрительными информационными полями.
Насыщение окружающего пространства шумами повышенной
интенсивности может привести к искажению звуковой информации
и нарушению слуховой активности человека.
В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы
доведения звуковых колебаний воздушной среды до чувствительных
окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно
меньшей степени исследованы процессы преобразования физических
колебаний в звуковые образы или ощущения в нервной системе. Из-
нестно, что в ней акустический сигнал преобразуется в
электрический, и в результате сложного взаимодействия в сфере нервной
деятельности создается звуковой образ, адекватный реальному.
Орган слуха, преобразующий колебания воздушной среды в
(Лектрические сигналы нервной системы человека, функционально
118 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 5 11 Строение органа слуха (а), основная мембрана (б)
состоит из трех частей: наружнего, среднего и внутреннего уха
(рис. 5.11). Ушная раковина / наружнего уха направляет
принимаемые акустические колебания в слуховой проходе, заканчивающийся
барабанной перепонкой 3. Ушная раковина благодаря своей форме
согласовывает процесс перехода звуковой волны из свободного
пространства в ухо. В слуховом проходе, как в звуковом резонаторе,
настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит примерно
трехкратное усиление звукового давления, воздействующего далее
на барабанную перепонку 3. Она образует границу с областью
среднего уха и здесь соединена с костно-мышечным рычажным
механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки
наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха —
мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7.
Рычажная система «молоточек-наковаленка» выполняет роль
трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая
звуковое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи
энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с
внешней средой через носоглотку 8, в область внутреннего уха 7,
заполненную несжимающейся жидкостью — лимфой.
Процесс получения звуковой информации из окружающей среды,
ее преобразования по цепи «энергия акустической волны —>
механическая энергия —> энергия нервных импульсов» завершается во
внутреннем ухе. Структура внутреннего уха представляет собой
сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к
которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде трех
колец 9. На рис. 5.11 для пояснения основных механизмов звукопе-
редачи все это показано схематически, и улитка дана в развернутом
виде. Мембрана круглого окна // выполняет вспомогательную
функцию согласования внутреннего уха со средним. Весь
рассматриваемый слуховой лабиринт ограничен костной перегородкой 10.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 119
По всей длине улитки внутреннего уха располагается основная
мембрана 12 — анализатор акустического сигнала. Она
представляет собой узкую ленту из гибких связок (рис. 5.11,6),
расширяющуюся к вершине улитки. Вдоль основной мембраны проходят слои
окончания нервных волокон, так называемого органа Корти,
объединенных далее в жгут, по которому электрические нервные импульсы
поступают в нервную систему и далее к слуховым областям мозга.
Каждое нервное волокно представляет собой «волосковые» клетки,
которые составляют массив из примерно 25 тыс. штук, имеющих до
100 «волосковых» окончаний (ресничных эпителиальных клеток).
Акустические колебания вызывают деполяризацию мембран этих
клеток, в результате чего возникают электрические импульсы,
которые распространяются по нервным волокнам. Особенность
биологических клеток состоит в том, что деполяризация их мембран
возможна лишь с определенного уровня воздействия, что в случае
акустического сигнала определяет порог слышимости.
Действие внутреннего уха принято трактовать так. При
колебаниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха
возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной
мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основной
мембраны аналогична системе резонаторов с резонансными частотами,
локализованными по длине. Участки мембраны, расположенные у ее
основания, реагируют на высокочастотные составляющие звуковых
колебаний, средние участки — на среднечастотные, а участки,
расположенные вблизи вершины, — на низкие частоты.
Высокочастотные компоненты в лимфе быстро затухают и на удаленные от начала
участки мембраны не воздействуют.
Расположенные послойно в основной мембране «волосковые»
клетки с сенсорными окончаниями в виде ресничных эпителиальных
клеток вырабатывают электрические информационные сигналы в
соответствии с коэффициентом передачи того участка, в котором они
расположены. Обработка информации и преобразование ее в звуко-
пые образы либо в простейшем случае — в воспринимаемые уровни
<вука происходит в слуховой ассоциативной зоне головного мозга.
.Чдесь приходящие по нервным волокнам электрические сигналы
i равниваются в блоках нейронной памяти с хранящимися
«эталонами» звуковой информации, приобретенными человеком в процессе
жолюции и его повседневной деятельности. Благодаря этому новые
поступающие сигналы «узнаются».
Таким образом, ассоциативный слуховой участок мозга
совместно с другими его частями участвует в процессах запоминания,
распознавания, научения и мышления. Эта область называется психо-
120 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
физическим восприятием. Психофизическое восприятие звука
начинает действовать, когда в сенсорных звуковых клетках аппарата
Корти возникнут электрические импульсы за счет деполяризации их
мембран. Для человеческого слуха на частоте 1000 Гц это
происходит при минимальном уровне звукового давления 2 ¦ Ю-5 Па, или
интенсивности звука (потока звуковой мощности) 10~12Вт/м2. Эти
значения были приняты в качестве стандартных порогов
слышимости и используются для определения относительных единиц
звуковых характеристик в виде уровней звука (шума).
Способность человеческого уха анализировать звуки в широком
диапазоне частот и интенсивностей можно проиллюстрировать тем,
что самый громкий из слышимых звуков в 1012 раз интенсивнее
самого слабого звука, регистрируемого человеческим ухом. Это один
из совершеннейших измерительных приборов по динамическому
диапазону измеряемых величин. Природа позаботилась о системах
самозащиты слуха от повреждения. Одной из таких систем является
сообщение пространства среднего уха с внешней средой через канал
носоглотки 8 (рис. 5.11,6), что позволяет компенсировать
интенсивные внешние воздействия акустических волн их подачей в
противоположном направлении к барабанной перепонке через канал
носоглотки. В ограничении больших интенсивностей участвуют мышцы
среднего уха, ограничивающие перемещения молоточка и накова-
ленки и тем самым снижающие интенсивность звука, поступающего
во внутреннее ухо.
При возникновении внешних звуковых раздражителей,
превышающих 135... 140 дБ, элементы внутреннего уха вместо
нормальных колебательных движений вперед-назад начинают перемещаться
из стороны в сторону, снижая перепад между давлением в улитке и
проникающим из окружающей среды звуковым давлением. Любая
система защиты имеет свои ограничения, поэтому избыточные
шумы, действующие даже кратковременно, вызывают повреждения
внутреннего уха, которые проявляются в лучшем случае временным
смещением порога слышимости. Восстановительный период может
длиться от нескольких минут до нескольких дней в зависимости от
степени повреждения.
Диагноз «потеря слуха, вызванная шумом» констатирует
постоянную потерю слуха при длительном воздействии избыточный
шумов. В таких случаях происходит отмирание ресничных
эпителиальных клеток.
Шум производственного происхождения меняется по
интенсивности и частоте в зависимости от типа и количества машин и ме^
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 121
ханизмов, задействованных в технологическом процессе. Оценку
шумового загрязнения среды и его действия на человека
целесообразно проводить, используя понятие экЁивалентного уровня энергии
шума ?,кв:
t
ш
?SKB = (1/*„,)! ?ш(')Л, (5.16)
о
где ttu — время действия шума; Elu{t) — изменение энергии шума
во времени.
Эквивалентная энергия должна быть меньше максимально до-/
пустимой энергии, при которой появляются отрицательные
последствия. Предполагается, что повреждение, вызванное воздействием
переменного шума ?ш(0, равно повреждению, вызванному
постоянным шумом такой же энергии ?Э|(В. Таким образом, если время
воздействия снижается в 2...3 раза, то максимально допустимый
уровень звуковой энергии можно увеличить во столько же раз.
Акустические колебания, выходящие за пределы диапазона
нормального звуковосприятия человека (20...20 000 Гц), могут
также приводить к повреждению слуха. Так, ультразвуки (свыше
20 000 Гц), достаточно широко распространенные в
промышленности, являются причиной повреждения слуха, хотя человеческое ухо
на них не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные
клетки головного мозга и спинной мозг, вызывает жжение в
наружном слуховом проходе и ощущение тошноты.
Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия
акустических колебаний (менее 20 Гц). При достаточной интенсивности
инфразвуки могут воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая
слуховую восприимчивость и повышая усталость и
раздражительность, и приводят к нарушению координации. Особую роль играют
инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их
совпадения с собственной частотой альфа-ритма головного мозга не только
наблюдаются перечисленные выше нарушения слуха, но и могут
возникать внутренние кровотечения. Инфразвуки (6...8 Гц) могут
принести к нарушению сердечной деятельности и кровообращения.
Совокупность шумов повышенной интенсивности в широком
диапазоне частот (от инфра до ультра включительно) могут вызывать
изменения электрической проводимости кожи, активности головного
мозга и сердца, скорости дыхания и двигательной активности. В
отдельных случаях шумы могут стать причиной изменения размеров
желез эндокринной системы, сужения кровеносных сосудов, по-
122 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вышения давления, расширения зрачков, снижения половой
активности, потери аппетита, бессонницы, расстройства психики и т.д.
Для профилактической работы, направленной на обеспечение
безопасных условий труда по шумовому фактору, проводится аудио-
метрический контроль состояния органов слуха. Анализ результатов
контроля направлен на выявление ухудшения слуховой функции как
среднеарифметического значения снижения порогов слуховой
чувствительности в речевом диапазоне частот (500... 2000 Гц) и на
частоте 4000 Гц.
Для оценки потери слуха, вызванной воздействием шума,
Международная организация по стандартизации (ISO 1999) утвердила
стандарт «Оценка профессионального шумового воздействия в целях
охраны слуха». В этом документе приводится ожидаемое относительное
число рабочих с поражением слуха, препятствующим нормальному
разговору, в виде функции от значения экспозиции шума, для оценки
которой использованы уровень звука и длительность воздействия
(рис. 5.12). Потеря слуха означает возрастание порога слухового
восприятия в среднем на 25 дБ и более на трех главных частотах речевого
диапазона: 500, 1000 и 2000 Гц, вызванное действием шума.
Около 22% рабочих, возможно, потеряют слух, если они будут
в течение 40 лет подвержены воздействию шума с уровнем 90 дБ
(при продолжительности рабочей недели 40 ч). Кривые на рис. 5.12
непригодны для оценки воздействия импульсных шумов или шумов
высокого уровня и короткой длительности.
Если в течение дня экспозиция шума разбита на два и более
периода, характеризуемых
различными уровнями звука, то полное
воздействие может быть получено
суммированием отношений ?] 2 „
(длительность экспозиции с определенным
уровнем звука) к Т{ 2 „ (допустимая
длительность воздействия при данном
уровне звука). Для обеспечения
комфортных условий должно
выполняться условие
tl/Tl + t2/T2+...+ tn/Tn<l.
Человек, подвергающийся
действию интенсивного шума, затрачивает
в среднем на 10...20% физических и
нервно-психических усилий больше,
чем работающий в комфортных шуму
Число рабочих,
100
80
60
40
20
ДВА
115
105
95
90
85
10 20 30
Длительность
воздействия, годы
40
Рис. 5.12. Оценка воздействия
экспозиции шума на человека
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 123
условиях. У работающих в шумных производствах отмечается
увеличение на 10...15% заболеваний общего характера.
Эффект получения звуковой информации двумя ушами
одновременно называется бинауральным и способствует стереоакустичес-
кому восприятию звуков. Это позволяет человеку выявлять
направление звуковых волн с разрешающей способностью в
горизонтальной плоскости 3...4", а в вертикальной — около 20°. Бинауральность
обусловлена пространственным расположением ушей и
экранирующим влиянием головы. Разница возбуждения характеризуется
показателями:
• временным (несовпадение моментов воздействия на левое и
правое ухо одинаковых по фазе звуковых волн);
• амплитудным (разными значениями звуковых давлений на уши
из-за наличия акустической тени).
Бинауральный эффект способствует локализации источников
звука благодаря двум факторам: временной разности и интенсив-
ностной разности приходящих в уши сигналов. На низших частотах
слухового диапазона (ниже 500 Гц) направление на источник
определяется в основном по временному запаздыванию бинаурального
эффекта. В то же время источники сигналов с частотой ниже 150 Гц
практически не локализуются слухом. Направление на источники
звука с частотой выше 500 Гц определяется как временным, так и
интенсивностными бинауральными эффектами. Эффект
локализации источника звука проявляется в условиях открытого
пространства. При наличии отраженных волн пространственная картина
восприятия искажается.
Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью.
Ощущение возникновения звука, а также его прекращения
возникает не сразу. Время, в течение которого ощущение уровня
громкости уменьшается на 8...10 фон, называется постоянной времени
слуха, и ее значение в среднем составляет 150...200 мс. Время
адаптации слуха при оценке высоты тона зависит от частоты. На низких
частотах оно составляет 30 мс, на высоких — несколько больше.
При возбуждении слуха короткими звуковыми импульсами (менее
50 мс) и через такие же промежутки времени происходит их
интегрирование при восприятии и временная маскировка,
проявляющаяся в подавлении последующего импульса предыдущим. Происходит
также накопление в памяти коррелированных по структуре
звучаний [7]. В процессе восприятия человеком двух различных звуковых
сигналов одновременно, один сигнал слышится хорошо, а второй как
бы «тонет» в нем. Такой эффект называют маскирующим.
124 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Эффект маскировки объясняется сдвигом порога слышимости
под действием более сильного звука и зависит от разности частот
этих звуков. Низкочастотные шумы обладают большей
маскирующей способностью, чем высокочастотные. Так, пароходный гудок
низкого тона заглушает более высокие тона. Высокочастотные шумы
средней интенсивности слабо маскируют человеческую речь, но
создают дискомфорт у слушателей. Важнейшим свойством слуха
является способность объединять определенные области частот в так
называемые частотные группы. Смысл этого понятия состоит в том,
что степень маскировки полезного узкополосного сигнала шумом
растет с расширением спектра шума вокруг этого сигнала до
определенной полосы этого шума, после чего не происходит
усиливающего действия эффекта маскировки шумом. В полосе 20 Гц ... 16 кГц
имеется 24 частотных группы. Количественной мерой маскировки
является число децибелов, на которое возрастает порог слышимости
маскируемого сигнала в присутствии другого сигнала по сравнению
с порогом слышимости в тишине.
5.4. Методы оценки и измерения шумового загрязнения
Использование логарифмических величин при анализе
акустических полей не позволяет складывать и вычитать уровни звуковой
мощности и звукового давления как обычные числа. Поэтому для
оценки суммарного воздействия двух и более источников звука на
окружающую среду пользуются специальной методикой.
Рассмотрим случай, когда необходимо сложить уровни двух
источников звука по 100 дБ каждый (источник А и источник Б). Если
за уровень отсчета принять W0 = 10~12 Вт, то, согласно табл. 5.10,
звуковая мощность каждого источника будет равна 0,01 Вт.
Следовательно, суммарная звуковая мощность
Wh= 0,01 + 0,01 - 0,02 Вт,
а уровень звуковой мощности
Ц,- = 10 lg (2 + IglO10) = 10 (0,3 + 10) = 103 дБ.
Таблица 5 10
W, Вт
LK, дБ
W. Вт
1ц, дБ
Г, Вт
L\r, дБ
108
200
10<
130
ю-6
60
107
190
10°
120
Ю-?
50
106
180
ю-'
ПО
Ю-8
40
\0*>
170
10--'
100
Ю-9
30
101
160
ю--*
90
Ю-'»
20
10'5
150
ю-4
80
ю-"
10
102
140
10~5
70
ю-'-'
0
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 125
Таким образом, уровень 103дБ соответствует звуковой
мощности 0,02 Вт.
Таблица 5.11
Сложение
Различие уровней
0 .1
2. .3
4 9
10
Поправочное
значение, дБ
3
2
1
0
Вычитание
Различие уровней
>10
6.9
4 .9
2
Поправочное
значение, дБ
0
1
2
5
На практике при сложении или вычитании децибелов
целесообразно пользоваться поправочными значениями (табл. 5.11).
Например, имеется два источника, уровни звуковой мощности
которых соответственно равны: LWI = 62 дБ и Lr2 = 67дБ. В этом
случае:
• при сложении LWs = L№2 +ALW = 67 + 1 = 68 дБ,
• при вычитании LWs = Lm - ALr = 67 - 2 = 65 дБ.
При определении общего уровня звуковой мощности,
создаваемого п одинаковыми источниками, удобно пользоваться уравнением
Lvi = Lm + 10lg«.
где LWI _ уровень одного из равных источников звука.
Например, если в помещении установлено четыре
электродвигателя, шум каждого из которых составляет 60 дБ, то суммарный уро-
нень шума в помещении
Lws = Lw\ + 10 lg n = 60 + 10 lg4 = 66 дБ.
Аналогично производится расчет акустического дискомфорта от
чюбого количества источников шума.
Шумовое действие на окружающую среду характеризуется
диапазоном частот и амплитуд акустических колебаний. Особый
интерес представляют колебания в области звуковых частот
(20...20 000 Гц) с уровнями звукового давления менее 100 дБ.
Все методы измерения шумов делятся на стандартные и нестан-
партные [5,6, 8, 9]. Стандартные измерения регламентируются
соответствующими стандартами и обеспечиваются
стандартизованными средствами измерения. Величины, подлежащие измерению,
1акже стандартизованы. Нестандартные методы применяются при
научных исследованиях и при решении специальных задач.
126 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Измерительные стенды, установки, приборы и звукоизмеритель-
ные камеры подлежат метрологической аттестации в
соответствующих службах с выдачей аттестационных документов, в которых
указываются основные метрологические параметры, предельные
значения измеряемых величин и погрешности измерений.
Стандартными характеристиками источника шума являются:
• уровень звукового давления Lp дБ, в октавной или третьоктав-
ной полосе частот в контрольных точках;
• уровень звука LA, дБА, измеряемый шумомером с частотной
характеристикой типа А в контрольных точках;
• уровень звуковой мощности Lw, дБ, в октавных или третьок-
тавных полосах частот;
• корректированный уровень звуковой мощности LVA, дБА;
• максимальный показатель направленности излучения шума
Gmax, дБ, в октавных или третьоктавных полосах частот;
• максимальный показатель направленности излучения шума
°тах.ДБА-
Для непостоянных шумов используются эквивалентные уровни
?рэквили ?Аэкв. Единицей импульсного шума является дБ/, где / —
характеристика шумоизмерительного прибора — шумомера в
режиме «импульс».
Шумомеры состоят из датчика (микрофона), усилителя,
частотных фильтров (анализатора частоты), регистрирующего прибора
(самописец, магнитофон). Шумомеры снабжены блоком частотной
коррекции (переключателями на А, В, С, D) и временных
характеристик: F (fast - быстро), S (slow - медленно), / (pik - импульс).
Шкалы F, S, I применяют при измерениях постоянного (F),
колеблющегося, прерывистого (S) и импульсного (/) шумов. Частотную
характеристику D целесообразно использовать при измерении
шумов самолетов.
Шумомеры делятся на четыре класса: 0, 1, 2 и 3. Шумомеры
класса 0 используются как образцовые средства измерения; класса
1 — для лабораторных и натурных измерений, класса 2 — для
технических измерений; класса 3 — для ориентировочных измерений.
Каждому классу приборов соответствует диапазон измерений по
частотам. Так, шумомеры классов 0 и 1 рассчитаны на диапазон
частот от 20 Гц до 12,5 кГц, класса 2 — от 20 Гц до 8 кГц, класса 3 —
от 31,5 Гц до 8 кГц. В случае необходимости измерения
эквивалентного уровня шума при усреднении за продолжительный период
времени следует использовать интегрирующие шумомеры.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 127
-?J
Л2
Ж
Ы-{^>
с
F.S
Рис. 5 13 Структурная схема шумомера /— микрофон, 2 — предусилитель, 3 —
аттенюатор, 4 — усилитель, 5 — цепи фильтров частотных характеристик, 6 —
внешние фильтры, 7 — детектор и возведение в квадрат, 8 — блок усреднения'
режим F (постоянная времени 125 мс), режим S — постоянная времени 1с; 9 —
индикатор параметров, выраженных в децибелах
Как правило, в шумомерах предусмотрена возможность
подключения фильтров для октавного или третьоктавного анализа.
Характеристики, которым должны соответствовать шумомеры,
оговариваются ГОСТ 17187-81, Международным' стандартом IEC R/179
(1973) и стандартом 651 Международной электротехнической
комиссии. Наибольшее распространение в России получили
шумомеры ИШВ-1, Ш-71, ШП-1, шумомеры датской фирмы «Брюль и Къер»
2226, 2230, 2232, 2603, 2604 и др.
На рис. 5.13 представлена структурная схема аналогового
шумомера. Шумомер состоит из датчика-микрофона, предусилителя,
нходных аттенюатора (переключателя пределов) и усилителя, цепей
фильтров частотных характеристик, выходных аттенюатора
(переключателя пределов) и усилителя и детектора-индикатора.
Упрощенная схема цепей фильтров А, В, С приведена на рис. 5.14. Эти
цепи должны обеспечивать относительные частотные характерис-
1ИКИ.
r^H=>rlZZh4|4ZZl
т
Вход
Выход
Рис. 5.14 Схема цепи частотной коррекции характеристик А, В, С
128 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Детектор-индикатор шумомера имеет две различные
характеристики F (быстро) и S (медленно), В соответствии с рекомендациями
МЭК характеристики детектора-индикатора должны быть такими,
чтобы при внезапном выключении сигнала показания уменьшались на
10 дБ за 0,5 с при характеристике F и за 3,0 с при характеристике S.
Характеристика S сглаживает показания шумомера и делает его
пригодным для измерений стационарного шума машин и
производственного шума. Характеристика F успевает отслеживать
изменения шума небольшой продолжительности. Этот режим применяется
для измерения нестационарного шума машин. Импульсные шумоме-
ры имеют детектор-индикаторы с характеристикой I (импульс) для
измерения импульсного шума, производимого, например, штампом.
Импульсный шумомер характеризуется малой постоянной времени
нарастания и очень большой постоянной времени спада. Постоянная
времени нарастания для схемы усреднения импульсного шумомера
составляет 35 мс в режиме работы «импульс», 125 мс в режиме
«быстро» и 1 с в режиме «медленно». Все выпускаемые импульсные шу-
момеры имеют также детекторы-индикаторы с характеристиками F
и S. Приближенное выражение для определения значений этих
характеристик при трех режимах работы имеет вид.
L}- LF- 5,5 дБ, LF - Ls = 9 дБ; L/ - Ls = 14,5 дБ,
где Lj, LF, Ls— уровни шума, измеренные в режимах «импульс»,
«быстро» и «медленно» соответственно.
В последние годы широкое распространение получили цифровые
шумомеры. Простейший цифровой шумомер состоит из обычного
аналогового шумомера и цифрового индикатора Более сложные
цифровые шумомеры могут вычислять эквивалентный уровень звука
за выбранный период времен'и. Такие приборы называются
интегрирующими шумомерами. Цифровой сигнал с аналогово-цифрового
преобразователя подается на счетное устройство, управляемое
переключателем времени измерения. Время измерения выбирается в
диапазоне от нескольких минут до нескольких часов и более. В
течение выбранного времени счетное устройство срабатывает 1024
раза, и каждый раз текущее значение уровня заносится в память.
В конце выбранного интервала времени 1024 отсчета поступают в
процессор, в котором происходит вычисление эквивалентного
непрерывного уровня звука в соответствии с уравнением
?Аед= 10 \g[l/(t, -/,)•/ 100 iLA(odt],
где LA(t) — мгновенное значение уровня звука.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 129
Полученное значение LAea
поступает в запоминающее
устройство и отображается на цифровом
табло или поступает на внешнее
печатающее устройство.
Микрофон является основным
элементом преобразования звуковой
энергии в электрическую с целью
дальнейшего анализа. В настоя- _ .,,. _
Рис 5 15 Схема конденсаторного
щее время выпускаются и нашли микрофона
широкое распространение
конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические микрофоны.
Конденсаторные микрофоны служат для точных измерений шума.
Пьезоэлектрические микрофоны, более дешевые и менее стабильные,
применяют для обычных измерений. Электретный микрофон широко
используется в непрофессиональных устройствах, например в кассетных
магнитофонах, переговорных системах. Но в последние годы и этот
вид микрофонов стал применяться в системах измерителей шума.
Схема конденсаторного микрофона приведена на рис. 5 15 и
состоит из тонкой металлической диафрагмы / и жесткой задней
пластины 2. Диафрагма и задняя пластина электрически изолированы
друг от друга и связаны с источником стабилизированного
поляризующего напряжения через резистор с достаточно большим
сопротивлением, образуя заряженный конденсатор с параллельными
пластинами. Когда на микрофон действует волна звукового давления
3, диафрагма движется относительно неподвижного электрода —
жесткой пластины. Это движение вызывает переменное изменение
электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, что
производит электрический сигнал на выходе микрофона
Чувствительность конденсаторного микрофона зависит главным образом от
напряжения поляризации, атмосферного давления, площади
поверхности диафрагмы и натяжения диафрагмы. Значения динамического
диапазона составляют для конденсаторных микрофонов- 20...40 дБ
для однодюймового (диаметр микрофона 25,4 мм), 25. .160 дБ для
полудюймового, 42... 170 дБ для четвертьдюймового и 50. .178 дБ для
микрофонов диаметром в одну восьмую дюйма.
С 1980-х гг. освоен выпуск электретных микрофонов, пригодных
как для точных, так и для технических измерений уровня шума
Электрод представляет собой электрически поляризованный
элемент, который сохраняет свой заряд и поляризацию в течение
продолжительного времени. На рис. 5.16,а показана типовая конструк-
5-4910
130 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ция серийно выпускаемого электретного микрофона Диафрагмой
микрофона является металлизированная пластмассовая пленка,
которая прошла специальную обработку и заряжена так, что имеется
электрический потенциал между внутренней поверхностью
пластмассовой пленки / и металлизированной внешней поверхностью 2
На рис 5 16,6 показаны зафиксированный заряд на внутренней
поверхности пленки и наведенный заряд на внешней
металлизированной поверхности и на задней пластине Фиксированный заряд и
заряд на задней пластине формируют электрическое поле между
пленкой и задней пластиной, подобное тому электрическому полю,
которое образуется при подаче внешнего поляризующего
напряжения на конденсаторный микрофон Поэтому электретные микрофоны
называют еще предварительно поляризованными конденсаторными
микрофонами Акустические характеристики электретных
микрофонов приблизительно те же, что и у конденсаторных микрофонов
Однако по сравнению с конденсаторным электретный микрофон имеет
следующие преимущества не нуждается во внешнем источнике
поляризующего напряжения, более прочен механически и практичнее
в условиях повышенной влажности
В отдельных случаях при проведении обычных измерений шума
находят применение пьезоэлектрические микрофоны На рис 5 17
показано устройств пьезоэлектрического микрофона Когда
звуковое давление отклоняет диафрагму, ее движение вызывает
деформацию пластины, при которой за счет пьезоэффекта вырабатывается
электрический сигнал на выходных контактах Наиболее часто в
качестве пьезоэлектрического материала в микрофонах используют
цирконат-титанат свинца, титанат бария и сегнетову соль Пьезоэ-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 131
лектрические материалы чувствительны к изменению температуры
и влажности, поэтому имеют довольно ограниченные области
применения Однако пьезоэлектрические микрофоны, использующие
цирконат-титанат свинца, можно применять в диапазоне температур
от -10 до +50 °С при относительной влажности до 90% Диапазон
рабочих частот таких микрофонов обычно 32-8000 Гц
Спектральный (частотный) состав шума оценивается с помощью
частотного анализатора В качестве анализатора спектра шума
может быть использован шумомер путем добавления к нему набора
фильтров, состоящих из октавных, третьоктавных, узкополосных
фильтров с постоянной относительной шириной полосы
пропускания или узкополосных с постоянной шириной полосы пропускания
Частотный анализатор, снабженный только октавными фильтрами,
называется октавным анализатором
Таблица 5 12
Тип шумо
мера
Ш63
шзм
СИ1
ААШ1
ИШВ1
2203
2107,2112,
2603 2604
PS 101
PS 201
140ОЕ
ВМ292А
Тип и система
микрофона
МД38Ш
электродинами
ческий
МД59
электродинами
ческий
М101
конденсаторный
МД59
электродинами
ческий
М101
конденсаторный
4131
конденсаторный
4131-4136
конденсаторные
ММ50
конденсаторный
ММ50
конденсаторный
Кристаллический
Конденсаторный
Диапазон
частот, Гц
40 104
40 104
2 45 103
50 104
3 20 10*
20 18 10!
20 20 103
20 20 102
20 20 102
32 8 103
32 8 103
Диапазон
уро
шум
35
25
50
25
30
22
До
30
30
24
44
вней
а, дБ
140
130
130
180
130
134
180
135
135
140
130
Примечание
Бпок фильтров, индикато
ров предела уровней низ
кочастотные приставки
Комбинированный прибор
для измерения уровней и
спектрального состава шума
Снабжен октавным фильт
ром 1613
Снабжен октавным фильт
ром
OF 101
V
132 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
На практике получили распространение анализаторы, в которых
выходные сигналы с анализирующих фильтров передаются по
очереди (последовательно) по мере их подключения. Такие анализаторы,
хотя и позволяют автоматизировать процесс анализа, тем не менее
требуют времени для проведения анализа, что затрудняет частотный
анализ в случае быстроменяющегося акустического процесса.
Анализаторы в реальном масштабе времени (параллельные
анализаторы) обладают возможностью параллельного ввода в
считывающее устройство сигналов от различных фильтров, работающих
одновременно. Мгновенное представление полного спектра шума на
экране прибора позволяет визуально наблюдать весь спектральный
состав шума и обнаруживать даже незначительные его изменения
во времени.
Существует множество приборов, используемых для анализа
шума. В табл. 5.12 приведены некоторые из них, достаточно
распространенные в отечественной практике.
5.5. Источники шума и их шумовые характеристики
По природе возникновения шумы машин делятся на
механические, аэродинамические, гидродинамические, электромагнитные.
На ряде производств преобладает механический шум,
основными источниками которого являются зубчатые передачи, механизмы
ударного типа, цепные передачи, подшипники качения. Он
вызывается силовыми воздействиями неуравновешенных вращающихся
масс, ударами в сочленениях деталей, стуками в зазорах, движением
материалов в трубопроводах и т.п. Спектр механического шума
имеет широкую область частот. Определяющими факторами
механического шума являются форма, размеры и тип конструкции,
число оборотов, механические свойства материала, состояние
поверхностей взаимодействующих тел и их смазывание. Машины
ударного действия, к которым относится, например, кузнечно-прес-
совое оборудование, являются источниками импульсного шума,
причем его уровень на рабочих местах, как правило, превышает
допустимый. На машиностроительных предприятиях наибольший уровень
шума создается при работе металло- и деревообрабатывающих
станков.
Аэродинамические и гидродинамические шумы разделяют:
• на шумы, обусловленные периодическим выбросом газа в
атмосферу, работой винтовых насосов и компрессоров,
пневматических двигателей, двигателей внутреннего сгорания;
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 133
• шумы, возникающие из-за образования вихрей потока у
твердых границ (наиболее характерны для вентиляторов, турбо-ваздухо-
дувок, насосов, турбокомпрессоров, воздуховодов);
• кавитационный шум, возникающий в жидкостях из-за потери
жидкостью прочности на разрыв при уменьшении давления ниже
определенного предела и возникновения полостей и пузырьков,
заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами.
Шумы электромагнитного происхождения возникают в
электрических машинах и оборудовании. Их причиной является
взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени
и пространстве магнитных полей. Электрические машины создают
шумы с различными уровнями звука — от 20...30 дБА
(микромашины) до 100...110 дБА (крупные быстроходные машины).
При работе оборудования одновременно могут возникать шумы
различной природы. Источники шума характеризуются прежде
всего звуковой мощностью. Неравномерность излучения
характеризуется коэффициентом Ф(ф) — фактором направленности,
показывающим отношение интенсивности звука /(ф), создаваемого
источником в направлении с угловой координатой ф, к
интенсивности, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник
/ср, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук во все
стороны равномерно:
Ф(ф)=/(ф)//ср = р2(ф)/р2р, (5.17)
где рс?—звуковое давление (усредненное по всем направлениям
на постоянном расстоянии от источника); р(ф) — звуковое
давление в угловом направлении ф, измеряемое на одинаковом
расстоянии от источника
Характеристики направленности можно описать следующим
уравнением:
g(q>)= 10 18Ф(Ф) = 10 1g[/(<p)//cp] =
= 20 1glp(tp)/p?p] = L-Lcp,
где L — уровень звукового давления, усредненный по всем
направлениям на одном и том же расстоянии от источника.
Для сравнения шумов различных машин и расчета уровней
звукового давления в проектируемых помещениях необходимо знать
объективные характеристики шума. Любая машина, будучи
установленной в открытом пространстве, создает в разных точках
различные уровни звукового давления, хотя ее звуковая мощность остается
неизменной. В соответствии со стандартами шумовыми характерис-
134 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
тиками, которые указываются в прилагаемой к машине технической
документации, являются уровни звуковой мощности Lwb октавных
полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250,
500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц
В электрических системах и на газоперекачивающих станциях
широко используются газотурбинные установки (ТТУ) [10],
которые являются мощными источниками шума, излучаемого через воз-
духозаборный и выхлопной тракты и корпус агрегата
Через воздухозаборныи тракт в атмосферу излучается шум,
который имеет аэродинамическую природу Шум, возникающий в
системе всасывания ГТУ, обусловлен переменными аэродинамическими
силами вследствие турбулентности потока воздуха от ротора и
статора компрессора, а также явлениями неустойчивости этого потока
В спектре шума всасывания ГТУ имеются тональные составляющие
Частота вихревого шума газотурбинных установок (50 160 Гц) про
порциональна частоте вращения Наиболее интенсивные тональные
составляющие приходятся на частоты
f = nZv (5 18)
где п — частота вращения, об/с, Zл — число лопаток
Уровень звуковой мощности всасывания осевого компрессора
LrK=101g(rK/W0), (5 19)
где W0 = 10~12 Вт — пороговое значение звуковой мощности,
WK = 0,5
1-Л
АД
Н
2
АД
рСЗ ?>2
(5 20)
ч 'Чад
где г}АД — адиабатный КПД первой ступени компрессора, т( —
массовый расход воздуха через компрессор, кг/с, ЯАД — адиабат
ный напор первой ступени компрессора, Дж/кг, D — наружный
диаметр рабочего колеса первой ступени компрессора, м, р —
плотность воздуха на входе в компрессор, кг/м3, с — скорость звука
на входе в компрессор, м/с
Уровень шума, излучаемого через воздухозабор компрессором
ГТУ 100 МВт без глушителя, на расстоянии 120 м составляет
110 дБА Поэтому на воздухозаборе ГТУ всегда устанавливают
глушитель Шум выхлопного тракта ГТУ зависит от ряда факторов
(рис 5 18)
Шум от дымовой трубы ГТУ меньше, чем шум от системы воз-
духозабора Например, уровень шума от дымовой трубы ГТУ
100 МВт без системы шумоглушения составляет 84 дБА на рассто-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 135
Шум выхлопного тракта зависти от
процесса горения
скорости газов
в проточной
части
турбулентности
газового
потока
Рис 5 18 Причины и источники шума выхлопного тракта ГТУ
янии 120 м от нее Максимальные уровни шума приходятся на
высокие (4000 8000 Гц) и низкие (31 125 Гц) частоты Шум,
излучаемый на низких частотах, наиболее трудно устраним Инфразву-
ковые колебания вызывают вибрации в близко расположенных
зданиях и сооружениях
На рис 5 19 показано изменение уровней звукового давления по
высоте дымовой металлической трубы выхлопного тракта турбины
ГТ-100 750 для трех среднегеометрических частот 63, 125, 250 Гц
Видно, что основное излучение шума происходит из устья дымовой
трубы Например, для средней геометрической частоты 63 Гц
уровень звукового давления на отметке 80 м (на срезе устья трубы)
равен 104 дБ, на отметке 72 м на расстоянии 1 м от стенки трубы —
85 дБ, на отметке 3 м — 95 дБ
80 0 г
70 0
30?
W
X
х_
h
80,0
70Q-
3,0-
1,ы
W
1 1 1 ,
70
80
90
100
/..ДБ
Рис 5 19 Уровни звукового давления по высоте дымовой трубы для средних гео
метрических частот / - 63, 2 - 125 3 - 250 Гц х - точки измерения
136 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Во многих ГТУ выхлопные газы направляются для утилизации
теплоты в котел или специальный теплообменник, которые
одновременно являются средствами снижения шума. Однако при
неблагоприятных сочетаниях конструктивных параметров в
теплообменниках утилизаторов могут возникнуть резонансные явления,
приводящие к преждевременному разрушению теплообменников.
Широкое использование тягодутьевых машин (ТМ) в качестве
принципиальной тяги паровых котлов, вентиляторов, дымососов
также создает шумовой дискомфорт для жителей селитебных
территорий. При этом различают три пути распространения шума,
влияющего на окружающую среду: от корпуса воздухозабора дутьевого
вентилятора, от устья дымовой трубы, от дымососов. Последние два
пути распространения шума, особенно от устья трубы, наиболее
опасны для окружающего района. Это связано с тем, что шум,
излучаемый с высоты, не снижается за счет естественных и
искусственных наземных препятствий.
Качественную оценку ТМ по уровню звуковой мощности,
зависящему от полного давления Р, Па, и объемного расхода воздуха Q,
м3/с, можно определить из уравнения
Lr=Z + 10(l+a/2)lg/>+ lOlgQ, (5.21)
где L — критерий шумности, дБ; a — коэффициент, зависящий от
окружной скорости и, м/с, и диаметра колеса D, м, вентилятора:
а~ 1 при и = 5...15м/с, а~ 2 при и = 20...50 м/с иD = 0,4.. 1,2 м,
а ~ 3 при и > 50 м/с и D = 1,2...2,0 м.
Для большинства ТМ, применяемых в энергетике, a ~ 3.
Следовательно, увеличение расхода воздуха и особенно полного
давления, а также скорости и внешнего диаметра колеса приводит к
усилению излучаемой звуковой мощности.
Сравнительный анализ уровней звуковой мощности осевых и
центробежных дымососов показал, что у осевых уровень на 10 ...
16 дБА больше, чем у центробежных.
Частота локальных составляющих ТМ определяется из
уравнения
/ = knZjm,
где k = 1, 2,..., т —номер гармоники; п —частота вращения,
об/мин; Zn — число лопаток.
Максимум шума для центробежных агрегатов приходится на
первую гармонику {k = 1), а для осевых — на вторую и третью
(к = 2 и k = 3).
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 137
Анализ процессов акустического загрязнения окружающей
среды необходимо проводить с учетом режимов работы (нагрузки)
ТМ. Например, при переменных нагрузках уровень звуковой
мощности LWn можно рассчитать по формуле
где ALW — поправка, учитывающая режим работы - КПД Г|
(табл. 5.13).
Таблица 5 13
п
Mw
1
0
0,9 0,99
2
0,8 0,89
4
0,8
5
Данные табл. 5.13 показывают, что с точки зрения
акустического влияния ТМ на ОС целесообразно эксплуатировать ТМ в режиме
максимального КПД. Для уменьшения воздействия ТМ на
окружающую среду устанавливают глушители со стороны всасывания для
вентиляторов и со стороны нагнетания для дымососов.
Для регулирования давления природного газа, пара и воздуха в
газораспределительных пунктах широко используется
дросселирующая арматура, которая обеспечивает снижение давления газа в
главной магистрали газопровода до требуемого —обычно с 1...1.2 до
0,05...0,12 МПа.
При подаче воздуха в котел и эвакуации из него дымовых газов,
а также в системах местной вентиляции регулирование расхода
производится с помощью шиберов и заслонок, где также происходят
потери давления. При этом шум клапанов, возникающий при
перепаде давлений до и после клапанов, равном 1,8 («докритическая
область»), формируется в основном турбулентной струей. При
соотношении давлений больше 1,8 («закритическая область»)
дополнительно возникают скачки уплотнений (ударные волны), которые
сопровождаются импульсными шумами и могут привести к разрушению
клапанов.
Уровень суммарной звуковой мощности, обусловленной
дросселирующим клапаном, зависит от его типа, перепада давлений и
расхода среды:
Lw= LWr]+ \0\gq + 20\gc,
где q — расход среды, м3/ч; LWr] зависит от конструкции клапана
и перепада давлений в нем, с — скорость звука в клапане, м/с,
причем с = V kP/p; P — давление до клапана, Па; р — плотность
среды, кг/м3; k — коэффициент.
138 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Уровень звуковой мощности, излучаемый в клапанах,
регулирующих расход воздуха или дымовых газов, определяется по формуле
Lm = L0K + lOylgv + 20 lg Dr + 10 (1 - у) lg%, (5.22)
где L0K — отвлеченный октавный уровень шума, зависящий от
дроссельной заслонки, дБ (табл. 5.14); Snp - площадь проходного
отверстия клапана; v — скорость в воздухопроводе, м/с, с площадью
сечения 5, м2, к которому подсоединяется арматура; Dr —
гидравлический диаметр воздухопровода, м. Dr = AS/П; П — периметр
канала, м; у — поправка, определяемая из табл. 5.15.
Таблица 5 14
Тип
арматуры
Шибер
Дроссельная
заслонка
Отвлеченный уровень шума L0K, дБ,
при средней геометрической частоте, Гц
63
85
72
125
62
56
250
50
38
500
46
26
1000
32
18
2000
19
10
4000
7
4
8000
-1
-9
Таблица 5 15
Частота, Гц
Значение у
63
2,5
125
3
250
3,5
500
4
1000
4,5
2000
5
4000
5,5
8000
6
Уровень звуковой мощности в трубе определяется по формуле
L^L^-lOlgf, (5.23)
где LWk —уровень звуковой мощности, излучаемой клапаном, дБ;
5 — площадь сечения канала, м2.
На ряде предприятий технологические циклы предусматривают
охлаждение воды с использованием градирен. Шум в градирнях
вызывает свободное падение воды. Излучаемая при этом звуковая
мощность пропорциональна расходу воды, скорости водяных капель в
момент падения и глубине бассейна с водой. При больших
плотностях застройки шум от градирен может оказывать существенное
влияние на формирование шумового поля. Уровень звуковой мощности,
излучаемой градирней, можно определить, используя равенство
LWrp=L,+ Wlgq, (5.24)
где LT — уровень звуковой мощности, зависящий от средней
геометрической частоты (табл. 5.16); q — расход среды, м3/ч.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 139
Таблица 5 16
Средняя геометрическая
частота, Гц
Lr, дБ
63
51
125
51
250
51
500
57
1000
62
2000
62
4000
63
8000
61
Применение в градирнях в зимнее время жалюзи, которые
уменьшают поток воздуха, способствует уменьшению уровня звука
на 2 ..3 дБ. Звуковая энергия градирни в основном излучается через
входные окна. Уровень шума у верхнего края градирен примерно на
10 дБ меньше, чем уровень шума из входных окон. Излучением шума
через оболочку (стенки) градирен, как правило, пренебрегают.
Важную роль в формировании звуковых полей играет конструкция
бассейна градирни: рекомендуется делать бассейны с дном
конусообразной формы, которая обеспечивает стекание воды к краям бассейна
градирни. При этом орошаемая часть дна имеет меньшую глубину.
Следует иметь в виду, что в некоторых градирнях для
интенсификации охлаждения используют вентиляторы. Поэтому наряду с шумом
падения воды имеет место шум, излучаемый вентиляторами. Для
снижения акустического влияния вентиляторов целесообразно
применять тихоходные вентиляторы с большим диаметром лопастей.
Использование открытых распределительных устройств (ОРУ)
при транспортировке электроэнергии также способствует
акустическому загрязнению ОС за счет звукоизлучения
трансформаторами, линиями электропередачи, синхронными компенсаторами,
воздушными выключателями и др. Основной причиной шума
трансформаторов является магнитострикция. Вызванная магнитострикцион-
ными силами вибрация передается через масло и узлы сопряжения
активной части с масляным баком самому баку и от него в виде
звуковых волн разной частоты излучается в ОС. Особенно сильный
шум исходит от крышки бака. Добавочным источником шума
являются колебания самого бака и связанных с ним конструкций. Для
охлаждения некоторых трансформаторов используются
вентиляторы, которые также являются источниками шума. Уровень шума от
ОРУ практически не зависит от нагрузки трансформаторов и
номинального напряжения, главные причины — мощность и размеры
трансформатора
Шум трансформатора характеризуется колебаниями с
частотами, кратными частоте питающей сети, а именно: 100, 200, 300 Гц
и т д. У мощных трансформаторов наиболее выражены низкие
частоты, и только в трансформаторах с охлаждающими вентиляторами
140 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
выявлены составляющие шума более высоких частот, быстро
затухающие с удалением от трансформаторов. Звуковые волны
практически одинаково распространяются по осям трансформатора
Единица шумовых характеристик трансформаторов — дБА, так как
многочисленные исследования показали, что более информативным
является общий уровень.
Уровень шума трансформаторов можно определить по формуле
L = 20 lg
Ро
v у
(5.25)
где р — звуковое давление, Па.
р = рис, (5.26)
где р — плотность воздуха, кг/м3; с — скорость звука, м/с; и —
колебательная скорость частиц воздуха, м/с:
"-'«тттЬй1 (527)
где / — частота тока, протекающего по обмоткам, Гц; /0 —
собственная частота свободных колебаний магнитопровода, Гц; уст —
удлинение стержней под действием сил FM:
Усг-Щ» (5.28)
где Е — модуль упругости электротехнической стали, Н/м2, / —
высота (длина) стержней, м, Ss — площадь поперечного сечения
стержней, м2.
Полная сила, создаваемая всеми стержнями
FM = PaSn =^ fi2S; (5.29)
где осм — магнитострикционная постоянная; Ра - амплитудное
значение силы, зависящее от магнитострикции; п — число окон; S —
площадь поперечного сечения одного стержня, м2; В — индукция,
Тл.
Собственная частота определяется из уравнения
-1
V7771-"2
где РН(РС) — масса накладки (половины стержня), кг, р —
плотность материала магнитопровода, кг/м2; сы — скорость звука в маг-
нитопроводе, м/с; / — длина средней части стержня.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 141
Линии электропередачи высокого напряжения также могут быть
источником шума для окружающего района. Расстояние от оси
линии электропередачи до населенных пунктов с учетом их
перспективного развития должно составлять не менее 300 м, а на
стесненных участках трассы это расстояние может быть уменьшено до
100 м Уровень шума от таких линий электропередачи зависит от
погодных условий. Наибольшие значения уровня шума
наблюдаются при дожде, несколько меньше — при тумане и наименьшее при
хорошей погоде. Шум от трехфазной линии примерно на 3...4 дБА
превышает уровень шума однофазной линии. Шум от коронирования
проводов на расстоянии 100 м от них (в зависимости от напряжения)
приведен в табл. 5.17.
Таблица 5 17
Напряжение, кВ
400
750
1050
1150
Уровень звукового давления, дБА
при дожде
40
49
51 57
55 62
при тумане
34
40
45
53
Источниками импульсных шумов в ОРУ являются воздушные
выключатели, при срабатывании которых энергия
высвобождающегося сжатого воздуха вызывает высокочастотные шумы. На
расстоянии 1 м от воздушного выключателя при его срабатывании
значительно превышается максимально допустимый уровень шума.
Поэтому нахождение людей рядом с выключателем в это время без
специальных средств защиты недопустимо.
Расчет уровня звукового давления от линий электропередачи
высокого напряжения с учетом расстояния от источника шума можно
проводить по формуле
^лэп=^ок+ 101gO-101gQ-
-20\gr-1jlL + Al+A2, (5 31)
где LpoK — октавный уровень звуковой мощности, дБ, Ф — фактор
направленности [см (5 17)]; г—расстояние от акустического
центра источника до расчетной точки, м; Р — коэффициент поглощения
звука в воздухе, дБ/км (табл. 5 18); А[ — поправка, учитывающая
увеличение уровня звукового давления за счет синфазного
наложения звуковых волн; А2 — поправка, учитывающая снижение уровня
142 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
звукового давления за счет экранирования различными
препятствиями (природными — лесом, травой); Q — пространственный угол
излучения.
Уравнение (5.31) позволяет рассчитывать уровни звукового
давления при работе воздушных выключателей. Для этого в (5 31) 201gr
необходимо заменить \0\gr
Дополнительное увеличение уровня звукового давления Д,, дБ,
рассчитывается по формуле
А1 = ALorp + ALb>
где AL0Tp= Згс; n — число дополнительных отражающих
поверхностей, расположенных на расстоянии, меньшем 0,1 г от расчетной
точки; Д1в = 3 дБ, если выполняются неравенства.
hpT « г, Аист« г, f « 40г/(Лрт Аист),
где h Аист— высота расположения расчетной точки и источника
шума над плоской поверхностью, м; / — средняя геометрическая
частота, Гц.
Таблица 5 18
Темпера
тура воз
дула, °С
30
20
10
0
Относительная
влажность
воздуха, %
20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
20
40
60
80
Коэффициент поглощения звука в воздухе, дБ/км,
при нормальном атмосферном давлении и средней
геометрической частоте, Гц
125
0,6
0,3
0,2
0,2
0,7
0,4
0,3
0,2
0,6
0,5
0,4
0,3
0,5
0,4
0,4
0,4
250
1,8
1,2
0,9
0,7
1,5
1,3
1,1
0,9
1,1
1,1
1,0
1,0
1,5
0,9
0,8
0,8
500
3,7
3,6
3,0
2,5
2.7
2,8
2,8
2,7
2,9
2,0
2,0
2,0
5,0
2,3
1,7
1,5
1000
6,4
7,2
7,5
7,2
6,2
4,9
5,2
5,5
9,4
4,8
3,9
3,7
16
7,7
4,9
3,8
2000
14
12
14
15
19
11
9
9,7
32
15
10
8,5
37
26
17
12
4000
44
27
25
25
67
34
25
21
90
54
35
25
57
74
58
41
8000
154
83
64
57
208
120
83
66
170
170
125
96
73
141
156
41
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 143
На процесс распространения звука в ОС влияют такие факторы,
как температура и влажность воздуха (см. табл. 5.18).
При распространении звука над поверхностью земли с травяным
или снежным покровом должно выполняться условие / > 20г/кжт
При невыполнении этих условий ALB= 0.
Ослабление уровня звукового давления определяют из
уравнения
Д2 = М, + ДАП + РЛАП. (5.32)
где АЬ^ — снижение уровня звукового давления экранами, дБ;
ALn — снижение уровня звукового давления вследствие влияния
травяного или снежного покрова земли, дБ; (Злп — коэффициент
ослабления звука лесополосами, дБ/м:
Рлп = Ра(^8'). (5-33)
где РА = 0,08 дБА/м; Ьлп —ширина лесополосы, м.
При количественной оценке ослабления звука принимают
А/.,, = 0, если звук распространяется не вблизи поверхности земли,
или ALn = 3 дБ при удалении источника шума от приемника на
расстояние более 500 м.
5.6. Общие методы снижения воздействия шума
на окружающую среду
Задачи по снижению шумового загрязнения окружающей среды
от работающего оборудования решаются путем: снижения шума в
источнике; снижения шума на путях его распространения;
архитектурно-строительными и планировочными решениями.
Снижение шума в источнике осуществляется за счет улучшения
конструкции агрегата или изменения технологического процесса. На
многих предприятиях, включая энергетические объекты,
используют архитектурно-планировочные решения и методы снижения шума
на путях его распространения.
Снижение шума на путях его распространения обеспечивают
созданием санитарно-защитных зон вокруг предприятий, установкой
глушителей, экранов и кожухов и др. По мере увеличения
расстояния от источника уровень шума уменьшается. Поэтому создание са-
нитарно-защитной зоны необходимой ширины является наиболее
простым способом обеспечения санитарно-гигиенических норм
вокруг предприятий. Выбор ширины санитарно-защитной зоны зави-
144 Часть I, Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
сит от установленного оборудования, например ширина санитарно-
защитной зоны вокруг крупных ТЭС может составлять несколько
километров. Для объектов, находящихся в черте города, создание
такой санитарно-защитной зоны (СЗЗ) порой становится
неразрешимой задачей. Сократить ширину СЗЗ можно уменьшением шума
на путях его распространения. Такая задача решается с помощью
специальных глушителей. Конструкции глушителей зависят от
начального и допустимого уровней шума и выбираются в зависимости
от спектра шума, условий работы глушителя (температуры,
давления, влажности, запыленности, возможности эксплуатации при
низкотемпературной коррозии и др.), обеспечения надежности его
работы и высокой эффективности в течение всего времени
эксплуатации. Важными факторами являются такие условия, как обеспечение
минимального гидравлического сопротивления, веса, габаритов
глушителя, возможность его монтажа без нарушения технологического
цикла на предприятиях. Кроме специальных глушителей шума,
широкое распространение получили шумозащитные экраны. На
энергетических объектах экраны используются в основном для
снижения шума трансформаторов и градирен. Во многих случаях
необходимого эффекта снижения шума достигают с помощью специальных
кожухов, которые устанавливают, как правило, на отдельные
агрегаты и узлы, например турбины, дроссельные клапаны, насосы и др.
Конструкция кожухов должна позволять проводить осмотр
поверхности агрегата или узла в процессе работы.
Архитектурно-строительные и планировочные решения
включают в себя: способы звукоизоляции и звукопоглощения; лесопосадки;
строительство насыпей, соответствующее размещению шумного
оборудования по отношению к жилому району (приложения 5.2,
5.3). Планировочные мероприятия должны обязательно
выполняться при строительстве промышленных и энергетических объектов,
так как рациональное размещение оборудования по отношению к
жилому району не требует дополнительных затрат. Лесопосадки и
строительство насыпей позволяют в некоторых случаях снижать
уровень шума от предприятия в целом, но требуют значительных
трудовых и материальных затрат. Звукоизоляция окон шумных
помещений (приложение.5.4), корпусов тягодутьевых машин, газо- и
воздухопроводов, паропроводов позволяет значительно уменьшать
шумовое воздействие на окружающую среду. Применение методов
звукопоглощения позволяет снизить уровень шума внутри
помещения одновременно от всех находящихся там источников шума.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 145
В тягодутьевых машинах наряду с необходимой акустической
эффективностью применяемые средства шумоглушения должны
обеспечивать минимальное аэродинамическое сопротивление в
газовоздушных трактах, возможность оперативного контроля работы
оборудования и быстрого монтажа в условиях действующего
производства. Не следует забывать, что работа глушителей должна быть
надежной в условиях повышенных температур (до 200°С).
Достаточно высокую акустическую эффективность
обеспечивают глушители дцссипативного типа (пластинчатой конструкции)
за счет поглощения шума рыхловолокнистыми и пористыми
материалами, в которых звуковая энергия превращается в тепловую.
Среди наиболее часто применяемых звукопоглощающих материалов
следует выделить супертонкое стекловолокно (маты, холсты),
супертонкое базальтовое волокно (БСТВ), маты теплозвукоизоляци-
онные ATM-IOC (ATC-10K). Их характеристики приведены в
табл. 5.19.
Таблица 5.19
Звукоизолирующий материал
Маты (холсты) из супертонкого
стекловолокна (ТУ21 РСФСР 227-76)
Холсты из супертонкого базальтового
волокна (БСТВ)
Маты теплозвукоизоляционные АТМ-10С
(АТС-10К)
Плотность,
кг/м3
10
17
40
(60 для АТС-10К)
Диапазон
температур, °С
От -60 до +450
От -60 до + 450
От -60 до + 450
На рис. 5.20 показаны уровни звукового давления до и после
установки глушителей в газовом тракте ТЭЦ. Изменяя конфигурацию
1-т.ДБ
90
80
70
60
50
Рис. 5.20. Уровни звукового
давления до (I) и после (II) установки 63 125 150 5001000 20004000 f„ Гц
глушителя в газовом тракте ТЭЦ
—
"1
1
1
1
—
146 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Воздух
i-.дБ
50
ВО
70
60
1
г'
i i
1
i i
65 125 250 500 1000 2000
б
/,Гц
Рис 5 21 Схема экранного глушителя
а — конструкция 1 — воздухозабор, 11 — экран, 111 — вентилятор, б
звукового давления до (/) и после (2) установки экрана
¦ уровни
газового тракта, длину внешних газоходов, размер и тип дымовой
трубы, можно добиться снижения уровня шума на 8...30 дБ, причем
наибольшее снижение шума происходит в дымовой трубе.
Дополнительное снижение шума, излучаемого воздушным
трактом дутьевых вентиляторов, достигается установкой экранных
глушителей. Снижение шума экранными глушителями происходит за
счет отражения части звуковой энергии обратно в канал воздухоза-
бора (рис. 5.21). Использование экранных глушителей требует
предварительного анализа, так как конструкция и расположение
глушителей оказывают как положительное влияние, повышая
эффективность шумоглушения, так и отрицательное, увеличивая
акустическое сопротивление.
Запыление глушителей диссипативного типа, особенно при
малых скоростях потока, вызывает снижение акустической
эффективности. В ряде случаев для повышения эффективности
глушителей диссипативного типа применяют глушители, работающие по
принципу «антизвука» (рис. 5.22). Эффективность глушителей
«антизвук» на низких частотах достигает 10.. 13 дБ. При устройстве
глушителей диссипативного типа применяются керамзит и
металлическая путонка (путка) и другие пористые материалы.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 147
Рис 5 22 Схема грушителя,
работающего по принципу
«антизвука» / — газовая турбина,
2 — дымовая труба, 3 —
звукопоглощающий материал, 4 —
громкоговоритель, 5 —
микрофоны
Эффективность глушителя АЬГЛ, дБ, зависит от скорости и на-
¦авления потока газов.
1
AZ, =
AL
бп'
(5 34)
1 ± 0,006 V
где AL6n — эффективность глушителя при отсутствии потока
воздуха; V —- скорость потока, м/с Знак «+» или «-» указывает на
направление потока « + » — при совпадении направления потока с
направлением распространения звука; «-» — при
противоположном направлении.
Анализ уравнения показывает, что эффективность глушителя
снижается при совпадении направления потока газов и
распространения звуковых волн, и, наоборот, при распространении звуковой
энергии навстречу потоку эффективность увеличивается. Для
выхлопных трактов ГТУ, где скорость в газоходах достигает 30 .
50 м/с, эффективность глушителей снижается до (0,85...0,77) AL.
Дальнейшее увеличение скорости потока может привести к
генерированию шума глушителем. Для снижения уровня генерируемых'
шумов устанавливают обтекатели, которые обеспечивают снижение
шума на 8.. 10 дБ
На рис 5 23 в качестве примера показано расположение
двухступенчатых глушителей шума воздухозабора газовой турбины.
Глушитель помещается в канале воздухозабора и выполняется из двух
ступеней Первая, расположенная ближе к ГТУ, обеспечивает
снижение высокочастотных составляющих шума Она состоит из
148 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Воздух^ N
-щтт
\W/
Рис 5 23 Схема глушителя для воздушного тракта ГТУ-100-750
1,2 — ступени для снижения низких и высоких частот соответственно, 3 —
жалюзи, 4 — воздушный тракт
45 пластин толщиной 100 мм и таким же воздушным промежутком
между ними. Вторая ступень предназначена для снижения
низкочастотных составляющих (22 пластины толщиной и размером
воздушного зазором между ними по 200 мм). В качестве
звукопоглощающего материала использован ультрасупертонкое стекловолокно
В таких конструкциях необходимо предусмотреть
конструктивные решения, препятствующие усадке материала и его защиту от
выдувания. На небольших ГТУ можно применять глушитель шума,
представленный на рис. 5.24.
12 3 4 5
А-А
|
Рис 5 24 Схема глушителя шума выхлопа ГТК-10
а — общий вид, б — элементы шумоглушителя / — каркас. 2 — звукопоглощаш
щий материал, 3 — асбестовая прокладка, 4 — стеклоткань, 5 —
перфорированный лист
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 149
Рис 5 25 Схема глушителя выхлопного тракта при нижнем подводе газоходов в
дымовую трубу
1 — подводящий газоход, 2 — дымовая труба, 3 — перегородка, 4 —
цилиндрический глушитель, 5 — каркас, 6 — звукопоглощающий материал
В тех случаях когда выхлопные тракты нескольких ГТ
подсоединяются к одной дымовой трубе, глушитель шума целесообразно
устанавливать в цокольной части дымовой трубы (рис. 5.25). При
таком расположении глушителей звуковая энергия гасится в
звукопоглощающих перегородках и на внутренней облицовке трубы.
Эффективность этих глушителей зависит от размеров, количества
цилиндров, заполненных звукопоглощающим материалом, высоты
разделительных перегородок и может достигать 30 дБ.
Во многих технологических процессах применяется пар. Выброс
пара в окружающую среду сопровождается изменением уровня
шума. Так, для обеспечения надежности энергетических котлов их
снабжают предохранительными клапанами, через которые в ОС
выбрасывается струя пара, и тем самым обеспечивается необходимое
давление пара в рабочей зоне Аналогичный процесс происходит при
продувке пароперегревателей или при предпусковой парокислород-
пой очистке внутренних поверхностей котлов. Учитывая многообра-
шё факторов, влияющих на условия работы глушителей шума
(высокие температуры; критические перепады давлений до и после
глушителя; обеспечение минимума веса, габаритных размеров и
гидравлического сопротивления и др ), создать универсальные системы
снижения уровня шума не представляется возможным. Поэтому
«паровые» глушители могут быть диссипативного, реактивного или
комбинированного типа. На рис 5.26 приведено несколько конструк-
жвных решений глушителей
150 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Уровень
крыши
At, ДБ
40
30
20
10
х ¦ • О <
-
0,5 т
0,5т
1т
2т
5т
V "
1 1
/ .*-"""
1
¦*»—~"
1
r^S^-*^
1 1
ч
^
1
У
-ч
i
31,3 63 125 250 500 1000 2000 9000 f/ц
б
Рис. 5.26 Конструкции (1-5) паровых глушителей (а) и их эффективность (б)
при разных массах
Рис. 5.27. Схема экранирования звука естественными преградами
а — здания; б — насыпь; в — выемка, ИЩ — источник шума
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 151
В тех случаях, когда глушители шума не обеспечивают
требуемую эффективность, используют экраны (искусственные или
естественные). Свойство экранов снижать шум основано на отражении
и рассеянии падающих на них звуковых волн. Если длина звуковой
волны меньше размеров экрана, то за экраном образуется «звуковая
тень». В качестве естественных экранов используются особенности
рельефа местности (рис. 5.27). Максимальная эффективность
экранов на открытом воздухе достигает 25...30 дБА.
5.7. Влияние вибраций на человека
и на окружающую среду
Рассматривая колебание точки относительно положения
равновесия (покоя), можно выделить несколько видов колебательных
процессов, каждый из которых имеет свою математическую
интерпретацию. Так, проекция точки, равномерно движущаяся вдоль
окружности, на одну из осей имеет синусоидальный закон
(гармонический) движения:
X = Asincot или X = As\n((?>t + ф),
где ф — фазовый сдвиг (начальная фаза).
Период колебаний точки определяется из уравнения
7 = ^.
со
Частота колебаний, т.е. число колебаний в единицу времени, —
величина, обратно пропорциональная периоду колебаний:
Х_ 2л
' Т~ со'
Если материальная точка одновременно участвует в нескольких
гармонических колебаниях, то суммарный колебательный процесс
является полигармоническим. В таких случаях каждую
составляющую колебательного процесса называют гармонической, а
совокупность частот этих гармоник — спектром частот. Спектры могут быть
как непрерывными (сплошными или полосовыми) при бесконечном
числе гармоник, так и дискретными.
В тех случаях, когда происходит суммирование двух
гармонических колебаний, имеющих близкие по значению периоды, возникают
биения. Например, если амплитуды и начальные фазы колебаний
одинаковые, а частоты а>{ и со2 близки по значению, то
152 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
х = /Isincoj^ + /lsinco2? =
= Asm t cos t. (5.35)
Анализ уравнения (5.35) показывает, что колебания происходят
по синусоидальному закону с частотой (со, + со2)/2. Период этих
изменений
Т = 4я/(со, - оз2).
Все виды колебаний по способу их возбуждения делятся на
свободные, вынужденные и связанные.
К свободным колебаниям относятся колебания, вызванные
начальными условиями (начальным возбуждением) системы и
протекающие без дальнейшего внешнего воздействия (возбуждения).
Вынужденные колебания происходят под действием внешних
сил (преимущественно периодических).
Как правило, машины и механизмы являются сложными
колебательными системами. Силы, вызывающие колебания, по своей
природе подразделяются на силы механического, аэродинамического,
гидродинамического и магнитного (электромагнитного)
происхождения.
Оценку вибрационных процессов, происходящих в окружающей
среде, проводят с помощью таких характеристик, как
вибросмещение, виброскорость и виброускорение.
Вибрационное смещение (вибросмещение) S, мкм, — это
мгновенное значение отклонения колеблющегося элемента относительно
положения равновесия. По амплитуде вибросмещения можно судить
о зазорах между вибрирующими деталями и узлами, их
податливости и остаточной неуравновешенности. Амплитуда смещения
является фактором, от которого зависит шум, издаваемый изделием.
Вибрационная скорость (виброскорость) V = dS/dt, м/с,
является определяющей характеристикой шума. Уровень
виброскорости Ly, дБ, определяется выражением
Lv = 20\g-?- = 2O\g?-, (5 36)
где VQ = 5 • 10~5 м/с — опорное (условно нулевое) значение
скорости.
В случае гармонических колебаний с частотой и амплитудой
вибросмещения S амплитуда виброскорости
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 153
Силы, действующие на конструкционные материалы и
вызывающие усталость материалов, характеризуются виброускорением.
Амплитуда виброускорения а, м/с2, находится по формуле
а = (?>V = co2S.
Уровень виброускорения La, дБ, определяется выражением
La = 20 Ig (a/a0), (5.37)
где а0- 3 • Ю-4м/с2 — условно нулевое значение виброускорения.
Так как в общем случае вибрации представляют собой сложный
негармонический процесс, то анализ вибраций целесообразно
проводить с помощью спектра. Спектральный анализ позволяет
выделить частоты и амплитуды отдельных составляющих вибрации.
Вибрации, так же как и звук, инфра- и ультразвук, ударные
волны, являются постоянно действующими физическими
факторами, сопровождающими эволюцию жизни на земле, в процессе
которой в живом организме возникали и совершенствовались
специальные структуры — механорецепторы. Структуры живых
организмов, воспринимающие различные виды механической энергии,
развивались в двух направлениях: увеличивалось число рецепторных
окончаний на единицу площади и повышалась их чувствительность.
У многих видов живых организмов (птиц, насекомых,
пресмыкающихся, животных и др.) виброрецепторы относятся к важнейшим
системам жизнеобеспечения и жизнедеятельности. Так, хищные
рыбы даже при потере зрения обладают способностью точно
определять местоположение жертвы по амплитудно-частотным
характеристикам колебаний, вызванных движениями жертвы.
Вибрации в окружающей среде создают своеобразное
информационное поле. Природа позаботилась о том, чтобы живые организмы
были способны пользоваться вибрационными (колебательными)
процессами как информацией. Вибрации, действующие на
биологические объекты, имеют двойственный характер. В одних случаях они
стимулируют жизненные процессы, а в других угнетают их. Особое
внимание исследователи уделяют изучению физиологического
действия на живые организмы инфразвуковых вибраций, которые
вызывают угнетение, беспричинный страх, паническое состояние,
неадекватное реагирование на происходящее и др.
Деформация и переменные напряжения, возникающие в тканях
организма'человека, улавливаются множеством рецепторов.
Напряжения трансформируются в энергию биоэлектрических или
биомеханических процессов.
154 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Голова (25 Гц)
Глазное
яблоко
(30 . . 80 Гц)
Плечевой
пояс
(4 ...5 Гц)
Легкие
(30 .60 Гц)
Предплечье
(16. ..30 Гц)
Позвоночный
столб, продольное
нагружение (10.. 12 Гц]
Сомкнутая
кисть (50 . 200 Гц)
Артерия (7 8 Гц)
Сердце (7 Гц)
Грудная
клетка
(60 Гц)
Брюшная
полость
(4.. 8 Гц)
Ноги (от 2 Гц при согнутых
коленных суставах до 20 Гц
при выпрямленных,
напряженных ногах)
Рис 5 28 Частоты собственных колебаний человека
В живых организмах происходят собственные колебательные
процессы с низкой частотой. На рис 5 28 представлена модель
строения человека с указанием частот собственных колебаний
различных органов. Например, резонансная частота сердца /0 = 7 Гц. При
инфразвуковых колебаниях с частотой 7 Гц амплитуда сердечных
сокращений увеличивается настолько, что происходит разрыв
артерий. Колебания той же частоты и интенсивности, но
противоположные по фазе, затормаживают кровообращение и вызывают остановку
сердца. Французский профессор Гавро отмечал, что во время
шторма в море генерируются колебания с частотой в среднем около 6 Гц,
достигая временами 7 Гц. В результате воздействия таких колебаний
на команду судна в считанные секунды наступает гибель всех членов
команды Среди ученых есть сторонники концепции появления так
называемых «летучих голландцев» Вполне реально представить, что
колебания поверхности моря с низкой частотой вызывают приступы
беспричинного ужаса, приводящего к безумным поступкам,
например, охваченные ужасом члены команды выбрасываются за борт.
Низкочастотные (инфразвуковые) колебания
распространяются на большие расстояния от источника как в воде, так и в земной
коре. Они являются причиной беспокойного поведения многих видов
животных и пресмыкающихся перед землетрясением. За несколько
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 155
часов до его наступления они покидают свои норы и укрытия в
поисках безопасных мест. Инфразвуковые колебания даже малой
интенсивности, возникающие, например, при работе городского
транспорта, вызывают нервную усталость и нарушение
функционирования различных органов и систем человека.
Сложность и неоднородность вибрационных процессов
обусловлены многообразием источников. Для удобства анализа все
источники вибрации принято делить на две группы. К первой группе
относятся транспортные средства и промышленные предприятия. Ко
второй — инженерно-техническое оборудование и системы, а
также предприятия торговли и коммунально-бытового назначения и
др. Исследования показывают, что в зданиях, расположенных на
расстоянии около 10 м от тоннеля метрополитена мелкого
заложения, на резонансных частотах 31,5...63 Гц уровень виброускорения
достигает 45 дБ, а на расстоянии 40 м — 26 дБ.
Движение железнодорожного транспорта и трамваев приводит
к превышению допустимых уровней для жилых зданий в октавных
полосах частот 16...63 Гц в радиусе 10 ..20 м на 10.. 15 дБ для
железнодорожных составов и на 3...7 дБ для трамваев. Кроме
транспортных средств источниками низкочастотных (инфразвуковых)
вибраций являются мощные компрессорные, штамповочные
участки, испытательные стенды и другие виды оборудования
промышленных предприятий. Так, эксплуатация лифтового оборудования также
приводит к превышению допустимого уровня вибрации
(виброускорения) на 15...20 дБ
Физиологические, гигиенические и поликлинические
исследования показали, что длительное действие вибрации, превышающей на
2...9 дБ нормативные значения даже малой интенсивности в
условиях жилища вызывают функциональные изменения центральной
нервной и сердечно-сосудистой систем, которые проявляются
удлинением скрытого времени слуховой и зрительно-моторной реакций,
развитием вегетативно-сосудистой дистонии и гипертонической
болезни и др.
5.8. Причины и источники вибрации
В качестве основных параметров, характеризующих вибрации,
принимаются, вибросмещение S, мкм; виброскорость V, м/с;
виброускорение а, м/с2. Достаточно часто для анализа вибрационных
процессов в качестве измеряемой величины используют
эффективное значение виброскорости V^
156 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Причины и источники вибрации
механического происхождения
Подшипниковый узел
Несоосность и перекос
посадочных мест
Отклонение форм колец
подшипников
Гранность и разномерность
тел качения
Геометрические погрешности
сепаратора
Влияние радиального зазора
Дисбаланс вращающихся частей
Асимметрия конструкции
Прогиб вала
Геометрические погрешности
вращающихся частей
Тепловой дисбаланс
вращающихся частей
Рис 5 29 Причины и источники вибрации механического происхождения
Точность измерения вибрации во многом зависит от
измерительной аппаратуры, выбора точек измерения, условий измерений и др
В большинстве случаев вибрационные характеристики можно
измерять с помощью аппаратуры, предназначенной для измерения
акустических характеристик, заменив микрофон электродинамическим,
индукционным или пьезоэлектрическим датчиком
Пьезоэлектрические датчики (акселерометры) получили
широкое распространение в технике и мониторинге вибрационного за
грязнения окружающей среды Следует заметить, что
конструктивное исполнение современных акселерометров чрезвычайно
разнообразно Они имеют различные массогабаритные показатели, способы
закрепления, собственные частоты, чувствительности и тд Для
снижения погрешности измерения виброизмерительные датчики не
обходимо жестко крепить в точке измерения, причем масса
вибропреобразователя (датчика) не должна превышать 5% массы
испытуемого изделия
Вибропреобразователи преобразуют механические колебания в
электрические сигналы Эти сигналы поступают в приборы, которые
позволяют получать как интегральные характеристики
(вибросмещение S, мкм, виброскорость V, м/с, виброускорение а, м/с2), так
и спектральные составляющие
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 157
Технологические погрешности подшипников
Погрешности изготовления
Отклонения форм беговых
дорожек колец
Отклонения форм тел качения
Разноразмерность тел качения ~
Погрешность сепаратора
— Перекосы колец подшипников
— Погрешности сборки
Перекосы подшипниковых щитов
Отклонение посадочных мест
_| — Погрешности болтовых соединений
Неравномерность элементов
Рис 5 30 Технологические погрешности подшипников
Основными источниками возникновения механических
вибраций машин и механизмов являются подшипниковые узлы и
неуравновешенность вращающихся частей (рис 5 29) Вибрации,
возникающие в подшипниковых узлах, обусловлены циклическим
характером изменения жесткости тел качения подшипников
Цикличность изменения жесткости обусловлена технологическими
погрешностями изготовления и сборки машин и механизмов
Центробежные силы, вызванные неуравновешенностью вращающихся
масс, действуют на подшипники В результате действия
динамических сил возникают вибрации в поперечной плоскости В процессе
работы тела качения находятся в разных условиях нагружения
Периодические деформации шариков или роликов при перекатывании
вызывают затухающие колебания в кольцах и в сепараторе
подшипников Эти колебания передаются от подшипников к сопряженным
с ними деталям Не следует забывать о возможности возникновения
резонансных явлений, в результате которых значительно
увеличиваются амплитуды колебаний Резонанс приводит к быстрому
износу или разрушению подшипников
На рис 5 30 перечислены основные технологические
погрешности, вызывающие повышенные вибрации подшипниковых узлов
Отклонения размеров и форм деталей в подшипниковых узлах ведут к
158 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
возникновению низкочастотных составляющих вибрации. Частоты,
на которых проявляются вибрации, обусловленные различными
технологическими отклонениями, можно достаточно легко рассчитать,
используя геометрические параметры подшипников. Например:
• разностепенность колец вызывает вибрации с частотой
/ = —
/in 60-
где п — частота вращения вала, об /мин;
• овальность внутренних колец является источником вибрации
с двойной частотой вращения:
_ 2л
/2п-б0-
В табл. 5.20 приведены аналитические выражения,
позволяющие рассчитать частоты вибрации других частей подшипника,
вызванной различными конструктивно-технологическими причинами.
Увеличение габаритных размеров подшипников ведет к увеличению
вибрации.
Таблица 5 20
Частота, Гц
f Do~d™ П
ha' 2D0 60'
где D0 — диаметр окружности расположения
тел качения с диаметром dn
D0~dTK n 7
'4п 200 60 '
где Z — число тел качения
, Da~dTK П 7,
где к — число граней тел качения
, D0- dyll. n 7h
/б" 2DadTK 60 ^''
где fej — число дефектов на рабочей
поверхности внутреннего кольца
'*¦- 20Лк 60 lk>.
где k2 — число дефектов на рабочей
поверхности внешнего кольца
Причина возникновения вибрации
Смещение сепаратора и
возникающая при этом неуравновешенность
Отклонения в размере тел качения и
периодическое изменение жесткости
подшипника при перекатывании тел
качения
Гранность тел качения
Дефекты рабочей поверхности
внутреннего кольца
Дефекты рабочей поверхности
внешнего кольца
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 159
Большое влияние на характер колебательных (вибрационных)
процессов оказывает остаточная неуравновешенность
вращающихся частей. Под действием остаточной неуравновешенности и
при наличии радиального зазора вал прецессирует, и в результате
возникают ударные взаимодействия вала с телами качения.
Характер движения шейки вала определяется коэффициентом
неуравновешенности
Е = P/Q = Р/тпс, (5.38)
где Р — динамическая нагрузка на подшипник от
неуравновешенных сил инерции; Q — статическая нагрузка, причем Q = тпс; тпс —
масса подвижной системы.
Неуравновешенность вращающихся частей Дт пропорциональна
массе уравновешивающих грузов тдоб и радиусу их установки г. Для
удобства сравнения различных вращающихся деталей (роторов)
вводят понятие относительной неуравновешенности е:
е = Дт/тр = тАОбг/тр, (5.39)
где тр — масса ротора.
Проведем анализ вибрационных процессов при наличии
дисбаланса вращающихся частей на примере электрической машины
(ЭМ), закрепленной на упругом основании. Уравнение собственных
колебаний ЭМ (электродвигателя) в вертикальной плоскости имеет
вид
та = d2x/dt2 + kx = 0, (5.40)
где тд — масса электродвигателя; k — жесткость упругого
элемента; х — радиальное смещение.
Собственная частота ЭМ определяется из уравнения
оо0 = >/*/тд. (5.41)
Центробежная сила РцПри вращении ротора со статическим
дисбалансом определяется из уравнения
Яц = тресо2 sin Ш. (5.42)
Согласно требованиям ГОСТ собственная частота ЭМ,
установленной на упругом основании не превышает 3 Гц. Тогда
тпе
Jt = —^sinco/. (5.43)
160 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продифференцировав полученное выражение, найдем значение
эффективной виброскорости К,фф, мм/с, в любой точке корпуса
ЭМ:
При чисто динамическом дисбалансе
V.
эфф ст
т есо
-р IL,
4V2/
103,
(5.44)
(5.45)
где со = 2пп/60 — угловая частота; тр — масса ротора; / — момент
инерции относительно горизонтальной оси, проходящей через центр
тяжести и перпендикулярной оси вращения; / — расстояние между
балансировочными осями (оси или плоскости, на которых
устанавливаются балансировочные грузы); L{ — расстояние между
подшипниками.
Радиальная (вертикальная) составляющая центробежной силы
(5.46)
рц
тре(й2 sincof.
Активное
1
'
к
'
Противоударное
Однокаскадное
Амортизирующие устройства
/
/
/
/
'
\
\
\
'
Пассивное
.
1
.
'
Звукоизолирующее
\
Виброизолирующее
Двухкаскадное
Рис 5 31 Амортизирующие устройства
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 161
Значение радиального смещения х электрической машины
относительно центра тяжести определяется из дифференциального
уравнения движения:
mad2x/dt2 + kx = тре(й2 sm(ut. (5.47)
Для инженерных расчетов и экспертных оценок можно
пользоваться аналитическим выражением
/ = тд (0,0833 L2 + 0,0625 D*), (5.48)
где L — длина однородного цилиндра, которым заменяется ЭМ;
Dj — внешний диаметр пакета (магнитопровода) статора.
Подавляющее большинство машин и механизмов устанавливают
на специальные амортизирующие устройства, которые позволяют
устранить непосредственный контакт машин и механизмов с
окружающими конструкциями (рис. 5 31).
Во многих случаях эффективность снижения вибрации,
передаваемой от машин и механизмов окружающим конструкциях,
достигается применением антивибраторов. Антивибраторы представляют
собой стержни с дисками (грузами), перемещением которых
достигают точной настройки антивибраторов на нужную частоту.
5.9. Нормирование шума
При нормировании шума используют два метода: нормирование
по предельному спектру шума и нормирование по уровню шума,
измеренного по шкале А шумомера.
Первый метод нормирования является основным для постоянных
шумов. Здесь нормируются уровни звукового давления на частотах
63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Нормативным
документом, регламентирующим уровни шума для различных категорий
рабочих мест служебных помещений, является ГОСТ 12.1.003-83
«ССБТ. Шум Общие требования безопасности» (табл. 5.21). Второй
метод нормирования используется для ориентировочной оценки
постоянного и непостоянного шума.
Для тонального и импульсного шума допустимые уровни
звукового давления Lpmn должны приниматься на 5 дБ меньше значений,
указанных в табл. 5.21. Уровни шума для территорий жилой и
производственной застроек, а также для различных видов помещений
регламентируются СНиП 11-12-88 «Защита от шума».
6-4910
162 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 521
Рабочее место
Помещения КБ, расчетчиков,
программистов вычислительных
машин, лабораторий для
теоретических работ и обработки
экспериментальных данных, приема
больных в здравпунктах
Помещения управлений
(рабочие комнаты)
Кабины наблюдений и
дистанционного управления без речевой
связи по телефону
Кабины наблюдений и
дистанционного управления с речевой
связью по телефону
Помещения и участки точной
сборки, машинописное бюро
Помещения лабораторий для
проведения экспериментальных
работ, помещения для
размещения шумных агрегатов
вычислительных машин
Постоянные рабочие места и ра
бочие зоны в производственных
помещениях и на территории
предприятий, рабочие места
водителя и обслуживающего персо
нала грузового автотранспорта,
тракторов и других аналогичных
машин
Уровень звукового давления Lp,
дБ, в октавных полосах со средними
геометрическими частотами, Гц
63
71
79
94
83
83
94
99
125
61
70
87
74
74
87
92
250
54
68
82
68
68
82
86
500
49
58
78
63
63
78
83
•>
1000
45
52
75
60
60
75
80
2000
42
52
73
57
57
73
78
4000
40
50
71
55
55
71
76
8000
38
49
70
54
54
70
74
Эквива-
летный
уровень
звука,
дБА
50
60
80
65
65
80
85
5.10. Проведение акустического расчета
Необходимость проведения мероприятий по снижению шума
определяется: на действующих предприятиях — на основании
измерений уровней звукового давления на рабочих местах и последующего
сравнения этих уровней с допустимыми по нормам Lpaon; на
проектируемых предприятиях — на основании акустического расчета.
Целями акустического расчета являются:
• выявление источников шума и определение их шумовых
характеристик;
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 163
• выбор расчетных точек и определение допустимых уровней
звукового давления Lpwn для этих точек;
• определение ожидаемых уровней звукового давления Lp в
расчетных точках;
• расчет необходимого снижения шума в расчетных точках;
• выбор мероприятий для обеспечения требуемого снижения
шума;
• определение строительно-акустических мероприятий по
защите от шума (с расчетом).
Акустический расчет выполняется для восьми октавных полос
со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц с точностью
до десятых долей децибела. Окончательный результат округляют до
целых значений. В зависимости от расположения источника шума
и расчетных точек (в свободном звуковом поле или в помещении)
применяют различные расчетные формулы.
Расчет уровня звукового давления при распространении звука
в свободном пространстве
Уровень звукового давления, создаваемого точечным
источником в расчетной точке, когда источник шума и расчетная точка
расположены в свободном звуковом поле (пространстве), определяется
по формуле
Lp= Lw+ 10 lg Ф - 10 lg (Q) - 20 Ig (r) -((W1000, (5.49)
где Lw — уровень звуковой мощности источника шума, дБ; Ф —
фактор направленности; 3 — пространственный угол излучения;
г — расстояние от центра источника до рабочей точки, м; —
коэффициент поглощения звука в воздухе при 20°С и относительной
влажности 60% (значения берутся из табл. 5.22). При г < 50 м
поглощение в воздухе не учитывается.
Таблица 5 22
/, Гц
W дБ/м
125
0,3
250
1,1
500
2,8
1000
5,2
2000
9,6
4000
25
8000
83
Пространственный угол Q для источника, находящегося в
свободном пространстве, равен 4л; для источников, расположенных на
поверхности территории или ограждающих конструкций
зданий, Q = 2л; в двугранном угле, образованном названными
поверхностями, Q = л; в трехгранном угле Q= л/2. Фактор направлен-
«•
164 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ности ф для источников с равномерным излучением равен единице.
Расчетные точки в открытом прбстранстве выбирают в зонах
постоянного пребывания людей, а также на расстоянии 2 м от плоскости
окон ближайших зданий, ориентированных на источники шума.
Расчет уровней звукового давления в помещении
с источником шума
По акустическим свойствам все помещения в зависимости от
соотношения их размеров (высоты Н, ширины С, длины D) могут быть
разбиты на три группы:
• соизмеримые с отношением размеров наибольшего к
наименьшему не более 5;
• плоские, у которых D/Н > 5 и С/Н > 4;
• длинные, у которых D/Н > 5 и С/Н < 4.
Если помещение непрямоугольное, то в расчете используют
усредненные размеры D, С, Н. В дальнейшем все расчетные формулы
приводятся для соизмеримых помещений. Уровень звукового
давления Lp, дБ, в рабочей точке, создаваемого в соизмеримом
помещении, в котором находится один источник шума, определяется по
формуле
f Lp = Lw + 10 lg^O/S + 4\|//B), (5 50)
где Ф - фактор направленности, см. (5.49); ф — эмпирический
коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля и
принимаемый в зависимости от отношения расстояния между
акустическим центром источника и расчетной точкой г к максимальному
габаритному размеру источника /тахпо графику рис. 5.32; S —
площадь воображаемой поверхности правильной геометрической
?
1 0
08
0 в
04
-
-
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 r//m
О 0,4 0,6 0,8 1,2 1,6 e/S0l
Рис 5 32 Эмпирический Рис 5 33 Коэффициент нарушения диф-
коэффициент фузности звукового поля
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 165
формы, окружающей источник и проходящей через расчетную точку
(методика определения S рассмотрена ниже), м2, \|/ —
коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в
помещении и определяемый по графику, приведенному на рис. 5 33, в
зависимости от отношения постоянной помещения В к площади
ограждающих поверхностей S которая определяется с учетом
площадей пола, потолка и стен помещения.
Постоянная помещения В, м2, находится из выражения
в = вюоо Мч
где IX — частотный множитель, определяемый по табл. 5.23; BlQ0Q —
постоянная помещения на средней геометрической частоте 1000 Гц,
которая выбирается в зависимости от объема и типа помещения:
• и/20 — для помещений без мебели с небольшим количеством
людей (металлообрабатывающие цехи, машинные залы,
испытательные стенды и т.д.);
• v/10 — для помещений с жесткой мебелью или с небольшим
количеством людей и мягкой мебелью (лаборатории, кабинеты и
т.д.);
• v/6 — для помещений с большим количеством людей и
мягкой мебелью (рабочие помещения административных зданий, жилые
комнаты и т.п.),
• v /1,5 — для помещении с звукопоглощающей облицовкой
потолка и части стен.
Таблица 5 23
Объем
помещения,
м^
и « 200
и = 200 500
и » 500
Значение множителя — при средней геометрической частоте, Гц
63
0,80
0,65
0,50
125
0,75
0,62
0,05
250
0,70
0,64
0,55
500
0,80
0,75
0,70
1000
1,00
1,00
1,00
2000
1,40
1,50
1,60
4000
1,80
2,40
3,00
8000
2,50
4,20
6,00
Расстояние г определяется между акустическим центром
источника шума и расчетной точкой. Акустический центр источника
шума, расположенного на полу, есть проекция его геометрического
центра на горизонтальную плоскость. Тогда
г = № + Л2)'/2,
где k — проекция расстояния между акустическим центром
источника шума и рабочей точкой на горизонтальную плоскость, м; h —
расстояние до расчетной точки от уровня пола, м.
166 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Площадь поверхности S, окружающей источник и проходящей
через рабочую точку, определяется выражением S = Or2 при
г > 2/тах. Как указывалось выше, для источника, находящегося в
свободном пространстве, пространственный угол Q = 4л, для
источников, расположенных на поверхности территории или
ограждающих конструкций зданий, Q - 2л, в двугранном угле, образованном
названными поверхностями, Q = л, в трехгранном угле Q = л/2.
При 2/тах > г
S = 2ah + Ibh + ab.
В этом случае поверхность излучения будет иметь форму
параллелепипеда, для которого
а = ап+ 2d, Ь = Ьи + 2d, h = hn + 2d,
где сп, bn, hn — ширина, длина и высота источника шума со стороны
рабочего места, м; d — проекция расстояния от расчетной точки
до края источника на горизонтальную плоскость.
Если в рассматриваемом помещении установлено несколько
разных источников, то ожидаемые уровни звукового давления от всех
источников в выбранных расчетных точках рассчитываются по
формуле
^P=10 1g
100,1Ч ф, • Ф/S, + (4у/В) Y, ю
о.и,,
, (5.51)
где Lw, ф,, Ф,, S,, \|/, В — то же, что и в (5.49) и (5.50) для г'-го
источника шума; п — общее число источников в помещении с
учетом среднего коэффициента одновременности работы
оборудования; т — число источников шума, ближайших к расчетной точке,
т.е. тех, для которых rt < 5rmm, где rmin — расстояние от расчетной
точки до акустического центра ближайшего к ней источника, м.
Если в рассматриваемом помещении установлено несколько
одинаковых источников шума, то ожидаемый уровень звукового
давления Lp, дБ, от всех источников в расчетной точке определяется
Lp = Lw + 10
X Ф/S, + 4V/S
= i
(5.52)
где Ly— уровень звуковой мощности, излучаемый одним
источником шума (Ф, принят равным 1).
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 167
Внутри помещения выбирают не менее двух расчетных точек в
зоне постоянного пребывания людей на высоте 1,5 м от уровня пола
или от основания рабочей площадки. При одном источнике шума в
помещении рабочая точка берется на рабочем месте. При
нескольких однотипных источниках первая рабочая точка выбирается в
средней части помещения, а вторая — в зоне постоянного
пребывания людей, не связанных с работой оборудования. Уровни шума во
второй расчетной точке определяются в большей степени
отраженной звуковой волной. Если имеется несколько различных
источников, отличающихся друг от друга по уровням звуковой мощности
более чем на 15 дБ хотя бы в одной октавной полосе, то на рабочих
местах берутся две расчетные точки: первая — у источника с
максимальным уровнем шума, вторая — у источника с минимальным
уровнем шума.
Расчет ожидаемых уровней звукового давления в помещении,
изолированном от источника шума
Источник шума может размещаться в смежном помещении, а
шум проникать в изолируемое помещение через ограждающие
конструкции. В этом случае ожидаемый уровень звукового давления Z,
дБ, в расчетной точке определяется по формуле
Lp= L^-10lgBul+ 10 1gSoprK-
- 10 lgSH - RK+ 10 lgm + 6, (5.53)
|де Вши Ви — соответственно постоянные шумного и изолируемого
помещений; RK — звукоизоляция однотипными ограждающими
конструкциями, через которые шум проникает в изолируемое
помещение, дБ; т — число разнотипных ограждающих конструкций;
,S0 — общая площадь однотипных ограждающих конструкций и
изолируемого помещения, м2 (например, общая площадь глухой
части стены, суммарная площадь окон и т.д.).
Суммарный уровень звуковой мощности L^, дБ, излучаемой не-
i колькими источниками, находящимися в данном шумном
помещении:
т
L^=10 1g?100I4, (5.54)
где i = 1,2, ..., п — количество источников.
При наличии одного источника в шумном помещении Lw= Lw .
168 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Расчет ориентировочного уровня звукового давления
в помещении
В некоторых случаях необходим ориентировочный расчет уровня
звука в расчетной точке. Для этого используется формула
LpA - LWA + 10 lg[l/(Qr2) + (4/mn^/3)100'1 ^ + V], (5.55)
где Lwk — корректированный уровень звуковой мощности
источника, дБА; Q, г — те же, что в формуле (5.49); v — объем
помещения, м3; Ап — поправка, принимаемая по рис. 5.34, дБА; А0 —
поправка учитывающая объем помещения, дБА (А0 = -1 при v <
< 200 м3, А0 = 0 при 200 < v < 1000 м3, Ао = +1,5 при v > 1000
м3); тп — коэффициент, учитывающий тип помещения: тп = 1 для
помещений с небольшим числом персонала (вентиляционные
камеры, генераторные, машинные залы), тп- 1,4 для
металлообрабатывающих цехов, т„ = 2 для постов управления лабораторий,
кабинетов, ткацких и деревообрабатывающих цехов, тп = 2,5 для
залов конструкторских бюро, помещений административных
зданий, аудиторий, т„ = 5 для помещений со звукопоглощающей
облицовкой потолка и части стен.
Лл, дБ А
?
О
-2
-4
2 4 6 8 10 12 1„-г.„,ДБ
Рис 5 34 График для определения An
Расчет требуемого снижения уровней звукового давления
Уровни звукового давления в расчетных точках не должны
превышать уровни, допустимые по нормам во всех октавных полосах со
средними геометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000,
4000, 8000 Гц. Требуемое снижение уровней звукового давления
AL Тр, дБА, определяется по формуле
L^^p Tp _ ^р ^рдоП>
где Lp — измеренный уровень звукового давления в рабочей точке
действующего предприятия или уровень, определяемый в расчет-
'Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 169
ных точках проектируемого предприятия; LpAon — уровни звукового
давления согласно допустимым нормам, определяемые по табл. 5.21.
При ориентировочной оценке уровня звука требуемое снижение
ALpTp, дБА, определяется из уравнения
где LpA рассчитывается по (5.55); Lpuon — допустимый
эквивалентный уровень звука (табл. 5.21).
Основные методы снижения шума
Методы борьбы с шумом принято подразделять на методы
снижения шума в источнике его образования и методы снижения шума
на пути распространения его от источника. Широкое применение
получили средства индивидуальной защиты от шума (приложение 5.5)
Общая классификация средств и методов защиты от шума
приведена в ГОСТ 12.1.029-80 «ССБТ. Средства и методы шума.
Классификация». Защита работающих от шума может осуществляться
как коллективными средствами, так и индивидуальными. В первую
очередь следует использовать коллективные средства, которые
подразделяются на акустические, архитектурные и
организационно-технические.
Средства снижения шума в источнике выбираются в
зависимости от происхождения шума. Для источников механического шума
это обеспечивается заменой возвратно-поступательного
перемещения деталей вращательным, заменой ударных процессов
безударными (клепку — сваркой, обрубку — фрезерованием), повышением
качества балансировки вращающихся деталей и класса точности
изготовления деталей, улучшением смазки трущихся поверхностей,
заменой материалов.
Для снижения аэродинамического шума используются
специальные шумопоглощающие элементы с криволинейными каналами.
Снизить аэродинамический шум можно улучшением
аэродинамических характеристик машин. Для борьбы с шумом, возникающим при
гидравлических ударах, необходимо правильно проектировать и
эксплуатировать гидросистемы. Кавитационные шумы снижаются
улучшением гидродинамических характеристик насосов и выбором
оптимальных режимов их работы.
Снижение электромагнитного шума осуществляется путем
конструктивных изменений в электромеханических системах
Мероприятия по снижению шума в источниках необходимо
разрабатывать на стадии проектирования машин и оборудования.
170 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Снижение шума на пути его распространения от источника в
значительной степени достигается проведением
строительно-акустических мероприятий. Основным нормативным документом,
устанавливающим требования к строительно-акустическим методам
борьбы с шумом, является СНиП 11-12-77 «Защита от шума»,
содержащий требования к проектированию средств шумопоглощения.
Под акустической обработкой помещения понимается
облицовка части внутренних ограждающих поверхностей
звукопоглощающими материалами, а также размещение в помещении штучных
поглотителей, представляющих собой свободно подвешиваемые
объемные поглощающие тела различной формы. Акустически
обработанные поверхности помещения уменьшают интенсивность
отраженных звуковых волн, что приводит к снижению шума в зоне
отраженного звука; в зоне прямого звука эффект акустической
обработки значительно ниже. Наибольший эффект наблюдается на
расстояниях от источника шума до расчетной точки, определяемых
неравенством г 3> ггр, где ггр = (В/8п)1/2 — граничное расстояние, м;
В — постоянная помещения до акустической обработки, м2.
Звукопоглощающая облицовка размещается на потолке и в
верхних частях стен (при высоте помещения не более 6...8 м) таким
образом, чтобы акустически обработанная поверхность составляла не
менее 60% общей площади ограничивающих помещение
поверхностей. В относительно низких (менее 6 м) и протяженных помещениях
облицовку рекомендуется размещать на потолке. В узких и очень
высоких помещениях целесообразно размещать облицовку на
стенах, оставляя только их нижние части (2 м высоты) необлицован-
ными. В помещениях высотой более 6 м следует предусматривать
устройство звукопоглощающего подвесного потолка.
Если площадь поверхностей, на которых возможно размещение
звукопоглощающей облицовки, мала, или конструктивно
невозможно выполнить облицовку на ограждающих поверхностях, то
применяются штучные звукопоглотители. В области средних и высоких
частот эффект от применения акустической облицовки может
составлять 6...15 дБ.
Снижение уровня звукового давления ALp, дБ, за счет установки
звукопоглощающей облицовки определяется по формуле
Мр= 10Jg(B,/B),
где В — постоянная помещения до акустической обработки, м2;
В[ — постоянная помещения после акустической обработки, м2.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 171
Постоянную помещения В{ рассчитывают по формуле
Вх = {АХ +М)/(1 -а,),
где Ах = а (S - So6jl) — эквивалентная площадь звукопоглощения
поверхностями без облицовки; а = В /(В + S) — средний
коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической
обработки; S — суммарная площадь внутренних ограничивающих
помещение поверхностей, м2; а, = {Ах +AA)/S —средний коэффициент
звукопоглощения помещения с установленной облицовкой;
&А = аобл ^обл+^шт" — суммарное добавочное поглощение,
вносимое конструкцией звукопоглощающей облицовки или штучными
поглотителями, м2; п — количество штучных звукопоглотителей в
помещении; аобл — реверберационный коэффициент
звукопоглощающих материалов облицовки, выбираемый согласно табл. 5.24; So6j] —
площадь облицовки, м2; Ашт — эквивалентная площадь
звукопоглощения одного штучного звукопоглотителя, м2 (табл. 5.25).
Таблица 5 24
Тип
звукопоглощающего материала
Плита «Силакпор»
Акустические
гипсовые плиты марки АГП
Минераловатные
плиты акустические
марки ПА, ПА/С
ПА/О
Маты из капронового
волокна
Акустический войлок
Реверберационный коэффициент материалов при
средней геометрической частоте октавной полосы, Гц
125
0,23
0,16
0,05
0,07
0,31
0,15
250
0,39
0,39
0,28
0,23
0,55
0,22
500
0,47
0,75
0,60
0,81
0,82
0,54
1000
0,55
0,66
0,93
0,93
0,79
0,63
2000
0,64
0,47
0,88
0,83
0,72
0,57
4000
0,71 ,
0,34
0,83
0,67
0,8
0,52
8000
0,74
0,30
0,80
0,6
0,8
0,5
Таблица 5 25
Средняя геометрическая
частота октавной полосы, Гц
Эквивалентная площадь
звукопоглощения, м2
63
0,14
125
0,4
250
0,75
500
1,23
1000
1,14
2000
1,05
4000
0,82
8000
0,67
В том случае, когда в расчетную точку попадает как прямой, так
и отраженный звук (г <К ггр), и в помещении установлено оборудо-
172 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вание, излучающее одинаковую звуковую мощность, то снижение
шума благодаря акустической обработке определяют по формуле
т
? ф/S, + An/В
AZ, = 10 1gi^ . (5.56)
3>/S4 + 4n/Bi
1 = i
Здесь все переменные те же, что и в (5.51).
Методами звукоизоляции возможно изолировать источник шума
или помещение от шума, проникающего извне. Звукоизоляция
достигается созданием на пути распространения шума герметичной
преграды в виде стен, кабин, кожухов, экранов. Звукоизолирующие
свойства ограждения, установленного на пути распространения
звука, характеризуются величиной, называемой собственной
изоляцией ограждения воздушного шума или просто звукоизоляцией
ограждения
В тех случаях, когда нужно уменьшить шум, проникающий из
шумного помещения в тихое, устанавливают звукоизолирующее
ограждение, требуемая звукоизоляция R дБ, которого определяется
из выражения
Дтр = Lp0KT - 10 lg Вп + 10 lg Sorp - Laon, (5.57)
где LpoKT — октавные уровни звукового давления в шумном
помещении, дБ; Вп — постоянная помещения, смежного с шумным, м2,
Sor — площадь ограждения (общего для шумного и изолированного
помещений), м2; Lmn — допустимые октавные уровни звукового
давления в изолируемом помещении, дБ.
В случае штучных звукопоглотителей необходимо учитывать их
акустические характеристики Звукоизоляция однородной
перегородки может быть определена по формуле
R = 20 lg (mQf) - 47,5, (5.58)
где т0 — масса 1 м2 ограждения, кг; / — частота, Гц.
Однако эта формула применима не во всем диапазоне частот,
поскольку в ней не учитывается влияние жесткости и
геометрических размеров перегородки. Расчет изоляции плоского однослойного
ограждения состоит в определении частотной характеристики
звукоизолирующей способности этого ограждения. Расчет
звукоизолирующей способности тонкостенных ограждений из металла, стек-
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 173
Рис 5 35 Частотная характеристика я
однослойных плоских ограничителей шума
f
ла и других материалов чаще всего проводится
графоаналитическим методом. Частотная характеристика для таких ограждений
имеет вид ломаной линии ABCD (рис. 5 35). Координаты точек В и
С (/в и /с)находят по табл. 5.26 в зависимости от толщины
ограждения Ь, мм. Из точки В проводят влево вниз прямую ВА с наклоном
4 дБ на октаву, из точки С — вправо вверх прямую CD с подъемом
8 дБ на октаву. По полученному графику определяют звукоизоляцию
ограждения. Выбранные ограждающие конструкции отвечают
требованиям норм, если во всех октавных интервалах в диапазоне
63...8000 Гц значение звукоизоляции не менее требуемых значений,
определенных по формуле (5.58).
Таблица 5 26
Материал
Сталь
Алюминиевые сплавы
Стекло силикатное
Асбесто-цементные плиты
Сухая гипсовая штукатурка
/в, Гц
6000/6
6000/6
8000/6
17 000/6
11 000/6
Л, дБ
39
32
35
37
36
/с, дБ
12 000/6
6000/6
16 000/6
34 000/6
22 000/6
Я, дБ
31
22
29
30
30
Для многослойных ограждений частотные характеристики
звукоизолирующей способности приведены в [4]. На определенных
частотах, называемых критическими, звукоизолирующие свойства
ограждений резко ухудшаются. Для материала ограждения
критическая частота
/кр = 6,4 • 104 /(Ьспр), (5.59)
где b — толщина ограждения, м; спр — скорость продольной волны
в пластике, м/с (по справочникам).
Эффективным средством защиты работающих от шума
оборудования является устройство звукоизолированных кабин и постов
управления. Такие кабины представляют собой изолированные поме-
/4^
в
^С
D
174 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
щения, выполненные, как правило, из кирпича, бетона, шлакобетона
или сборных металлических панелей. Требуемую звукоизоляцию
ограждающими конструкциями кабин и постов управления определяют
по (5.58). Подбор конструкции и расчет звукоизоляции производится
аналогично выбору и расчету звукоизолирующего ограждения.
Одним из наиболее эффективных средств уменьшения шума
оборудования является устройство звукоизолирующих кожухов,
полностью закрывающих источник шума. Это позволяет значительно
снизить шум в непосредственной близости к источнику. Кожухи
могут быть съемными и разборными, иметь смотровые окна,
открывающиеся двери, а также проемы для ввода коммуникаций. Стенки
кожуха выполняются из листовых несгораемых или
трудносгораемых материалов (стали, дюралюминия, пластмасс). Внутренняя
поверхность кожуха обязательно должна облицовываться
звукопоглощающими материалами толщиной 30...50 мм для повышения его
эффективности. Стенки кожуха не должны соприкасаться с
изолируемой машиной.
Требуемая эффективность звукоизолирующего кожуха ALK T ,
дБ, определяется по формуле
А^к тр = L* ~ ^доп + 5,
где L — рассчитанный уровень звукового давления в расчетной
точке, дБ; /,доп — допустимый уровень по нормам, дБ.
При проектировании необходимо обеспечить такое снижение
шума кожухом ALK, которое было бы не меньше требуемого AL .
Звукоизолирующая способность кожуха ALK, дБ, зависит от
звукоизоляции его стенок, размеров, наличия и качества
звукопоглощающей облицовки и приближенно может быть определена по формуле
ALK = R + 10 lgcc, (5.60)
где R — звукоизоляция стенок кожуха, определяемая графическим
способом путем изображения ее в виде ломаной линии, построенной
аналогично линии ABCD на рис. 5.35, дБ; а — реверберационный
коэффициент звукопоглощения выбранной конструкции облицовки
внутренней поверхности кожуха.
При отсутствии внутренней звукопоглощающей облицовки
кожуха второе слагаемое 10 lg а в (5.60) следует заменить на
10 lg (SHCT/SK), где SHCT — площадь поверхности источника; SK —
площадь поверхности кожуха.
Если звукоизолирующая способность стенки кожуха ниже
требуемой, то следует увеличить толщину стенки, заменить материал
кожуха или звукопоглощающий материал.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 175
В ряде случаев достаточное снижение шума оборудования
достигается применением акустических экранов, отгораживающих
наиболее шумные агрегаты или участки от соседних рабочих мест.
Использование акустических экранов целесообразно, когда в
расчетной точке уровень звукового давления прямого звука
значительно выше, чем отраженного. Экраны изготавливают из стальных или
алюминиевых листов толщиной 1,5...2 мм. Листы облицовывают
звукопоглощающим материалом толщиной не менее 50 мм. В
акустически необработанных помещениях снижение уровня шума
экраном составляет обычно не более 2...3 дБ. Эффективность экрана
повышается при облицовке звукопоглощающими материалами
прежде всего потолка. помещения. Для оценки среднего по частоте
снижения уровня звукового давления экранами при определенных
соотношениях их высоты и высоты помещения и различных
способах установки звукопоглощающей облицовки используются
данные [9].
Основные методы и средства защиты от шума
Основными характеристиками звукоизоляции при
использовании плотных преград являются масса преграды и частота звука. Чем
больше масса конструкции, тем лучше ее звукоизоляционные
свойства, и чем выше частота изолируемого звука, тем больше эффект
звукоизоляции при той же массе конструкции. Акустические
свойства конструкции, не имеющей отверстий и щелей, определяются в
основном коэффициентами аир, коэффициент т имеет значение в
десятки раз меньше по сравнению саи(3 (см. § 5.2).
Конструкции промышленной звукоизоляции могут иметь
отдельные участки с более низкой звукоизоляцией, чем у основной
конструкции. Такими участками являются щели, технологические
отверстия, иллюминаторы, смотровые окна, двери и т.д. В этом случае
акустические свойства конструкции определяются коэффициентом
прохождения (см. § 5.2). Участки с низкой звукоизоляцией,
значительно снижающие общую звукоизоляцию всей конструкции,
называются акустическими отверстиями.
По особенностям передачи звуковой энергии акустические
отверстия разделяют на большие и малые. Большое акустическое
отверстие характеризуется большим в сравнении с единицей
отношением линейного размера отверстия к длине А, падающей на
отверстие звуковой волны. Практически можно считать, что звуковые
волны проходят через большое акустическое отверстие по законам
176 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
геометрической акустики, и прошедшая через отверстие звуковая
энергия пропорциональна его площади. Большими акустическими
отверстиями в конструкциях промышленной звукоизоляции
являются открытые или закрытые иллюминаторы, окна, двери, люки,
панели с малой звукоизоляцией, вентиляционные проходы и т.д. Малые
акустические отверстия характеризуются малым в сравнении с
единицей отношением линейных размеров отверстия к длине X
падающей волны. В этом случае нельзя пренебречь дифракционными
эффектами (законы геометрической акустики здесь уже
неприменимы), в связи с чем через малое акустическое отверстие при
нормальном падении звуковых волн может проходить гораздо меньще
звуковой энергии, чем содержится в падающих на отверстие звуковых
волнах. Если в звукоизоляции имеется большое количество малых
акустических отверстий (небольшие неплотности конструктивных
соединений панелей с каркасом; щели в притворах дверей,
иллюминаторов и окон; зазоры в местах прохода коммуникаций, валов и
т.д.), то они значительно ухудшают общую звукоизоляцию этих
конструкций. Повышение эффективности промышленной
звукоизоляции часто состоит именно в ликвидации малых акустических
отверстий.
Понятия «большое» или «малое» акустическое отверстие
определяются отношением линейных размеров отверстия к длине
звуковой волны X и, следовательно, зависят от частоты звука f. Поэтому
одно и то же отверстие может обладать свойствами большого
акустического отверстия в области высоких частот и свойствами
малого — в области низких частот.
Влияние большого акустического отверстия в пластине на ее
общую звукоизоляцию покажем на следующем примере. Если
звуковые волны падают на пластину по нормали к ней и излучаются за
пластиной по законам геометрической акустики, а энергию
звуковых волн, прошедших через пластину и отверстие, можно
суммировать и усреднять по площади пластины на достаточном расстоянии
от нее, то общая звукоизоляция пластины с акустическим
отверстием определяется звукоизоляцией пластины без отверстия R$ и
звукоизоляцией акустического отверстия AR0 (при большом отверстии
ДД0 = 0), т.е.
R = RS + AR0 = 10 1g(/,//2) =
= 10 lg [/1(S+S0)/(/2SS +/2oS)], (5.61)
дя0= io-ig[(i+s0/s)io°-6(*s~*°)/U+s0/s)],
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 177
где /[ — интенсивность звуковых волн, падающих на пластину со
звукоизоляцией Rs и акустическим отверстием в пластине со
звукоизоляцией R0, /2 — усредненная по площади интенсивность
звуковых волн, прошедших через пластину с отверстием; /2S —
интенсивность звука; прошедшего через пластину площадью S за вычетом
отверстия; /2о — интенсивность звука, прошедшего только через
акустическое отверстие площадью S0.
Из приведенных выше формул видно, что одно и то же
акустическое отверстие уменьшает общую звукоизоляцию пластины тем
сильнее, чем больше собственная звукоизоляция пластины Rs.
Поэтому при большой звукоизоляции основных конструкций необходимо
увеличивать звукоизоляцию смотровых окон, дверей, люков и лазов
и других больших акустических отверстий в этой конструкции.
В частном случае, когда большое акустическое отверстие
занимает малую площадь по сравнению с площадью пластины (S0/S<1)
и звукоизоляция отверстия равна нулю (например, открытый
иллюминатор в звукоизолированном боксе машины на высоких частотах),
то при достаточно большой собственной звукоизоляции пластины
общая звукоизоляция преграды со сквозным отверстием
определяется выражением
/?*10 1g(S0/S). (5.62)
В этом случае общая звукоизоляция пластины зависит только
от площади отверстия S0 (площадь пластины постоянна) и не
зависит от собственной звукоизоляции пластины. Именно поэтому
сквозные акустические отверстия могут свести на нет все усилия по
созданию высокой звукоизоляции.
Малое отверстие в очень тонкой пластине излучает всегда одно
и то же количество энергии независимо от угла падения звуковых
волн, в то время как падающая на отверстие звуковая энергия
пропорциональна косинусу угла падения. Поэтому в диффузном
звуковом поле, когда звуковые волны одновременно падают под
всевозможными углами, малое акустическое отверстие может пропускать
гораздо больше звуковой энергии, чем это соответствует его
площади. Для малого акустического отверстия (S0/S<\)
&R0 = 10 lg (1+ cpS0/S) 100,"Ч (5.63)
где ф = 3...10 — безразмерный коэффициент, учитывающий
усиление звука в условиях диффузного поля и зависящий от глубины,
формы отверстия и от частоты; в расчетах звукоизоляции пластин,
панелей и т.д. рекомендуется принимать ф = 10.
178 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Идеальным случаем является отсутствие в конструкциях малых
акустических отверстий. Если звукоизолирующая пластина имеет
несколько отверстий, то выражение (5.63) принимает вид
AR= 10 1g(l + cp,Sol/S) ¦ 10а,й* + (cp2So2/S)- Ю0,1Й* +
+ ... + (фД^/S) ¦ Юа'Ч (5.64)
где Sol, So2, ..., Son — площади акустических отверстий; фь ф2, ...,
ф„ — безразмерные коэффициенты.
Для увеличения звукоизоляции акустического отверстия
необходимо уменьшить площадь отверстия, увеличить его глубину,
заполнить отверстие звукоизолирующим материалом.
Одним из эффективных средств снижения шума является
применение в конструкциях звукопоглощающих материалов
(приложение 5.6). Эффективность звукопоглощающих материалов по
уменьшению шума определяется их коэффициентом звукопоглощения а.
Для мягких пористых материалов а = 0,2 ..0,9. Для плотных и
твердых материалов (кирпич, дерево) а составляет сотые доли единицы.
Акустические свойства помещения зависят от количества и
качества размещенного в нем звукопоглощающего материала и от его
коэффициента звукопоглощения а.
Полное звукопоглощение материала
А = otS,
где S — площадь данного материала, м2.
Общее суммарное звукопоглощение помещения Лобщ
определяется суммой полных поглощений отдельных поверхностей этого
помещения:
п
<4о6щ = <\р ? S, = a,S, + a2S2 + ... + anSn, (5.65)
i = i
где acp — средний коэффициент звукопоглощения:
п п
аср = X <*, V? S„ (5.66)
1=1 i=i
где ос, — коэффициент звукопоглощения г'-й поверхности; Sh S2,...,
Sn — площади поверхностей помещения; at, a2, ..., a„ — коэффи-
п
циенты звукопоглощения отдельных поверхностей; V S, — пол-
< = 1
ная площадь поверхностей помещения.
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 179
В табл. 5.24 приведены значения реверберационного
коэффициента некоторых звукопоглощающих материалов для внутренней
облицовки помещений.
Согласно ГОСТ 23499-79, звукопоглощающие материалы
классифицируются по форме, жесткости, возгораемости и структуре.
Звукопоглощающие материалы делятся по форме на: штучные (балки и
плиты), рулонные (маты, холсты, прокладки), рыхлые и сыпучие
(вата и сыпучие наполнители). По жесткости звукопоглощающие
материалы и изделия подразделяются на мягкие, полужесткие и
твердые; по возгораемости — на несгораемые, трудносгораемые и
сгораемые; по структуре — на пористоволокнистые (из минеральных,
стеклянных, базальтовых и других волокон), пористоячеистые (из
ячеистого бетона и перлита), пористогубчатые (пенопласты, пористые
резины). Ниже приведены сведения о некоторых звукопоглощающих
материалах, выпускаемых отечественной промышленностью.
Изделия звукопоглощающие марки БЗМ представляют собой
маты из базальтовой ваты с волокнами 1...3 мкм в оболочке из
стеклоткани или из кремнеземной ткани, прошитые
соответствующими нитками. Толщина матов 30, 50, 100 и 200 мм; размеры —
500x500 мм, 500x1000 мм; объемная масса материала 17...
25 кг/м3. Температурный диапазон применения -40...+450°С с
оболочкой из стеклоткани и -40...+700°С с оболочкой из кремнеземной
ткани. Маты негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ.
Холсты из микро-, ультра- и супертонких стекломикрокристалли-
ческих штапельных волокон из горных пород. Обладают свойствами,
аналогичными звукопоглощающим изделиям марки БЗМ. Толщина
холстов 300 мм. Размеры: длина 1100...2100 мм, ширина 500...
1200 мм. Объемная масса 1,9...10 кг/м3; с поджатием — до 20 кг/м3.
Маты из супер- и ультратонкого стеклянного волокна СТВ
представляют собой многослойные холсты из перекрученных
штапельных волокон диаметром не более 3 мм, удерживаемых между собой
силами естественного сцепления. Получаются из стекла щелочного
состава под действием раздува горячими газами. Объемная масса
8... 10 кг/м3. Размеры мата 1100 х 600 мм2, толщина 40, 50 и 60 мм.
Температурный диапазон применения — до 450°С. Материал
негорючий, разрушается под действием влаги (после обработки
водоотталкивающей добавкой ГКЖ-94 может применяться в условиях
повышенной влажности), биостойкий, не выделяет токсичных веществ.
Маты теплозвукоизоляционные марки ATM-10 изготавливаются
из холстов ультра- и супертонкого стекломикрокристаллического
180 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
штапельного волокна из горных пород и используются в интервале
температур -200...+900°С. В зависимости от облицовочного
материала применяются маты ATM-10 трех типов:
• АТМ-10к — облицованные с обеих сторон кремнеземной
тканью;
• ATM-Ют — облицованные с обеих сторон термостойкой
кремнеземной тканью (термостойкие);
• ATM-Юс и ТМ-10 — облицованные с двух сторон стеклянной
тканью.
В промышленной звукоизоляции чаще всего применяют маты
марок АТМ-10с и ТМ-10. Эти маты выпускаются толщинами 5, 16,
15, 20, 30, 50, 60 мм. Размеры матов ATM-Юс и ТМ-10: длина
1100 мм, ширина 600 мм. Объемная масса 20...50 кг/м3. Маты
негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют токсичных
веществ.
Поропласт полиуретановый эластичный марки ППУ-ЭТ
представляет собой газонаполненную пластмассу пористой структуры.
Объемная масса 40 кг/м3. Выпускается в виде пластин длиной
2000 мм, шириной 400, 850 и 1000 мм и толщиной от 5 до 300 мм..
Температурный диапазон применения в необитаемых помещениях
15...100°С; в обитаемых — от 15 до 60°С. Материал влагостойкий
и биостойкий, трудносгораемый. В процессе горения выделяются
токсичные вещества, что ограничивает применение этого материала.
Все эти материалы являются лучшими звукопоглощающими
материалами, одновременно они выполняют функции теплоизоляции.
Однако стоимость их достаточно высока, поэтому на практике
получили широкое применение более дешевые звукопоглощающие
материалы.
Звукопоглощающие плиты «Силакпор», изготавливаются из
ячеистых бетонов автоклавного твердения, имеют пористую структуру
и лицевой слой различной фактуры с неглубокой перфорацией,
окрашенный в различные цвета. Толщина плиты 40 и 45 мм. Размеры:
400x400 и 450x450 мм. Средняя объемная масса 345 кг/м3.
Плиты негорючие, влагостойкие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ.
Акустические гипсовые плиты марки АГП состоят из наружной
перфорированной гипсовой панели, укрепленной ребрами
жесткости, между которыми находится звукопоглотитель из минеральной
или стеклянной ваты, оклеенный с тыльной стороны плиты фольгой.
Коэффициент перфорации панели 12... 15%. Толщина плит 30, 40 и
50 мм, размеры: 600x600 и 810x810 мм. Очень технологичны в
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 181
изготовлении. Плиты трудногорючие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ. Применяются в помещениях с относительной
влажностью не выше 70%. Плиты марки АГП широко используются
для снижения шума и улучшения акустики помещений.
Минераловатные плиты акустические марки ПА
изготавливаются из минеральной ваты марки ВФ-75 и синтетического связующего
в виде композиции поливинилацетатной эмульсии и фенолспиртов.
Синтетическое связующее фиксирует пористость структуры,
полужесткий или жесткий скелет при плотности плит 120... 200 кг/м3.
Изготавливают плиты двух типов: ПА/С — стандартные, ПА/О —
особые. Лицевая поверхность выполняется с несквозной
перфорацией (ПА/О) или с отделкой «набрызгом» (ПА/С). Размер плиты
20 х 500 х 500 мм3. Плиты трудногорючие, биостойкие, не выделяют
токсичных веществ, применяются в помещениях с относительной
влажностью не выше 70%.
В качестве звукопоглощающих материалов могут
применяться также теплоизоляционные плиты из минеральной ваты
(ГОСТ 9573-82), минеральные прошивочные маты из металлической
сетки марки МП/С, войлок из поливинилхлоридных волокон, плиты
из поливинилхлоридного поропласта марки «Винипор», войлок
грубошерстный технический (ГОСТ 6419-81), войлок
полугрубошерстный технический (ГОСТ 6308-71) и другие материалы,
используемые в качестве теплоизоляционных.
Среди применяющихся в качестве звукопоглощающих
материалов в настоящее время наилучшими являются маты и холсты из
базальтового волокна с объемной массой около 20 кг/м3 и
толщиной волокон около 2 мкм. В промышленной звукоизоляции они часто
используются в виде звукопоглощающих облицовок толщиной
20... 100 мм — звукоизолирующей преграды как со стороны
источника звука, так и со стороны рабочего места. Перспективным зву-
копоглотителем является также легкий, эластичный,
трудногорючий пенополиуритан с заглушёнными порами. Он хорошо
сохраняет форму, технологичен в изготовлении и обладает высокими
звукопоглощающими свойствами. Наиболее часто его применяют в
звукопоглощающих кожухах машин.
Для помещений с объемом V, м3, не обработанных специальными
звукопоглощающими материалами, полное звукопоглощение
определяется по следующей формуле:
Л, - 0,35 1^/з
С помощью звукопоглощающих материалов акустические
свойства помещения можно приблизить к условиям свободного звуково-
182 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
го поля. С этой целью поверхности помещения облицовывают
специальными звукопоглощающими материалам.
Если в свободном звуковом поле ослабление звуковой энергии
по мере удаления от источника звука прямо пропорционально
квадрату расстояния от источника, то в закрытом помещении, даже не
облицованном звукопоглощающими материалами, этот закон
распространения звука нарушается, и только на небольших
расстояниях от источника, где энергия прямых звуковых волн значительно
превышает энергию отраженных, звуковая энергия уменьшается с
увеличением расстояния от источника. На некотором расстоянии от
источника энергия прямой волны становится равной энергии
отраженной волны, поэтому при дальнейшем увеличении расстояния от
источника сила звука в помещении не убывает.
Увеличивая звукопоглощение в помещении путем облицовки его
поверхностей материалами с большим коэффициентом а, можно
заметно ослабить энергию отраженных звуковых волн, а
следовательно, и шумность помещения. Ослабление шума в помещении при
увеличении звукопоглощения стен рассчитывается по формуле
AL= Wlg(A2/Al) = 10 1g(a,/a2),
где А2иАх — полное звукопоглощение помещения соответственно
до и после внесения звукопоглощающих материалов; щ и а2 —
коэффициент звукопоглощения помещения соответственно до и после
внесения звукопоглощающих материалов.
В помещении, ограничивающие поверхности которого имеют
аср= 0,02...0,03, источник шума будет создавать шум примерно на
15 дБ выше по сравнению с шумом того же источника,
установленного в том же помещении, но облицованном звукопоглощающим
материалом с аср = 0,9. Эффективность звукопоглощающих
материалов по уменьшению шума в помещениях тем выше, чем меньше
объем помещений.
В ряде случаев при решении задач по звукоизоляции в бытовых
и производственных помещениях можно пользоваться упрощенной
методикой расчета звукоизолирующей способности различных
перегородок между смежными помещениями. Принимая в качестве
исходных данных L\ и L2 — средние уровни шума соответственно до
и после звукоизолирующих перегородок, определим
звукоизолирующую способность перегородки из соотношения
R = Ll-L2=lO\g(S/Ao6u),
где S — площадь звукоизолирующей перегородки, м2; Аобщ —
общее звукопоглощение в тихом помещении, м2; рассчитывается
аналогично (5.65).
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 183
В табл. 5.27 приведены характеристики некоторых
звукоизолирующих материалов, которые достаточно широко применяются на
практике.
Таблица 5.27
Звукоизолирующий материал
ограждения
Бетон и железобетон
Бетон и железобетон
Кирпичная кладка 1 кирпич
То же 1,5 кирпича
Гипсовые перегородки из двух плит
Гипсовые перегородки с воздушным
промежутком между ними 60 мм
Перегородка из железобетонных блоков
Стальной лист
То же
Деревянная оштукатуренная стенка
Стекло
Толщина,
мм
50
- 100
250
380
80
80
9
0,7
2
40
4
Средняя
звукоизолирующая
способность, дБ
44
47
43
49
44
49
42
25
33
32
28
При расчете звукоизоляции ограждения R используют
эмпирические выражения, приведенные в табл. 5.28. Рассмотрим случай,
когда уровень шума на рабочем месте составляет 120 дБ. Оценить
эффективность звукоизоляции стены, отделяющей смежное
помещение и выполненной из кирпича толщиной 370 мм и массой 834 кг 1 м2
кладки. Используя данные табл. 5.28, определяем звукоизоляцию
R = 23 \g т - 9 = 23 lg 834 - 9 = 58 дБ.
Следовательно, уровень шума в смежном помещении
L = Lx-R= 120-58 = 62 дБ.
Таблица 5 28
Вид ограждений
Сплошные ограждения 1 м2, имеющие массу т
материала меньше 200 кг
Сплошные ограждения 1 м2, имеющие массу т
материала более 200 кг
Двойное ограждение 1 м2 и массами первой и второй
перегородок, соответственно, /я, и m2* кг. с воздушной
прослойкой 80 100 мм
Эмпирическое
выражение для расчета
R = 13,5 Igm - 13
R = 23 \gm - 9
/? = 26 Ig(w| - т.4) - 6
При необходимости для определения требуемой звукоизоляции
с помощью ограждающих конструкций можно пользоваться
соотношением
184 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
R = Ll-LA, La = L„- (5...10), (5.67)
где Lx — уровень шума в шумном помещении; LA — допустимый
уровень шума, проникающего в тихое помещение; LH — нормируемый
уровень шума для соответствующего помещения (см. табл. 5.21).
В случае облицовки звукопоглощающими материалами и при
требуемом снижении уровня шума AL в помещении с помощью
звукопоглощающего покрытия (материала)
Й = Lj - AL - Lv
AL = 10 lg[a2S2/(a1S,)], (5.68)
где a[,a2 — коэффициенты звукопоглощения внутренними
поверхностями помещения до и после применения звукопоглощающей
изоляции соответственно (табл. 5.29); остальные величины были
определены в вышеприведенных формулах.
Таблица 5.29
Материал
Железобетон
Гипсолитовые плиты
Штукатурка
Метлахская плитка
Металлические воздуховоды
Шлакоалебастровые плиты
Кирпичная кладка
a
0,015
0,020
0,025
0,025
0,027
0,032
0,032
Материал
Штукатурка акустическая толщиной
35 мм
Стальные перфорированные листы с
прослойкой из минеральной ваты
толщиной 25 мм
Шерстяной войлок толщиной 25 мм
Стальные перфорированные листы с
прослойкой из асбестовой ваты
толщиной 100 мм
Доски толщиной 5 мм
Асбестовый войлок
Штукатурка по металлической сетке
a
0,310
0,480
0,550
0,790
0,310
0,060
0,033
Следовательно, если, например, перед нами поставлена задача
подбора конструкции стенок вентиляционной камеры с целью
снижения уровня шума от вентилятора с Lx = 85 дБ до L2 = 45 дБ, то
согласно (5.67) допустимый .уровень шума, проникающего в
смежное помещение La = LH - 5 = 45 - 5 = 40 дБ.
Несложно убедиться, что в случае устройства ограждающей
перегородки из кирпича
R = L, - La = 85 - 40 = 45 дБ.
Согласно табл. 5.30, для кирпичной кладки (при т > 200 кг/м2)
R = 23 \gm - 9,
следовательно, lg Р = (/? + 9)/23 = 2,35, откуда масса т 1 м2 кладки
должна быть равна 224 кг.
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 185
Используя данные табл. 5.30, можно рассчитать толщину
стен, выполненных из кирпича и удовлетворяющих необходимым
требованиям по звукоизоляции. В рассматриваемом случае при
Y = 1800 кг/м3 толщина кирпичной стены должна быть
b = m/1800 = 224/1800 = 0,125 м =125 мм, т.е. 0,5 кирпича.
Таблица 5.30
Звукоизолирующий материал
Кирпичная стена, имеющая объемную
массу — у = 1800 кг/м3, толщиной 0,5 кирпича
То же толщиной 1 кирпич
То же толщиной 1,5 кирпича
То же толщиной 2 кирпича
То же толщиной 2,5 кирпича
Шлакобетонная стена, имеющая объемную
массу у = 1000 кг/м3
То же
Железобетонная стена, имеющая объемную
массу у = 2400 кг/м3
То же
Толщина,
мм
120
250
380
510
640
40
70
120
150
70
150
Масса
1 м2, кг
216
450
685
920
1150
40
70
120
150
168
240
Я. дБ
44
52
56
59
61
34
38
41
43
43
46
ЛИТЕРАТУРА
1. Астахов Н.В. и др. Вибрации и шум электрических машин. М/ МЭИ,
1984.
2 Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах. М : Радио и связь,
1981.
3. Медведев В.Т. и др. Методы и средства защиты от шума. М.. МЭИ, 1997.
4. Каралюнец А.В., Корочков В.В. Методы и средства снижения шума на
производстве. М.: МЭИ, 1992.
5. Янг С, Эллисон А. Измерение шума машин. М . Энергоатомиздаг, 1988.
6. ГОСТ 27818-88 Допустимые уровни шума на рабочих местах и методы
определения.
7. Радиовещание и электроакустика / Под ред. М.В. Гитлица М/ Радио
и связь, 1989.
8. Контроль шума в промышленности / Под ред Дж.Д Вебба; Пер. с англ.
под ред. И И. Боголепова. Л.: Судостроение, 1961.
9. Борьба с шумом на производстве Справочник / Под ред. Е.Я Юдина.
М/ Машиностроение, 1985
10. Тупое В.Б., Рихтер Л.А. Охрана окружающей среды от шума
энергетического оборудования. М/ Энергоатомиздат, 1993.
11 Рыбальский Н.Г. и др. Экология и.безопасность М.ВНИИПИ, 1992
186 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Приложение 5.1
Допустимые уровни звука в помещениях жилых и общественных
зданий на территории жилой застройки [Л]
Назначение помещений и территорий
Палаты больниц и санаториев
Кабинеты врачей поликлиник, амбулаторий,
диспансеров, больниц, санаториев
Классные помещения, учебные кабинеты,
учительские комнаты, аудитории школ и других
учебных заведений, конференц-залы,
читальные залы библиотек
Жилые комнаты квартир, жилые помещения
домов отдыха, пансионатов, домов-интернатов
для престарелых и инвалидов, спальные
помещения в детских дошкольных учреждениях и
школах-интернатах
Номера гостиниц и жилые комнаты общежитий
Залы кафе, ресторанов, столовых
Торговые залы магазинов, пассажирские залы
аэропортов и вокзалов, приемные пункты
предприятий бытового обслуживания
Территории, непосредственно прилегающие к
зданиям больниц и санаториев
Территории, непосредственно прилегающие к
жилым домам, зданиям поликлиник,
амбулаторий, диспансеров, домов отдыха, пансионатов,
домов-интернатов для престарелых и
инвалидов, детских дошкольных учреждений, школ и
других учебных заведений, библиотек
Территории, непосредственно прилегающие к
зданиям гостиниц и общежитий
Площадки отдыха на территории больниц и
санаториев
Площадки отдыха на территории микрорайонов
и групп жилых домов, домов отдыха,
пансионатов, домов-интернатов для престарелых и
инвалидов, площадки детских дошкольных
учреждений, школ и других учебных заведений
Время суток
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 21 ч
То же
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
То же
С 7 до 23 ч
То же
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
С 23 до 7 ч
С 7 до 23 ч
То же
Уровень
звука,
дБ
35
25
35
40
40
40
45
55
60
45
55
45
60
50
55
45
Максимальный
уровень
звука, дБА
50
40
50
55
55
45
60
70
75
60
70
60
75
65
50
60
Глава 5. Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 187
Приложение 5.2
Снижение уровня шума различными видами зеленых насаждений 111 ]
Ширина
полосы, м
10
15
15
20
20
25
30
Конструкция и дендрологический состав полосы
Три ряда лиственных деревьев —• клена остролистного, вяза
обыкновенного, липы мелколистной, тополя
бальзамического (в рядовой конструкции посадок), с кустарником в живой
изгороди и подлеском из клена татарского, спиреи калино-
листной, жимолости татарской
Четыре ряда лиственных деревьев —¦ липы мелколистной,
клена остролистного, тополя бальзамического (в рядовой
конструкции посадок), с кустарником в двухъярусной живой
изгороди и подлеском из акации желтой, спиреи калино-
листной, гордовины, жимолости татарской
Четыре ряда хвойных деревьев — ели, лиственницы
сибирской (в шахматной конструкции посадок), с кустарником в
двухъярусной живой изгороди из дерна белого, клена
татарского, акации желтой, жимолости татарской
Пять рядов лиственных деревьев —липы мелколистной,
тополя бальзамического, вяза обыкновенного, клена
остролистного (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в живой изгороди и подлеском из спиреи калино-
листной, жимолости татарской, боярышника сибирского
Пять рядов хвойных деревьев — лиственницы сибирской,
ели обыкновенной (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в двухъярусной живой изгороди и подлеском
из спиреи калинолистной, акации желтой, боярышника
сибирского
Шесть рядов лиственных деревьев — клена остролистного,
вяза обыкновенного, липы мелколистной, тополя
бальзамического, (в шахматной конструкции посадок), с
кустарником в живой изгороди и подлеском из дерна белого,
боярышника сибирского, клена татарского
Семь-восемь рядов лиственных деревьев —липы
мелколистной, клена остролистного, тополя бальзамического,
вяза обыкновенного, (в шахматной конструкции посадок),
с кустарником в живой изгороди и подлеском из клена
татарского, жимолости татарской, боярышника сибирского,
дерна белого
Снижение
уровня
шума, дБА
4,..5
5...6
8..10
6...7
9..11
7..8
8...9
188 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Приложение 5.3
Допустимые уровни шума на территориях различного назначения
Территория
Селитебные зоны населенных мест
Зоны массового отдыха
Территории сельскохозяйственного назначения
Заповедники и заказники
Допустимые уровни шума, дБА
Ночь
45
35
45
До 30
День
60
50
50
До 35
Приложение 5.4
Снижение уровня звука наружными ограждениями с оконными
проемами [ 11J
Тип заполнения
оконного проема
Открытое окно
Открытая форточка
Одинарный
переплет
Спаренный
переплет
Двойной переплет
Конструкция окна
Толщина
окна, мм
_
—
1,5 2
4 5
6 8
1,5 2
4 5
6 8
! 5 2
4 5
6 8
Воздушный
промежуток
между
стемами
__
—
—
—
—
3 5
3 5
3 5
10 12
20 25
10 12
20 25
10 12
20 25
Снижение уровня звука, дБА
Притворы
без
прокладок
5
10
20
21
24
21
23
25
31
34
35
38
37
40
Притворы с
уплотняющими про
кладками
—
—
20
23
27
22
25
28
36
39
40
44
42
46
Глухое
остекление
—
—
22
26
29
24
27
30
38
41
43
46
45
48
Глава 5 Шум (звук) и вибрации в окружающей среде 189
Приложение 5.5
Стандартные характеристики и эффективность различных типов и
групп противошумов 111 ]
Тип
Наушники
Вкладыши
Шлемы
Группа
А
Б
В
А
Б
В
—
Ослабление шума, дБ, на частотах, Гц
125
12
5
—
10
5
5
17
250
15
7
—
12
7
5
20
500
20
15
5
15
10
5
25
1000
25
20
15
17
12
7
30
2000
30
25
20
25
20
15
35
4000
35
30
25
30
25
20
40
8000
35
30
25
30
25
20
40
Масса,
кг (не
более)
0,35
0,28
0,15
—
—
—
0,85
Сила
прижатия,
Н«)
8
5
4
—
—
—
Приложение 5.6
Частотные характеристики звукоизолирующей способности
ограждений [11|
Материал или тип
ограждения
Толщина,
мм
Средняя геометрическая частота, Гц
63 i 125 | 250 | 500 | 1000 I 2000 | 4000 I 8000
Звукоизолирующая способность, дБ
Однослойные ограждения
Железобетонные
плиты
Стеклоблоки БК-98
Фанера
Сталь
Дюралюминий
50
100
200
300
400
98
3
5
10
0,7
1,0
2
3
5
8
1
2
3
32
36
39
41
42
36
9
13
17
8
13
16
19
22
24
6
10
12
36
36
39
41
42
37
12
16
20
15
17
20
23
26
38
10
15
16
36
36
39
41
43
40
16
19
23
19
21
24
27
32
41
14
19
20
36
36
41
45
43
42
18
22
26
23
25
28
31
35
42
18
23
24
36
40
47
50
53
45
21
25
28
26
28
32
35
35
39
22
26
28
41
46
52
55
38
48
24
27
28
30
32
36 .
37
33
38
25
31
31
46
52
57
60
63
50
27
25
29
34
36
35
38
35
41
29
35
22
52
57
62
65
68
—
26
29
33
37
35
33
39
—
—
28
—
30
190 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Продолжение приложения 5.6
Материал или тип
ограждения
Стекло органическое
Стекло силикатное
Оконный блок (2
стекла по 3 мм, воздушный
промежуток 170 мм,
притворы с
уплотняющими прокладками)
Толщина,
мм
4
5
10
20
3
6
Средняя геометрическая частота, Гц
63 | 125 | 250 | 500' | 1000 | 2000 | 4000 | 8000
Звукоизолирующая способность, дБ
13
15
11
16
8
12
27
17
19
17
21
12
18
33
22
23
22
28
16
18
33
25
27
30
33
18
20
36
29
30
33
33
20
23
38
28
25
33
33
22
25
38
24
27
33
33
20
25
38
31
33
37
42
18
24
Слоистые конструкции
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Стальной лист
Минералованная
плита у = ЮО кг/м
Стальной лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Дюралевый лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Дюралевый лист
Стальной лист
Минералованная
плита у = 100 кг/м
Стальной лист
2
80
2
160
5
80
5
160
2
80
3
3
80
5
—
—
—
—
15
17
25
28
28
37
20
26
34
39
41
43
28
37
43
49
51
51
36
45
48
53
55
55
43
52
50
53
56
53
50
55
50
54
52
58
—
57
—
—
55
60
Перекрытия
Тип 1
Тип II
Тип III
Тип IV
—
—
—
—
—
—
37
44
38
50
42
54
39
55
46
60
46
56
52
68
54
60
58
75
63
68
67
83
68
67
74
92
—
_
78
97
Глава 6. Электричество и окружающая среда
191
Глава 6. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
6.1. Электрический ток и человек
Современное производство характеризуется широким
применением различных электроустановок. В этой связи большое значение
в общей системе инженерно-экологических мероприятий
приобретают вопросы обеспечения электробезопасности. Согласно ГОСТ
12.1.009-76 «ССБТ. Электробезопасность. Термины и определения»
электробезопасность — это система организационных и
технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от
вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической
дуги, электромагнитного поля и статического электричества.
Электрический ток, проходя через организм человека, оказывает
термическое, электролитическое, динамическое и биологическое
воздействия. Термическое действие тока проявляется в ожогах
отдельных участков тела человека, нагреве отдельных тканей и
органов. Электролитическое действие тока проявляется в разложении
органической жидкости, в том числе крови и лимфы, что вызывает
нарушение ее физико-химического состава. Биологическое
действие тока проявляется в рефлекторной реакции центральной нервной
системы на действие тока: в нарушении внутренних
биоэлектрических процессов в организме человека; в раздражении и возбуждении
живых тканей, что приводит к нарушениям нормального
функционирования жизненно важных органов, таких как сердце, легкие и т.д.
Отличие действия электрического тока на человека от действия
других опасных производственных факторов заключается в том, что
человек без специальных приборов не может определить наличие
или отсутствие напряжения на электроустановке. Следовательно,
защитная реакция организма проявляется уже после того, как
человек попал под действие тока, или после превращения электрической
энергии в другие виды энергии — тепловую, световую и др.
Действие электрического тока, электрической дуги,
электромагнитного поля и статического электричества на человека приводит к
электротравме [1]. Электротравмы можно условно разделить на три
группы: местные электротравмы; общие электротравмы, или
электрические удары, и смешанные электротравмы, т.е.
одновременные местные электротравмы и электрические удары (рис. 6.1).
Из общего числа учитываемых электротравм 80% приходится на
192 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Электротравмы
Общие
(электрические удары)
Электрические знаки
Местные
Механические
повреждения
Смешанные
Металлизация кожи
Электрические
ожоги
Электроофтальмия
Рис 6 1 Виды электротравм
Сопротивление тела
человека
Продолжительность
прохождения тока
Значение тока,
проходящего через
тело чеолвека
Напряжение,приложенное
к телу человека
Факторы, влияющие на исход
поражения электрическим током
Путь прохождения тока
Род и частота тока
Индивидуальные
свойства человека
Рис 6 2 Факторы влияющие на исход поражения током
электрические удары (25% — электрические удары без местных
электротравм, 55% — смешанные) Электрический удар
представляет собой общую электротравму, вызванную возбуждением живых
тканей организма человека проходящим через него электрическим
током, сопровождающуюся судорожными сокращениями мышц
Исход поражения человека электрическим током и тяжесть
электротравмы зависят от многих факторов (рис 6 2)
Правильно оценить опасность поражения электрическим током
позволяют предельно допустимые значения напряжений принос-
Глава 6 Электричество и окружающая среда
193
новения и токов, протекающих через тело человека в нормальном
и аварийном режимах работы производственных и бытовых
электроустановок напряжением до и выше 1 кВ в зависимости от
продолжительности воздействия тока [1] Напряжения прикосновения Unp и
токи /А, протекающие через тело человека при нормальном
(неаварийном) режиме электроустановки, не должны превышать значений,
указанных в табл 6 1 Предельно допустимые уровни напряжении
прикосновения и токов при аварийном режиме производственных
электроустановок напряжением до 1 кВ с заземленной или
изолированной нейтралью и выше 1 кВ с изолированной нейтралью не
должны превышать значений, указанных в табл 6 2 и 6 3 соответственно
Таблица 6 1
Род и частота тока
Переменный 50 Гц
Переменный 400 Гц
Постоянный
Допустимое Un„ В, не
более
2,0
30
8,0
Допустимый /Л мА, не
более
03
04
1,0
Примечания 1 Значения Un и //, установлены исходя из реакции человека
на воздействие не более Ю мин в сутки
2 Значения Un„ и /л для лиц, выполняющих работу в условиях высоких темпе
ратуры (выше 25°С) и влажности (относительная влажность более 75%), должны
быть уменьшены в три раза
Условия поражения человека электрическим током возникают
при включении его в электрическую цепь электроустановки или при
попадании в зону действия электрической дуги
Опасность поражения человека электрическим током зависит от
целого ряда факторов (рис 6 3)
Схема включения
человека в цепь
электрического тока
Напряжение сети,
питающей электрическую
установку
I
Сопротивление
проводов сети
относительно земли
Факторы, влияющие на исход
поражения электрическим током
Режим работы сети
(нормальный
или аварийный)
Тип сети
и режим нейтрали
Емкость проводов
отностительно
земли
Рис 6 3 Факторы характеризующие опасность поражения человека
электрическим током
7-4910
194 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Таблица 6 2
Род и частота
тока и
нормируемая
величина
Переменный
50 Гц
^пр.в
4, мА
Переменный 400 Гц
"„„в
//,, мА
Постоянный
ипр, в
4, мА
Выпрямленный
двухполупериодн ый
^пр ампл, °
Выпрямленный
однополупериодный
ипр ампл' D
Примечание 3
(переменным) и не?
0,01.
0,08
650
650
650
650
650
начени
юлевы
Допустимые значения (/пр, Ih, не более, при
продолжительности воздействия г, с
0,1
500
500
500
500
500
я U„
и (по
0,2
250
500
400
400
400
р и 4
стоя
0,3
165
330
350
300
300
, при
гШЫМ
0,4
125
250
300
270
250
1 >
) ток
0,5
100
200
250
230
200
1,0 с
ам.
0,6
85
170
240
220
190
C001
0,7
70
140
230
210
180
0,8
65
130
220
200
170
0,9
55
ПО
210
190
160
гветствуют отп
1,0
50
100
200
180
150
>1,0
36
6
36
8
40
15
ускающим
Таблица 6 3
Продолжительность
воздействия t, с
0,01 0,08
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Примечание
Допустимые значения
^„р. В
220
200
100
70
55
50
Значения U
lh, мА
220
' 220
100
70
55
50
1р и /,, устан
Продолжительность
воздействия /, с
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Свыше 1,0
эвлены для людей
Допустимые значения
"пр. В
40
35
30
27
25
12
с массой от
4, ыА
40
35
30
27
25
2
15 кг
Существуют различные «схемы включения» человека в
электрическую цепь тока (наиболее характерные «схемы включения»
показаны на рис. 6.4. на примере трехфазной сети с изолированной
нейтралью):
• двухфазное (двухполюсное) прикосновение — одновременное
прикосновение к проводникам двух фаз (двум полюсам)
действующей электроустановки (поз. /);
Глава 6. Электричество и окружающая среда
195
i t t i i
Рис 6.4. Характерные схемы включения человека в электрическую сеть
• однофазное (однополюсное) прикосновение — прикосновение
к проводнику одной фазы (одному полюсу) действующей
электроустановки (поз. 2);
• прикосновение к нетоковедущим частям электроустановок,
оказавшимся под напряжением в результате повреждения изоляции
(прикосновение к корпусу электроустановки с поврежденной
изоляцией) (поз. 3);
• включение под напряжение шага — включение между двумя
точками земли (грунта), находящимся под разными потенциалами.
Анализ опасности поражения человека электрическим током в
электроустановках сводится к определению силы тока,
протекающего в теле человека /А, которое зависит от напряжения прикосновения
или напряжения шага.
Напряжение прикосновения — это разность потенциалов
между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается
человек, или иначе — это падение 'напряжения на сопротивлении
тела человека Rh:
Uh = IhRh, (6.1)
где Uh — напряжение прикосновения, В; Ih — ток, протекающий
через тело человека путями рука—ноги или рука—рука, мА; Rh —
активное сопротивление тела человека, Ом (для расчетов обычно
принимают Rh = 1 кОм).
Если человек стоит на земле и касается заземленного корпуса
электроустановки, на который замкнулся фазный провод (в
дальнейшем будем употреблять стандартизированный термин «при замыка-
7-
196 Часть I Место инженерной экологии в системе знани/i о человеке и природе
Рис 6 5 Напряжение прикосновения при замыкании на заземленный корпус
нии на корпус»), как это показано на рис. 6.5, то напряжение
прикосновения
Uh = Фз ~ Фос <6-2)
где фз — потенциал заземленного корпуса, т.е. потенциал рук
человека, В; фос — потенциал основания в том месте, где стоит
человек, т.е. потенциал ног, В.
Проведя простые преобразования, выражение (6.2) можно
записать в виде
Uh = Фз (1 - Фос/Фз) = Ф3а- (6.3)
где а— коэффициент напряжения прикосновения.
Напряжением шага называется разность потенциалов между
двумя точками электрической цепи, которых одновременно касается
ногами человек, или иначе — это падение напряжения на
сопротивлении тела человека:
иш = к ДЛ, (6.4)
где Uш — напряжение шага, В; lh — ток, протекающий через тело
человека по пути нога—нога, мА.
Если человек стоит на земле вблизи заземленного корпуса
электроустановки, на который замкнулся фазный провод, как это
показано на рис. 6.6, то уравнение для определения напряжение
шага может быть записано как
^ш = Ф* ~ Ф*+а. (6-5)
Глава 6 Электричество и окружающая среда
197
Ф-/ Р
~3 '3*3
Рис 6 6 Напряжение шага
где фг — потенциал точки на поверхности земли на расстоянии от
заземлителя, В; ipx+a — потенциал точки на поверхности земли на
расстоянии х + а от заземлителя, В; а — длина шага, обычно
принимается равной 0,8 м.
По аналогии с напряжением прикосновения выражение для
напряжения шага можно записать в виде
иш = ФзР, 6.6)
где (3 — коэффициент напряжения шага:
Р = (ф1-ф1 + 0уф, (6.7)
Коэффициент напряжения шага (3 < 1 зависит от характера
распределения потенциалов на поверхности грунта вблизи
заземлителя и места нахождения человека по отношению к заземлителю.
Из (6 3) и (6 7) следует, что напряжение прикосновения и
напряжение шага являются частью потенциала заземленного корпуса
электроустановки или, что одно и тоже, потенциала заземлителя,
который можно определить через ток, стекающий по нему в землю:
Фз = hK (6.8)
где /3 — ток замыкания на землю, мА; /?3 — сопротивление
заземлителя растеканию тока', Ом
198 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Учитывая (6 8), напряжение прикосновения и напряжение шага
можно определить из уравнений-
Uh = /3 /?3а, (6.9)
?/ш = /3Я3Р (6.10)
При двухфазном прикосновении (см рис. 6.4) ток, протекающий
через тело человека, и напряжение прикосновения определяются из
уравнений:
lh = y[3U/Rh, (6.11)
Uh = <3 U, (6 12)
где U — фазное напряжение сети, В.
Из (6.11) и (6.12) следует, что при двухфазном прикосновении
человек попадает под линейное напряжение сети вне
зависимости от типа сети, режима нейтрали, режима работы сети,
сопротивлений изоляции проводов относительно земли. Такая схема
включения человека в электрическую цепь электроустановки
представляет большую опасность. Случаи двухфазного
(двухполюсного) прикосновения происходят сравнительно редко и являются,
как правило, результатом работы под напряжением в
электроустановках до 1 кВ, что является нарушением правил и инструкций
выполнения работ.
При однофазном прикосновении человек попадает под
напряжение Uh, значение которого зависит от многих факторов. Эта схема
включения человека в электрическую цепь тока является менее
опасной, чем двухфазное прикосновение, и на практике она
встречается значительно чаще. Например, электротравмы со
смертельным исходом при однофазном прикосновении составляют 70...80%.
Причем большинство из них происходит в^ сетях 380/220 В.
Для трехфазной трехпроводнои сети с изолированной
нейтралью, напряжением до 1 кВ (рис 6.7) характерным является то, что
при однофазном прикосновении значение тока /А, проходящего через
тело человека при нормальном режиме работы сети, тем меньше,
чем меньше рабочее напряжение сети (фазное напряжение) и чем
больше сопротивление изоляции проводов относительно земли.
Действительно, ток, протекающий через тело человека, и напряжение
прикосновения описываются следующими выражениями [2]:
Уд(1 -а2)+ Yc(\ -a)
L=UGh— —— -, 6.13
h YA + YB+Yc + Gh
Глава 6 Электричество и окружающая среда
199
О
I <в!
п
-о В
Рис 6 7 Трехфазная трехпроводная сеть с изолированной нейтралью
и. =и
Уд (1 - дД) + Ус (1 - Д)
YA + YB+Yc + Gh '
где YA, YB, Yc — полные проводимости изоляции фазных проводов
относительно земли в комплексной форме:
ya = Jf + 1®СА' yb = Jf + 1<*св< Yc = -ff + /<oCc,
U — фазное напряжение сети, В; Gh = 1 /Rh — проводимость тела
человека; а — фазный коэффициент, учитывающий сдвиг фаз.
При равенстве проводимостей фазных проводов относительно
земли (YA = YB = Yc = Y) ток, протекающий через тело человека,
и напряжение прикосновения определяются следующим образом.
или
L = UGh
I,
3Y
3K+G,
U
Rh + Z/3
(6 14)
(6.15)
где Z — комплекс полного сопротивления фазного провода
относительно земли, Ом:
Y 1/Я + ушС'
(6.16)
где R — активное сопротивление изоляции фазного провода
относительно земли; С — емкость фазного провода относительно
земли.
200 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 8 Сеть с изолированной нейтралью (аварийный режим работы)
При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводов
относительно земли (RA - RB = Rc - R) и отсутствии емкостей (СА =
= СВ = Сс = С = 0)
L = . (6.17)
h Rh + Я/3
При аварийном режиме работы сети (рис. 6.8), когда один из
фазных проводов, например провод В, замкнулся на землю,
опасность поражения током человека, прикоснувшегося к исправным
фазным проводам, значительно возрастает. В этом случае ток,
протекающий через тело человека:
U* (6.18)
L
Д/, + Д3
где /?зм — сопротивление в месте замыкания фазного провода В на
V3M
землю.
Так как обычно выполняется условие R3M <3C Rh, то
/A = (i/V3)/aA; f/h=f/V3.
Для трехфазной сети с заземленной нейтралью, напряжением
до 1 кВ значения тока, протекающего через тело человека, и
напряжение прикосновения определяются фазным напряжением сети
и не зависят от сопротивления изоляции и емкости проводов
относительно земли (рис. 6.9). Действительно, проводимости фазных
и нулевого (PEN)1 проводников относительно земли по сравнению
1 PEN — проводник, сочетающий свойства нулевого рабочею и нулевого
защитного проводников.
Глава 6 Электричество и окружающая среда
201
О
-° с
-° PEN
In с 6 9 Прикосновение человека к фазному проводу трехфазной четырехпровод-
ной сети с заземленной нейтралью
с У0 = 1//?0 (проводимостью заземления нейтрали) малы (YA, YB,
УС<5С У0), а выражение для тока, протекающего через тело человека,
имеет вид
К = U/(Rh + R0),
(6.19)
где R0 — рабочее сопротивление заземления нейтрали.
Напряжение прикосновения в этом случае определяется из
уравнения
U„ = URh/(Rh + Д0). (6.20)
Так как обычно R0 <SC Rh, то можно считать, что человек в этом
случае попадает практически под фазное напряжение сети. В
аварийном режиме работы сети при прикосновении человека к
исправному проводу сети напряжение прикосновения всегда меньше
линейного, но больше фазного, т.е. t/V3" > U\ > U. Конкретное
значение напряжения прикосновения зависит от соотношения
сопротивлений в месте замыкания на землю Rm и заземления
нейтрали R0.
Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) определено
понятие «электроустановка». Электроустановкой принято называть
совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного
оборудования (вместе с сооружениями и помещениями),
предназначенных для производства, преобразования, трансформации,
распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды
энергии.
202 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Все электроустановки по условиям электробезопасности
подразделяются:
• на электроустановки напряжением до 1 кВ с заземленной
нейтралью;
• электроустановки напряжением 1кВ с изолированной
нейтралью;
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с
эффективно заземленной нейтралью (с большими токами замыкания на
землю);
• электроустановки напряжением выше 1 кВ в сетях с
изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю).
Нейтральной точкой, или просто нейтралью, называется
общая точка обмоток многофазных электрических генераторов или
трансформаторов, в которой электрические напряжения по
отношению ко всем внешним зажимам в нормальном режиме одинаковы по
абсолютному значению.
Изолированной нейтралью называется нейтраль
трансформатора или генератора, не присоединенная к заземляющему
устройству или присоединенная к нему через приборы сигнализации,
измерения, защиты, заземляющие дугогасящие и подобные им
устройства, имеющие большое сопротивление.
Заземленной нейтралью называется нейтраль трансформатора
или генератора, присоединенная к заземляющему устройству
непосредственно или через малое сопротивление, например через
трансформаторы тока.
Условия поражения людей электрическим током в большой
степени зависят от характера окружающей среды и окружающей
обстановки. Опасность поражения током в зависимости от этих
факторов может возрастать или ослабляться. Это объясняется тем, что
характер окружающей среды оказывает значительное влияние
на состояние изоляции электроустановки. Например,
неблагоприятные условия в окружающей среде приводят к снижению
сопротивления изоляции, создавая опасность появления напряжения
на нетоковедущих частях электроустановок. Состояние
окружающей среды влияет на электрическое сопротивление тела человека.
Например, при повышенной температуре окружающего воздуха и
повышенной влажности сопротивление уменьшается.
Опасность поражения людей электрическим током усиливается
при наличии токопроводящих полов, а также в тех случаях, когда
имеется возможность одновременного прикосновения к
электроустановке и электропроводящим предметам, имеющим связь с землей.
Например, если человек одновременно коснется электроустановки,
Глава 6. Электричество и окружающая среда
203
случайно оказавшейся под напряжением, и металлической
конструкции, имеющей связь с землей, то через тело будет протекать
ток, который может вызвать электротравму.
В отношении опасности поражения людей электрическим током
все помещения разделяются на три группы: помещения без
повышенной опасности; помещения с повышенной опасностью; особо
опасные помещения.
В помещениях без повышенной опасности* отсутствуют
условия, создающие повышенную или особую опасность.
Помещения с повышенной опасностью характеризуются
наличием в них одного из следующих условий, создающих повышенную
опасность:
• токопроводящая пыль или сырость;
• токопроводящие полы (металлические, земляные,
железобетонные, кирпичные и т.п.);
• высокая температура (жаркие помещения);v
• возможность одновременного прикосновения к имеющим
соединения с землей металлоконструкциям зданий, технологическим
аппаратам, механизмам, с одной стороны, и к металлическим
корпусам электрооборудования — с другой.
Особо опасные помещения характеризуются наличием одного
из условий:
¦ повышенная сырость;
• химически активная или агрессивная среда;
• наличие одновременно двух или более условий повышенной
опасности.
Примеры особо опасных помещений: котельные, мазутно-насо-
сные цехи.
Электроустановки могут быть открытыми (наружными), если
они не защищены зданиями от атмосферных воздействий, или
закрытыми (внутренними), если они размещены внутри зданий,
защищающих их от атмосферных воздействий. В отношении
опасности поражения электрическим током территории наружных или
открытых электроустановок приравниваются к особо опасным
помещениям.
Электробезопасность должна обеспечиваться: конструкцией
электроустановок; техническими мероприятиями, способами и
средствами; организационными мероприятиями [2].
Для обеспечения защиты от поражения электрическим током в
электроустановках должен применяться по крайней мере один из
технических способов и средств защиты, классификация которых
представлена на рис. 6.10, или их сочетания. Выбор того или иного
Технические способы и средства защиты
от поражения электрическим током
Защита от прикосновения
к токоведущим частям
Защитные оболочки
Электрозащитные ограждения
(временные или стационарные)
Безопасное расположение
работающих и используемых
механизмов и приспособлений
Индикация напряжения
и сигнализация об опасности
поражения электрическим током
Изолирование рабочего места
Защитная изоляция
Электрозащитные средства
Защита при прикосновении
к токоведущим частям
Защитное отключение
Применение малых напряжений
Защитное шунтирование
Защитное разделение сетей
Изолирование рабочего места
Выравнивание потенциалов
Электрозащитные средства,
блокировки аппаратов
и ограждающие устройства
Защита при прикосновении
к нетоковедущим частям, могущим
оказаться под напряжением
Защитное заземление
Зануление
Защитное отключение
Выравнивание потенциалов
Защитное разделение сетей
Защитное изолирование
Применение малых напряжений
Компенсация токов
замыкания на землю
Рис 6 10 Классификация технических способов и средств защиты от поражения электрическим током
Глава 6 Электричество и окружающая среда
205
способа или средства защиты в конкретной электроустановке и
эффективность его применения зависят от ряда факторов, в том числе:
номинального напряжения; рода, формы и частоты тока
электроустановки; способа электроснабжения (от стационарной сети, от
автономного источника питания электроэнергией); режима нейтрали
(средней точки истрчника постоянного тока) источника тока —
изолированная нейтраль, заземленная нейтраль; вида исполнения
(стационарные, передвижные, переносные); условий внешней среды;
схемы возможного включения человека в цепь протекания тока
(однофазное, двухфазное прикосновение; включение под
напряжение шага); вида работ (монтаж, наладка, испытания) и др.
Рассмотрим некоторые технические способы и средства защиты
от поражения электрическим током.
Защитное заземление — это преднамеренное электрическое
соединение с землей или ее эквивалентом нетоковедущих
электропроводящих частей, а также отключенных токоведущих частей,
которые могут оказаться под напряжением. Основным назначением
защитного заземления является обеспечение защиты от поражения
электрическим током при замыкании на корпус. Принцип действия
защитного заземления заключается в снижении напряжения
прикосновения и шага при замыкании на корпус до допустимых
значений.
Рассмотрим два случая Корпус электроустановки не заземлен.
В этом случае прикосновение к корпусу электроустановки также
опасно, как и прикосновение к фазному проводу сети. Корпус
электроустановки заземлен (рис. 6.11) . В этом случае напряжение
корпуса электроустановки относительно земли уменьшится и станет
U3 = I3R3, (6.21)
а напряжение прикосновения и ток, протекающий через тело
человека, будут определятся выражениями:
Uh = I3R3a,Ih = I3^-a, (6.22)
где а — коэффициент напряжения прикосновения.
Уменьшая сопротивление заземлителя растеканию тока R3,
можно уменьшить напряжение корпуса электроустановки
относительно земли, в результате чего уменьшаются напряжение
прикосновения и ток, протекающий через тело человека. Заземление будет
эффективным лишь в том случае, если ток замыкания на землю /3
практически не увеличивается с уменьшением сопротивления
заземлителя. Такое условие выполняется в сетях с изолированной ней-
206 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 11 Схема сети с изолированной нейтралью и защитным заземлением
электроустановки
тралью, напряжением до 1 кВ, так как в них ток замыкания на землю
в основном определяется сопротивлением изоляции проводов
относительно земли, которое значительно больше сопротивления зазем-
лителя (рис. 6.11).
В сетях переменного тока с заземленной нейтралью,
напряжением до 1 кВ защитное заземление в качестве защиты от
поражения электрическим током не применяется, так как
неэффективно (рис. 6.12).
Область применения защитного заземления:
• электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных трех-
проводных сетях переменного тока с изолированной нейтралью;
а
о
г*
МУ
? ?00
-° в
-° с
-о PEN
Рис 6 12 Схема сети с заземленной нейтралью и защитным заземлением
электроустановки
Глава 6 Электричество и окружающая среда
207
Рис 6 13 Выносное заземляющее устройство
• электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных
двухпроводных сетях переменного тока, изолированных от земли;
• электроустановки напряжением до 1 кВ в двухпроводных
сетях постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток
источника тока;
• электроустановки в сетях напряжением выше 1 кВ
переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали или средней
точки обмоток источников тока.
Заземляющим устройством называется совокупность за-
землителя и заземляющих проводников. Различают два типа
заземляющих устройств, выносное и контурное.
Выносное заземляющее устройство (сосредоточенное) (рис. 6.13)
характеризуется тем, что заземляемое оборудование располагается
на определенном удалении от заземляющего устройства, вне зоны
растекания тока заземлителя. Зона растекания тока — зона
земли, в пределах которой возникает электрический потенциал при
прохождении тока замыкания на землю На практике эта зона
растекания тока ограничена радиусом 20 м. Особенность выносного
заземляющего устройства заключается в том, что человек,
касающийся корпуса электроустановки, на который произошло замыкание,
всегда попадает под напряжение прикосновения, равное полному
напряжению корпуса относительно земли. Это объясняется тем, что
потенциал грунта, на котором расположена электроустановка, равен
нулю, а корпус электроустановки имеет потенциал заземлителя.
В этом случае а = 1 (см. рис. 6.13). Это обстоятельство можно
отнести к недостаткам выносного заземляющего устройства. Досто-
208 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Та
Рис 6 14 Контурное заземляющее устройство
инством выносных заземляющих устройств является возможность
размещения электродов заземляющего устройства в местах с
наименьшим удельным сопротивлением грунта.
Контурное заземляющее устройство (распределенное)
характеризуется тем, что заземлители располагаются по контуру вокруг
заземляемого оборудования в непосредственной близости от него, в
зоне растекания тока (рис. 6.14). Основной особенностью
контурного заземляющего устройства является то, что грунт внутри
контура заземления при замыкании на корпус приобретает некоторый
потенциал, близкий по значению к потенциалу заземленного
электрооборудования. При этом напряжение прикосновения
уменьшается, а коэффициент напряжения прикосновения а < 1.
Искусственные заземлители могут быть выполнены в виде
вертикальных и горизонтальных электродов и применяются
исключительно для целей заземления. В качестве вертикальных электродов
используются стальные трубы, угловая сталь, прутковая сталь
диаметром не менее 10 мм. Горизонтальные электроды
предназначаются для связи вертикальных электродов или работают
самостоятельно и выполняются из полосовой стали или стали круглого сечения.
Естественные заземлители — это находящиеся в
соприкосновении с землей токопроводящие части коммуникаций, зданий и со-
аТ
Глава 6 Электричество и окружающая среда
209
оружений производственного или иного назначения, используемые
для целей заземления. В роли качестве естественных заземлителей
могут выступать водопроводные и другие металлические трубы (за
исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих или
взрывоопасных газов), металлические и железобетонные конструкции
зданий и сооружений, имеющие связь с землей, свинцовые оболочки
кабелей и т.п. Использование естественных заземлителей дает
существенную экономию металла
Естественные и искусственные заземлители могут применяться
совместно или отдельно. Но в любом случае должно обеспечиваться
требуемое значение сопротивления заземляющего устройства
растеканию тока, установленное ПУЭ и ГОСТ 12.1.030-81. Так, в
соответствии с ПУЭ наибольшее допустимое сопротивление
заземляющих устройств в электроустановках напряжением до 1 кВ в сетях с
изолированной нейтралью должно быть не более 4 Ом, а при
мощности генераторов и трансформаторов, питающих данную сеть,
100 кВ • А и менее заземляющие устройства могут иметь
сопротивление не более 10 Ом.
В процессе эксплуатации может произойти повышение
сопротивления растеканию тока заземлителя сверх расчетного значения,
поэтому необходимо периодически контролировать значение
сопротивления заземлителя. Измерение сопротивления растеканию тока
заземлителя R3 проводится в сроки, установленные в нормативно-
технической документации (ПУЭ, СНиП и др.). Одним из наиболее
распространенных методов измерения R3 является метод
«амперметра — вольтметра». Схема измерения сопротивления растеканию
тока заземлителя по методу «амперметра—вольтметра»
представлена на рис. 6.15. Измеряя ток /3, стекающий в землю через зазем-
литель 3 и протекающий через Rh а также потенциал заземлителя
?/3, представляющий собой падение напряжения на сопротивлении
R3, можно рассчитать искомое значение сопротивления R3 = U\/' 13.
Погрешность измерения R3 данным методом тем больше, чем
меньше внутреннее сопротивление вольтметра и чем больше
сопротивление растеканию тока R2 электрода 2. Следовательно,
необходимо подбирать вольтметр с возможно большим внутренним
сопротивлением — электронный или электростатический. Внутреннее
сопротивление вольтметра должно приблизительно в 50 раз
превышать сопротивление R2, при этом погрешность измерения не должна
превышать 2%. На точность измерения оказывает влияние источник
питания. Не рекомендуется в качестве источника питания
использовать непосредственно сеть, так как в этом случае на результаты
210 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис. 6 15 Схема измерения сопротивления растеканию тока заземлителя
по методу «амперметра—вольтметра»
измерения оказывают влияние такой параметр, как сопротивление
изоляции проводов сети относительно земли или сопротивление
заземления нейтрали В качестве источника питания рекомендуется
однофазный понижающий трансформатор, например сварочный.
Методом «амперметра—вольтметра» можно производить измерение
сопротивления растеканию тока при использовании групповых за-
землителей. На основе метода «амперметра—вольтметра»
разработаны и широко применяются измерители сопротивлений заземлите-
лей типов МС-07, МС-08, М-416.
Зануление — это преднамеренное электрическое соединение с
нулевым защитным проводником нетоковедущих
электропроводящих частей электроустановок, которые могут оказаться под
напряжением вследствие замыкания на корпус. Нулевым защитным
проводником называется проводник, соединяющий зануляемые части
с заземленной нейтральной точкой источника трехфазного тока или
с заземленным выводом источника однофазного тока, или с
заземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока.
Зануление необходимо для обеспечения защиты от поражения
электрическим током при замыкании на корпус за счет снижения
напряжения корпуса относительно земли и быстрого отключения
электроустановки от сети.
Глава 6 Электричество и окружающая среда
211
Область применения зануления:
• электроустановки напряжением до 1 кВ в трехфазных четы-
рехпроводных сетях переменного тока с заземленной нейтралью
(обычно это сети 220/127, 380/220, 660/380 В);
• электроустановки напряжением до 1 кВ в однофазных сетях
переменного тока с заземленным выводом; электроустановки
напряжением до 1 кВ в сетях постоянного тока с заземленной средней
точкой источника.
При замыкании фазного провода на зануленный корпус
электроустановки образуется цепь однофазного короткого замыкания (т.е.
замыкания между фазным и нулевым защитным проводниками). Ток
однофазного короткого замыкания вызывает срабатывание
максимальной токовой защиты, в результате чего происходит отключение
поврежденной электроустановки от питающей сети. Кроме того, до
срабатывания максимальной токовой защиты ток короткого
замыкания вызывает перераспределение напряжений в сети, и, как
следствие, происходит снижение напряжения поврежденного корпуса
относительно земли. Следовательно, зануление обеспечивает
защиту от поражения электрическим током при замыкании на
корпус за счет ограничения времени протекания тока через
тело человека и за счет снижения напряжения прикосновения.
В качестве максимальной токовой защиты, обеспечивающей
быстрое отключение электроустановки в аварийном режиме, могут
использоваться плавкие предохранители и автоматические
выключатели, устанавливаемые для защиты от токов короткого замыкания,
и др.
Элементом системы зануления является повторное заземление
нулевого защитного проводника (рис. 6.16, где /к — ток,
протекающий через PEN — проводник). Повторное заземление нулевого
защитного проводника практически не влияет на время
отключения электроустановки от сети. Однако при эксплуатации зануления
могут возникнуть такие ситуации, когда повторное заземление
нулевого защитного проводника необходимо, например при обрыве
нулевого защитного проводника. Повторному заземлению
подвергаются нулевые рабочие провода воздушных линий, которые
одновременно используются как нулевые защитные проводники. При этом
в соответствии с ПУЭ повторные заземления выполняются на
концах линий или ответвлений длиной более 200 м, а также на вводах
в здания, электроустановки которых подлежат занулению.
В процессе эксплуатации зануления сопротивление петли
фаза—нуль может меняться, следовательно, его необходимо пери-
212 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 16 Схема зануления электроустановок
одически контролировать Измерения сопротивления петли фаза—
нуль проводят как после окончания монтажных работ, т.е. при
приемосдаточных испытаниях, так и в процессе эксплуатации в сроки,
установленные ПТЭ и ПТБ, а также при проведении капитальных
ремонтов и реконструкций сети.
Надежность зануления определяется в основном надежностью
нулевого защитного проводника. В связи с этим требуется
тщательная прокладка нулевого защитного проводника, чтобы исключить
возможность его обрыва. Кроме того, в нулевом защитном
проводнике запрещается ставить выключатели, предохранители и
другие приборы, способные нарушить его целостность При
соединении нулевых защитных проводников между собой должен
обеспечиваться надежный контакт Присоединение нулевых
защитных проводников к частям электроустановок, подлежащих зануле-
нию, осуществляется сваркой или болтовым соединением, причем
значение сопротивления между зануляющим болтом и каждой
доступной прикосновению металлической нетоковедущей частью
электроустановки, которая может оказаться под напряжением, не
должно превышать 0,1 Ом. Присоединение должно быть доступно
для осмотра
Открыто проложенные нулевые защитные проводники
должны иметь отличительную окраску, по зеленому фону
желтые полосы.
Защитным отключением называется автоматическое
отключение электроустановок при однофазном (однополюсном)
прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимым для
Глава 6 Электричество И окружающая среда
213
человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока
утечки (замыкания), превышающего заданные значения. Назначение
защитного отключения — обеспечение электробезопасности, что
достигается за счет ограничения времени воздействия опасного тока
на человека. Защита осуществляется специальным устройством
защитного отключения (УЗО), которое, работая в дежурном режиме,
постоянно контролирует условия поражения человека
электрическим током. Область применения- электроустановки в сетях с любым
напряжением и любым режимом нейтрали. Наибольшее
распространение защитное отключение получило в электроустановках,
используемых в сетях напряжением до 1 кВ с заземленной или
изолированной нейтралью.
Принцип работы УЗО состоит в том, что оно постоянно
контролирует входной сигнал и сравнивает его с наперед заданным
значением (уставкой). Если входной сигнал превышает уставку, то
устройство срабатывает и отключает защищенную электроустановку от
сети. В качестве входных сигналов устройств защитного отключения
используют различные параметры электрических сетей, которые
содержат информацию об условиях поражения человека
электрическим током.
Все УЗО по виду входного сигнала классифицируют на
несколько типов (рис. 6.17).
Основными элементами любого УЗО являются датчик,
преобразователь и исполнительный орган. Основными параметрами, по ко-
Реагирующие на
напряжение корпуса
относительно земли
Реагирующие на
ток нулевой
последовательности
Реагирующие на
комбинированный
входной сигнал
I
Устройства защитного отключения
(УЗО)
Реагирующие на
ток замыкания
на землю
Реагирующие на
оперативный ток
(постоянный,
на раб<
электро-
эчий ток
становки
Реагирующие на
напряжение нулевой
последовательности
Рис 6 17 Классификация УЗО по виду вхрдного сигнала
214 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Рис 6 18 Схема УЗО, реагирующего на потенциал корпуса
торым подбирается то или иное УЗО являются: уставка,
номинальный ток нагрузки, т.е. рабочий ток электроустановки, который
протекает через нормально замкнутые контакты УЗО в дежурном
режиме; время срабатывания устройства
Рассмотрим более подробно УЗО, реагирующее на потенциал
корпуса относительно земли, предназначенное для обеспечения
безопасности при возникновении на заземленном (или зануленном)
корпусе электроустановки повышенного потенциала. Датчиком в
этом устройстве (рис. 6.18) служит реле Р, обмотка которого
включена между корпусом электроустановки и вспомогательным зазем-
лителем /?всп, электроды которого располагаются вне зоны
растекания токов заземлителя R3.
При замыкании на корпус защитное заземление R3 снизит
потенциал корпуса относительно земли до значения <р3 = I3R3. Если по
каким-либо причинам окажется, что ф3 > ФЗД0п' гДе Фздоп —
потенциал корпуса, при котором напряжение прикосновения не
превышает допустимого, то срабатывает реле Р, которое своими контактами
замкнет цепь питания катушки коммутационного аппарата К, и
произойдет отключение поврежденной электроустановки от сети.
Фактически этот тип УЗО дублирует защитные свойства заземления или
зануления и применяется в качестве дополнительной защиты,
повышая надежность заземления или зануления.
Данный тип УЗО может применяться в сетях с любым
режимом нейтрали, когда заземление или зануление неэффективно.
Глава 6 Электричество и окружающая среда 215
*п
-° PEN
-ТТНП
ьУЗО
ио
¦frti
Рис 6 19 Схема подключения к сети УЗО, реагирующего
на дифференциальный ток
Устройство защитного отключения, реагирующее на
дифференциальный (остаточный) ток, находит широкое применение
во всех отраслях промышленности (как правило, в сетях с
заземленной нейтралью, напряжением до 1 кВ). Характерной их
особенностью является многофункциональность. Такие УЗО могут
осуществлять защиту человека от поражения электрическим током при
замыканиях на корпус, при несимметричном снижении
сопротивления изоляции проводов относительно земли в зоне защиты
устройства, при замыканиях на землю, при однофазном прикосновении,
при замыкании на корпус электроустановки.
Схема включения УЗО, реагирующего на дифференциальный ток
в сети с заземленной нейтралью, представлена на рис 6.19.
Датчиком такого устройства является трансформатор тока нулевой
последовательности (ТТНП), на выходных обмотках которого
формируется сигнал, пропорциональный току, протекающему через тело
человека /Л. Преобразователь УЗО П сравнивает значение входного
сигнала с уставкой, значение которой определяется допустимым
значением тока, протекающего через человека, усиливает входной сигнал
до уровня, необходимого для управления исполнительным органом
ИО. Исполнительный орган, например магнитный пускатель,
отключает электроустановку от сети в случае возникновения опасности
поражения электрическим током в зоне защиты УЗО.
216 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
В настоящее время отечественной промышленностью
выпускается целый ряд УЗО различного назначения. Кроме того, широко
используются УЗО известных зарубежных фирм (ABB и др.).
Для защиты людей, работающих с электроустановками, от
поражения электрическим током, воздействия электрической дуги,
электромагнитного поля и статического электричества применяются
электрозащитные средства, к которым относятся:
• изолирующие штанги (оперативные для наложения
заземления и измерительные),
• изолирующие клещи для операций с предохранителями и
электроизмерительные клещи;
¦ указатели напряжения;
• указатели напряжения для фазировки и др.;
• изолирующие устройства и приспособления для ремонтных
работ под напряжением выше 1 кВ и слесарно-монтажный
инструмент с изолирующими рукоятками для работы в электроустановках
до 1 кВ;
• диэлектрические перчатки, боты, галоши, ковры,
изолирующие накладки и подставки;
• индивидуальные экранирующие комплекты;
• переносные заземления;
• оградительные устройства и диэлектрические колпаки;
• плакаты и знаки безопасности.
Отличие электрозащитных средств от предохранительных
приспособлений заключается в том, что первые имеют только защитные
функции, а вторые — защитные и технологические. Например,
диэлектрические перчатки — это средства защиты, а изолирующие
клещи — это приспособление.
Кроме перечисленных электрозащитных средств при работах в
электроустановках можно применять такие средства
индивидуальной защиты, как очки, каски, противогазы, рукавицы,
предохранительные пояса и страховочные канаты. Перечисленные
электрозащитные средства могут быть как основными, так и дополнительными
средствами.
В процессе эксплуатации средства защиты следует подвергать
периодическим и внеочередным (проводимым после ремонта)
испытаниям. Порядок и периодичность проведения испытаний должны
соответствовать «Правилам применения и испытания средств
защиты, используемых в электроустановках». Электрозащитными
средствами следует пользоваться по их прямому назначению в
электроустановках напряжением не выше того, на которое они
Глава 6 Электричество и окружающая среда
217
рассчитаны. Прежде чем воспользоваться средствами защиты,
необходимо проверить их исправность, отсутствие внешних
повреждений, очистить от пыли и проверить по штампу срок годности, так
как пользоваться средствами защиты, срок годности которых истек,
запрещается.
6.2. Природное и статическое электричество.
Защита от его воздействия
В летний грозовой период различные здания и сооружения могут
оказаться под воздействием грозовых атмосферных электрических
зарядов Молния представляет собой электрический разряд в
атмосфере между заряженным облаком и землей или между разноименно
заряженными частями облака, а также между соседними облаками.
Длина канала молнии достигает нескольких километров..
Для равнинных районов различают разряды молнии
непосредственно в землю или в здания и сооружения высотой до 100 м и
разряды молнии в высотные здания и сооружения (радиомачты,
заводские трубы и др.). Можно указать на два вида воздействия молнии
на здания и сооружения:
• первичное воздействие, которое связано с прямым,
непосредственным воздействием ударом молнии;
¦ вторичное воздействие, обусловленное электрической и
электромагнитной индукцией, а также выносом высоких
потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации.
При прямом ударе молнии могут возникнуть: пожары, взрывы,
механические разрушения, поражения людей электрическим током
за счет появления высоких потенциалов на отдельных участках
зданий, оборудования и перенапряжения на проводах электрических
сетей. Особую опасность при прямых ударах молнии представляют
здания и наружные установки, в которых по условиям
технологического процесса может образовываться взрывоопасная среда.
Взрывоопасные наружные установки могут быть поражены прямым
ударом молнии при проплавлении металлических поверхностей, при
перегреве их внутренних стенок или воспламенении взрывоопасных
смесей паров и газов, выделяющихся через предохранительные
клапаны, газоотводные трубы, свечи К таким установкам относятся
металлические и железобетонные резервуары для хранения
нефтепродуктов; газгольдеры и резервуары со сжиженными горючими газами;
многие аппараты наружных технологических установок
нефтеперерабатывающих, химических, других производств.
218 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Для снижения опасности как для человека, так и для
окружающей среды используют молниезащиту. Молниезащита учитывает
такие факторы как: важность объекта; его высота; расположение
относительно соседних объектов; интенсивность грозовой
деятельности и др. Защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии
осуществляют с помощью специальных молниеотводов.
Конструктивно каждый молниеотвод состоит из молниеприемника,
непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, соединяющего
молниеприемник с заземлителем; заземлителя, через который ток
молнии стекает в землю; опоры молниеотвода, предназначенной для
закрепления молниеприемника и токоотвода. Опоры молниеотвода
могут быть деревянными, металлическими и железобетонными.
Различают следующие типы молниеприемников: стержневые,
тросовые и сеточные. Молниеприемники должны выдерживать тепловое
и динамическое воздействие молнии, а также быть надежными в
эксплуатации. Например, стержневые молниеприемники выполняются
из полосовой, круглой, угловой стали, покрытой антикоррозионной
краской. При этом сечение молниеприемника должно быть не менее
100 мм2, а длина не менее 200 мм.
Если здания и сооружения имеют металлическую кровлю или
железобетонные несущие конструкции, то с целью молниезащиты
их заземляют. Токоотводы выполняют из стали любого профиля. Их
рассчитывают на пропускание полного тока молнии без нарушений
и существенного перегрева. Они должны иметь антикоррозионное
покрытие. Токоотводами могут служить металлические элементы
конструкций (направляющие лифтов; пожарные лестницы;
водопроводные, водосточные и канализационные трубы и др.). При этом по
всей длине должна обеспечиваться надежная электрическая связь
токоотводов с заземлителями, которую осуществляют только
сваркой. Защитная функция молниеотвода основана на свойстве
молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные
металлические сооружения.
Различные технологические процессы, связанные с
размельчением твердых частиц, пересыпанием, просеиванием, смешиванием
сыпучих тел, переливанием или фильтрацией
жидкостей-диэлектриков, трением элементов оборудования или материалов друг о друга,
сопровождаются статической электризацией, т.е. возникновением и
разделением положительных и отрицательных зарядов.
Статическое электричество представляет собой совокупность явлений,
связанных с возникновением, сохранением и релаксацией (стеканием)
свободного электрического заряда, на поверхности и в объеме диэ-
Глава 6. Электричество и окружающая среда
219
лектрических и полупроводниковых веществ, материалов, изделий
или на изолированных проводниках. В ряде технологических
процессов при статической электризации потенциалы отдельных
элементов оборудования, материалов, веществ относительно земли или
электропроводящих предметов, имеющих связь с землей, достигают
десятков киловольт, а токи, стекающие в землю при статической
электризации, составляют обычно десятки микроампер.
Внешние признаки статического электричества могут
проявляться в виде:
• силового взаимодействия между заряженными телами или их
отдельными участками;
• разряда статического электричества (искра или корона);
• воздействия на организм человека.
Разряды статического электричества наиболее опасны,
если они развиваются в атмосфере горючего газа или пожаро-
и взрывоопасных пылей.
Токи, обусловленные статической электризацией, Не превышают
10 мкА и при длительном, систематическом воздействии их на
организм человека могут возникнуть различные патологии, хотя
значения этих токов меньше значений пороговых ощутимых токов.
Разряд с наэлектризованного человека на заземленный
электропроводящий предмет или, наоборот, с наэлектризованного элемента
оборудования на человека, стоящего на земле, может вызвать
неприятные ощущения (слабые, умеренные или сильные уколы или удары,
зависящие от энергии разряда). Непосредственной опасности для
человека такие разряды не представляют, так как значения токов,
стекающих через тело человека в землю, небольшие. Однако
неожиданность воздействия разряда статического электричества может
вызвать испуг, сопровождающийся некоординированными
непроизвольным действиями, приводящими к соприкосновению с
вращающимися или перемещающимися элементами оборудования, падению
с высоты и др.
Существуют различные способы защиты от статического
электричества:
- заземление металлических и электропроводящих
неметаллических элементов оборудования, а также обеспечение постоянного
электрического контакта тела человека с заземлением;
• увеличение поверхностной и объемной проводимости
диэлектриков;
• нейтрализация зарядов путем использования радиоизотопных,
индукционных и других нейтрализаторов;
220 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• ионизация воздуха или среды, в частности, внутри аппаратов,
сосудов;
• применение средств индивидуальной защиты
(антиэлектростатические халаты и антистатическая обувь).
Наиболее распространенным способом защиты от
статического электричества является заземление, которое
объединяется с защитными заземляющими устройствами.
ЛИТЕРАТУРА
1 Долин ПА Основы техники безопасности в электроустановках М
Энергоатомиздат, 1984
2 Князевский Б А и др Электробезопасность в машиностроении М
Машиностроение, 1980
\
Глава 7. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
7.1. Основные понятия, термины
Что такое электромагнитное поле
Электромагнитные поля описываются при помощи нескольких
физических величин, которые могут быть скалярными или
векторными. Само понятие «поле» состоит в том, что в некоторой области
задано (известно, измерено, имеется) распределение какой-то
физической величины, например температуры. В таком случае говорят,
что имеется температурное поле или поле температур
Множественное число слова «температура» означает, что в разных точках
температура разная. Строго говоря, если задан источник поля
(например, электрический заряд), то, согласно современным
представлениям, область существования поля неограниченна. Однако на
больших расстояниях от источника интенсивность поля может быть так
мала, что ее невозможно зарегистрировать никаким известным
способом Тогда говорят, что в данной области поля нет
Электромагнитные поля создаются электрическими зарядами
и токами, которые (за исключением так называемого тока
смещения) создаются движущимися зарядами. В зависимости от
постановки задачи могут рассматриваться отдельно электрические или
магнитные поля, или же говорят об электромагнитном поле Последний
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 221
случай имеет место, когда рассматриваются электромагнитные
волны, в которых электрическое и магнитное поле жестко связаны.
Покоящаяся система электрических зарядов создает
электростатическое поле (часто его называют просто
электрическим полем) Электростатическое поле описывается при помощи
распределения потенциала и напряженности.
Потенциал электрического поля равен работе сил поля при
перемещении заряда 1 Кл (кулон) из бесконечности в данную точку
поля Потенциал измеряется в вольтах (В) и обозначается буквой (р.
Напряженностью электрического поля называется сила,
действующая на единичный неподвижный положительный заряд,
помещенный в данную точку поля. Напряженность измеряется в
вольтах на метр (В/м) и обозначается буквой Е. В поле с
напряженностью 1 В/м на заряд 1 Кл действует сила 1 Н (ньютон).
Из приведенных определений ясно, что потенциал является
скалярной величиной, а напряженность — векторной
Пусть точечный заряд Q расположен в однородной среде Тогда
потенциал и напряженность поля точечного заряда будут равны
соответственно.
„.-S-. в. О (7.0
4лег 4лег2
где е = г'е0 — произведение относительной диэлектрической
проницаемости среды на электрическую постоянную; г — расстояние
от рассматриваемой точки до заряда Q
Если в однородной среде (а в дальнейшем нас будет
интересовать именно этот случай) расположена система зарядов, то поле в
произвольной точке находится по принципу суперпозиции с
помощью (7.1)
Магнитное поле постоянных токов описывается при помощи
таких величин, как напряженность поля и индукция1. Обе эти
величины являются векторными и обозначаются буквами Н и В.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м),
а индукция — в теслах (Т). Связь между напряженностью
магнитного поля и индукцией выражается формулой
В = ц'моЯ,
где \х' — относительная магнитная проницаемость среды; ц0 —
магнитная постоянная Немагнитным средам ц' = 1 и напряженности
1 А/м соответствует индукция 1,25 мкТ.
Для интересующих нас задач
222 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Пусть магнитное поле создается прямолинейным бесконечным
проводом, по которому течет ток /. Напряженность вокруг провода
определяется выражением
7/(2яг), (7.2)
где г — расстояние до провода.
Токи, протекающие в проводящей среде (например, в
человеческом теле), создают в ней кроме магнитного также и электрическое
поле. Если источник тока можно представить как точечный, то
потенциал и напряженность электрического поля можно вычислить по
(7.1), если заменить в них заряд Q на ток / и проницаемость е на
проводимость среды а. Кроме того, в любой точке напряженность
электрического поля и плотность тока связаны выражением
/ = ст Е.
В рассмотренных выше частных случаях напряженности
магнитного и электрического полей не связаны между собой. Если же
заряды и токи изменяются во времени, то напряженности
электрического и магнитного полей становятся связаны между собой. Эта связь
выражается уравнениями Максвелла. Приведем их здесь в самом
простом виде. Первое из уравнений Максвелла известно как закон
полного тока и может быть записано в виде
§Ш/ = / + /ем = /П0ЛН, (7.3)
/
где / — ток проводимости; /сч — ток смещения, плотность которого
дЕ i ,
/см = е ~^~'< 'поли — полный ток через сечение, контура /.
at
Если в рассматриваемой области отсутствует ток проводимости,
но существует изменяющееся во времени электрическое поле, то
возникает и магнитное поле.
Второе уравнение Максвелла обобщает закон электромагнитной
индукции Фарадея. Его смысл состоит в том, что для произвольного
контура, независимо от того, является ли он проводящим или вы*
бран произвольно, в диэлектрической среде выполняется
соотношение
§ Hdl = -[ — dS. (7.4)
/ dt
5
Смысл этого уравнения в том, что изменение во времени
магнитного поля приводит к появлению электрического поля. Таким
образом, мы видим, что в общем случае электрическое и магнитное
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 223
поля зависят друг от друга. Случаи неизменных во времени токов и
зарядов являются частными, а возникающие при их расчетах задачи
называют соответственно магнитостатическими и
электростатическими.
Задачи, для решения которых необходимо применять уравнения
Максвелла, называют задачами электродинамики Они, как
правило, намного сложнее задач статики. По этой причине там, где это
возможно, практические задачи часто сводят к задачам магнито- или
электростатики При этом возникает естественный вопрос: а когда
это можно делать? Ответ следует искать в формулах (7.3) и (7.4).
Непосредственно из них следует, что при медленном изменении,
например, магнитного поля индуцированное им электрическое поле
может быть очень маленьким по значению (аналогично при малом
значении тока смещения мало и индуцированное магнитное поле).
При рассмотрении проблем влияния электромагнитных полей
основное внимание уделяется длительным воздействиям
синусоидально изменяющихся во времени полей. Поэтому вопрос о том,
медленно или быстро изменяется во времени поле, можно решать,
используя значение круговой частоты со = 2р[.
Рассмотрим простой пример. Пусть напряженность
электрического поля равна 10 кВ/м, а частота его изменения 50 Гц (чему
соответствует со = 314 рад/с). Найдем значение напряженности
магнитного поля на периферии окружности радиусом 1 м Решение
следует из (7.3). После подстановки числовых значений получим
Н = 1,6 • Ю-5 А/м, что является очень маленьким значением.
Данный пример показывает, что на промышленной частоте достаточно
интенсивные (в отношении экологических воздействий)
электрические поля порождают слабые магнитные поля. Аналогичный
результат можно получить и в отношении индуцированных магнитным
полем электрических полей. Поэтому для низких частот
магнитные и электрические поля рассматриваются как практически
независимые.
Можно ли говорить, что на промышленной частоте магнитные и
электрические поля следует рассматривать как статические? Да,
практически так и поступают в расчетах. При частоте 50 Гц длина
волны равна 6000 км. Поэтому поля, например под линиями
электропередачи, безусловно, можно рассматривать как статические
(точнее, квазистатические, поскольку напряженность поля «в такт» с
источником поля изменяется синусоидально).
Человечество в своих технических целях научилось
использовать диапазон частот от единиц герц до частот, соответствующих
224 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
частотам видимого спектра. Данные по градации частот приведены
в табл. 7.1. Названия частот соответствуют принятым в
гигиенической практике.
Таблица 7 1
Диапазон частот, Гц
3 3 • 104
3-Ю4 3- 107
3-Ю7. 3- 108
3-108...3 - 1011
Диапазон волн, м
10« 107
107 101
10 1
1 1(Г3
Название частотного диапазона
Инфразвуковые,
звуковые частоты
Высокие частоты
Ультравысокие частоты (УВЧ)
Сверхвысокие частоты (СВЧ)
Применительно к излучающим устройствам (их нижнюю частоту
можно ограничить значением около 10 кГц) различают так
называемые ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне, длина которой
меньше длины волны, соотношение между напряженностями ? и Я
зависит от конструктивного исполнения излучателя. В дальней зоне
при расстояниях, существенно превышающих длину волны,
например для плоской волны в воздухе, справедливо Е = ZH, где
Z = 377 Ом — волновое сопротивление среды. Данное
соотношение показывает взаимосвязь электрического и магнитного полей в
электродинамике.
Прежде всего следует привести характеристики электрического
и магнитного полей Земли. Известно, что Земля обладает
избыточным электрическим зарядом, поэтому на ее поверхности существует
напряженность электрического поля. Эта величина — слабо
переменная во времени, с эквивалентной частотой, которая составляет
единицы или доли герца. В качестве характерной обычно приводится
«напряженность поля хорошей погоды», равная 100-200 В/м. При
грозовой облачности напряженность на поверхности земли может
возрастать до нескольких киловатт на метр. В горах, когда нижняя
кромка облаков находится вблизи поверхности Земли, отмечаются
случаи коронирования выступающих металлических предметов
(например, ледорубов), что указывает на напряженность 10...20 кВ/м.
Магнитное поле Земли также слабо изменяется во времени. При
спокойной магнитной обстановке в средних широтах напряженность
достигает 40 А/м. Во время магнитных бурь напряженность
увеличивается как минимум на порядок.
И электрическое, и магнитное поля Земли относят к
постоянным полям, поскольку во времени они изменяются очень мед-
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 225
ленно. Они являются «обязательными» элементами среды обитания,
в которой человек сформировался как биологический вид. Поэтому
за длительное время он адаптировался к их наличию.
Воздействие электромагнитных полей
на биологические объекты
Электромагнитные поля (ЭМП) оказывают воздействие на
насекомых, рыб, животных и человека. Одними из самых
чувствительных к воздействию ЭМП являются рыбы [1]. Для них порог
чувствительности по внешнему электрическому полю составляет единицы
вольт на метр. Воздействие ЭМП на животных (на мышей, крыс,
собак) изучалось в отношении их влияния на нервную, иммунную
и эндокринную системы, нейрогуморальные реакции, половую
функцию и на эмбрион. Кроме того, широко проводились клинико-физио-
логические исследования влияния ЭМП на человека [4]. Однако
нельзя сказать, что механизмы воздействия ЭМП на человека в
настоящее время полностью выяснены. Это объясняется сложностью
человеческого организма, с одной стороны, и неоднозначностью
некоторых воздействий ЭМП — с другой. Здесь имеется в виду, что
воздействие слабыми токами и магнитными полями низкой частоты
используется в лечебных целях. Также хорошо известна такая
лечебная процедура, как УВЧ, применяемая для прогревания участков
тела. Тем не менее существуют экспериментальные факты
отрицательного воздействия ЭМП, например протекание в теле человека
токов под воздействием низкочастотных полей или выделение в теле
человека тепла при воздействии СВЧ. Рассмотрим эти механизмы
подробнее.
Известно [3], что организм человека электрически активен, как,
впрочем, у всех млекопитающих и рыб. Его нормальное
функционирование связано с протеканием в нервных клетках и в мозгу слабых
электрических токов. Последние регистрируются как
электроэнцефалограммы. Также известно, что протекание через организм
сравнительно больших токов может вызывать различные болезненные
явления: фибрилляция и остановка сердца, а также спазм
дыхательных путей (см. гл. 6).
При объяснении влияния ЭМП удобнее оперировать не
значениями токов, протекающих через организм, а значениями плотности
тока. Согласно современным представлениям [4] различают
следующие градации плотности тока в организме человека в соответствии
с тяжестью их воздействия:
8-4910
226 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• / = 0,1 мкА/см2 — безопасная плотность тока, соизмеримая
с плотностью тока, протекающего в организме в процессе его
нормального функционирования;
• / ~ 1 мкА/см2 — нижний предел плотности тока, вызывающего
электро- и магнитофосфены, при длительном воздействии может
привести к существенным нарушениям развития и поведения;
• / = 10...50 мкА/см2 — порог стимуляции сенсорных
рецепторов нервных и мышечных клеток; при протекании тока с такой
плотностью через мозг вызванный эффект может быть соизмерим с
электрическим шоком;
• / = 100...1000 мкА/см2 — вызывает фибрилляцию сердца.
Эти данные приведены здесь в связи с тем, что при нахождении
человека в переменном электрическом или магнитном поле в его
организме индуцируются (наводятся) токи, плотность которых
пропорциональна напряженности поля и может достигать опасных
значений. Это, собственно, и служит объяснением факта
отрицательного влияния низкочастотного ЭМП на человека.
Перейдем теперь к изложению результатов экспериментов,
иллюстрирующих влияние ЭМП СВЧ-диапазона. Опыты [2)
производились на лабораторных животных: мышах, крысах и собаках.
Частота ЭМП изменялась от 0,1 до 24 ГГц. Плотность потока энергии,
облучавшей животных, изменялась от 10 до 100 мВт/см2.
Зависимость плотности потока энергии, вызывающей смерть животных, от
времени воздействия носила падающий характер. При длительности
облучения 100...1000 мин животные погибали, если плотность
энергии превышала 10 мВт/см2. Увеличение плотности энергии
приводило к сокращению времени, через которое наступала смерть
животных. Приведенные результаты настолько убедительны, что не
возникает необходимость в каких-то дополнительных обоснованиях
влияния ЭМП.
Диапазон частот, используемый в технических целях, как
показано выше, очень широк. Мы же говорили о неких интегральных
эффектах, отнесенных как бы к краям этого диапазона. Между тем
на организм человека, видимо, воздействует весь диапазон, но в
разной степени [5].
Нормирование допустимых значений интенсивности ЭМП
Все промышленно развитые страны мира имеют нормы по
допустимым значениям воздействующих на человека интенсивностей
ЭМП. Имеются региональные, национальные и глобальные
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 227
нормы. Например, в США свои нормы по ЭМП устанавливает
каждый штат. Примером глобальных норм являются нормы,
рекомендуемые ВОЗ.
Следует понимать, что конкретные значения нормируемых
параметров зависят от большого числа причин и являются
предметом соглашения для конкретной страны или региона.
Так, относительно воздействий радиотелефонов ведется «борьба»
между их производителями и специалистами в области
радиогигиены. Общая ситуация состоит в том, что фирмы, производящие ту
или другую продукцию и заинтересованные в ее сбыте, борются за
высокие значения устанавливаемых ограничительных параметров.
На практике эти параметры могут приводить к такому уровню
воздействий, который гигиенисты считают недопустимым. Результат
борьбы зависит от уровня экономического развития страны,
воздействия на фирмы-производители общественного мнения и от других
подобных причин.
Как итог — в настоящее время нормы разных стран
отличаются друг от друга и от рекомендаций ВОЗ, которые, как
правило, являются самыми жесткими. Вместе с тем различные
нормы содержат практически одни и те же элементы, нормируют
одни и те же величины, изменение, например, нормируемой
напряженности ЭМП от частоты носит один и тот же характер.
Следовательно, эти зависимости объективно отражают общепринятые к
настоящему времени взгляды на воздействие ЭМП.
Рассмотрим общие тенденции и общие элементы существующих
норм по ограничению воздействий ЭМП (конкретные нормы для
каждого диапазона излагаются в последующих параграфах). Общим
для всех норм является ограничение по напряженности
электрического и магнитного полей, причем имеются отдельные
нормы для напряженности электрического и магнитного полей.
Другими словами, нормы содержат допустимые значения
напряженности, превышение которых так или иначе запрещается.
Нормирование напряженностей ЭМП производится в
зависимости от частоты. Характерная черта всех существующих
норм состоит в том, что с ростом частоты допустимые значения
напряженности уменьшаются.
Для диапазона СВЧ нормируются плотность мощности,
Вт/см2 и энергетические экспозиции для электрических полей
(ЭП), (В/м)2 • ч, и для магнитных полей (МП), (А/м)2 • ч.
Применительно к лазерному излучению нормируют энергетическую
8'
228 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
экспозицию, Дж/м2, облученность, Вт/м2, а также энергию
облучения, Дж, и мощность, Вт.
При воздействии низкочастотных полей некоторые нормы
содержат зависимость допустимой напряженности от времени
воздействия. Детализация этой зависимости в разных нормах различна.
Одни выражают ее в виде аналитической зависимости, другие
включают дискретный набор значений допустимой напряженности для
разных значений времени нахождения в ЭМП.
Еще одной общей чертой норм является их «деление» на
нормы для персонала, обслуживающего установки
(профессионалы), и нормы для населения. Нормы для населения всегда
ниже норм для профессионалов. Это объясняется тем фактом, что
к населению относятся заведомо ослабленные люди — больные,
инвалиды, беременные женщины и другие категории лиц, для которых
по ряду причин воздействия ЭМП могут оказаться более вредными,
чем для здоровых людей. Персонал, обслуживающий установки, как
правило, состоит (или должен состоять) из людей, отобранных и по
признаку определенного уровня здоровья.
Перечень действующих в Российской Федерации документов по
нормированию и контролю в области электромагнитных полей
приведен в приложении.
7.2. Электромагнитные поля промышленной частоты
Источники ЭМП
Электромагнитные поля промышленной частоты создаются
энергетическими установками, т.е. установками, связанными с
процессами производства, распределения и потребления электрической
энергии. Так как в бытовых приборах для нагрева и других
функциональных действий используется ток промышленной частоты, а
число работающих электроприборов громадно, то целесообразно
говорить о них как об особом классе установок, создающих ЭМП.
Наконец, персональные компьютеры также являются источниками
ЭМП, в том числе и промышленной частоты. Приведем далее обзор
ЭМП, создаваемых всеми этими источниками.
Электромагнитные поля, создаваемые воздушными линиями
электропередачи (ВЛ). Эти линии создают электромагнитные
поля так называемой промышленной частоты. Для европейских
стран она равна 50 Гц, в США — 60 Гц. На промышленной частоте
электрическое и магнитное поля можно считать не связанными друг
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 229
с другом, рассматривать их отдельно. Электрические поля
создаются зарядами на проводниках, а магнитные — токами в проводниках.
В силу этого каждое из полей рассчитывается по разным формулам
и рассматривается отдельно. Таким образом, объектом нашего
анализа будут электрические и магнитные поля вблизи ВЛ и на
территории ОРУ (открытых распределительных устройств).
Достаточно сильные электрические и ма/нитные поля
промышленной частоты создают условия, нахождение в которых наносит
или может нанести вред здоровью человека. Кроме того, они
оказывают влияние на животных, насекомых, растения. Более детально
воздействия электромагнитных полей на человека будет описано
ниже, а сейчас определим, кто и в каких обстоятельствах может
подвергнуться воздействию электромагнитных полей
энергетических объектов.
Будем рассматривать следующие категории лиц:
• ремонтный персонал;
• население.
Каждая из этих групп в силу своих профессиональных
обязанностей имеет доступ к различным объектам и поэтому может
находиться в разных ситуациях, связанных с электромагнитными
полями.
В наибольшей степени подвержен влиянию электромагнитных
полей ремонтный персонал. Это вызвано тем, что ремонтные работы
могут производиться в самых различных условиях: под проводами
ВЛ, а также и с подъемом на высоту. Ремонтные работы могут
выполняться на отключенной линии при наличии идущих рядом линий,
находящихся под напряжением; на опорах линий как отключенных,
так и находящихся под напряжением; на линиях, находящихся под
напряжением (этот вид работ называется «ремонт под
напряжением»). В нем участвует бригада, состоящая из шести-семи человек.
Члены бригады находятся как на земле у опоры, так и на самой опоре
и непосредственно на проводах или, как говорят, «на потенциале
провода» (рис. 7.1).
Наибольший объем работ под напряжением на ВЛ 330...750 кВ
связан с ремонтом гирлянд изоляторов (замена гирлянд целиком,
отдельных дефектных изоляторов, ремонт арматуры и т.д.) и
заменой распорок на расщепленных проводах. В отдельных
энергосистемах объем работ под напряжением (имеются в виду только члены
бригады, непосредственно работающие «на потенциале провода»)
достигает десятков тысяч человеко-часов.
230 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Тросы
Рис 7 1 Варианты расположения ремонтной бригады
Воздействию наиболее интенсивных электромагнитных полей
подвергаются, естественно, те люди, которые работают в
непосредственной близости от проводов. Максимальные значения
напряженности электрического поля могут достигать 2000...2500 кВ/м, а
магнитного — более 1000 А/м. Большие напряженности
электрического и магнитного полей могут также воздействовать на членов
бригады, находящихся на опоре.
Вторая категория лиц, подвергающихся воздействию
электромагнитных полей, — население. По данным Международного
комитета по большим электрическим сетям (СИГРЭ) протяженность ВЛ
с номинальным напряжением 300 кВ и выше в развитых
промышленных странах составляет тысячи и десятки тысяч километров.
Так, в Австралии, ФРГ, Японии — около 10 000 км; Бразилии,
Южной Африке — около 15 000 км; Канаде — около 25 000 км;
США и России — около 80 000 км. Ни в одной стране не
принимается никаких мер, препятствующих нахождению людей под
проводами ВЛ. Если приближенно принять ширину санитарной зоны
вблизи ВЛ (т.е. зоны, в которой напряженность выше нормируемой
для населения) около 50 м, то ее площадь для России составит около
4000 км2. Это примерно в четыре раза больше территории Москвы
в границах кольцевой автодороги. Приведенный пример показывает,
что воздействию электромагнитных полей ВЛ может подвергаться
достаточно большое число людей. В последние годы в России сти-
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 231
хийно сложилась практика строительства дачных домов вблизи ВЛ,
а иногда прямо под проводами линий, включая линии 500 кВ. При
этом в зоне влияния электромагнитных полей оказываются дети и
больные люди, т.е. лица, наиболее подверженные вредным
воздействиям. С учетом этих обстоятельств следует признать проблему
воздействия электромагнитных полей весьма серьезной.
Кроме непосредственного влияния электромагнитного поля на
людей, существует еще один эффект, связанный с потенциальной
опасностью. Он состоит в том, что автомобили, автобусы и другие
механизмы на резиновых колесах приобретают в электрическом
поле ВЛ некоторый потенциал относительно земли. В случае
прикосновения человека, имеющего хороший контакт с землей, к
машине по телу человека будет протекать ток. Как правило, этот ток
не превышает нескольких миллиампер и сам по себе для жизни не
представляет прямой опасности. Однако он может быть выше порога
чувствительности.
Неожиданное прикосновение, связанное с протеканием тока,
может вызвать непроизвольные движения. По этой причине
возможны травмы, падения и т.п Таким образом, об этом явлении следует
иметь четкое представление и знать, как избежать различных
неприятных последствий.
Распределение напряженности электрического и магнитного
полей под проводами ВЛ многократно измерялось различными
авторами во многих странах. Кроме измерений проводились также и
расчеты этих полей на расчетных моделях различной степени
сложности. Результаты расчета, как правило, довольно хорошо
совпадают с экспериментальными. Для того чтобы получить представление
о влиянии различных факторов, изложим простейший вариант
расчета.
Наибольшие ЭМП у поверхности земли создаются линиями,
имеющими горизонтальное расположение проводов всех фаз. Такие
линии в России имеют номинальное напряжение 220 кВ и выше.
Линии с горизонтальным расположением фаз являются одноцепны-
ми. В ряде стран (США, Канаде, Германии и т.д.) ВЛ, как правило,
являются двухцепными, т.е. на одной опоре подвешиваются две
линии, в результате чего на опоре подвешены шесть фазных
проводов и один или два молниезащитных троса. В этом случае ЭМП под
линией обычно меньше, чем под одноцепными ВЛ.
Простейшая расчетная модель состоит из трех фазных проводов,
расположенных горизонтально (т.е. не учитываются ни провес
проводов в пролете, ни влияние опор). Таким образом, с ее помощью
232 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
можно оценить максимальные значения напряженности в середине
пролета Порядок расчета [6] следующий Вначале составляется
система линейных алгебраических уравнений относительно зарядов
проводов Для принятой упрощенной расчетной модели число
уравнений равно числу проводов Далее путем решения системы
уравнений определяются заряды проводов и рассчитывается
напряженность с учетом сопротивления земли в любой точке Поскольку
напряжение на проводах изменяется по синусоидальному закону,
расчет производится в нескольких точках (по времени) в течение всего
периода синусоиды Это необходимо еще и потому, что электричес
кое поле трехфазной ВЛ (как и магнитное) является вращающимся
Это значит, что в общем случае вектор напряженности в разные
моменты периода промышленной частоты направлен в пространстве
по-разному, а его конец описывает эллипс У поверхности земли
большая полуось эллипса поляризации много больше малой и
направлена вертикально
Распределение напряженности электрического поля у земли
(заметим, что до высоты около 2 м поле практически является
равномерным) имеет характерную «трехгорбую» форму с максимумами
под средним проводом и почти под крайними (рис 7 2)
Следующим этапом упрощения модели является расчет
максимального значения напряженности по формуле
Е _ 1ЛСср^ф[5(^//г)2 + 8(^//г)Я
max 2m0h[l+b(d/hy- + 4(d/h)4]'
где
ср f l,26rf
П |гпр V [1 + (rf/A)P V 1 +(d/hf\
средняя емкость фазы, гпр — радиус провода, d — расстояние
между фазами, h — высота подвеса (габарит) проводов ВЛ
Формула (7 5) дает погрешность, не превышающую 10%, что
вполне приемлемо для инженерных оценок
Распределение напряженности магнитного поля определяется
токами в фазах Анализ показывает, что в этом случае влиянием
сопротивления земли можно пренебречь не внося большой ошибки
в результат Поэтому напряженность магнитного поля в любой точке
рассчитывается как сумма напряженностей, созданных каждым из
фазных токов На практике расчет ведется для составляющих на-
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 233
4,38
33 44
Протяженность, м
Рис 7 2 Распределение напряженности электрического поля
(электрическое поле лиии 500 кВ высота подвеса проводов h = 8 м,
расстояние между фазами d = 12 м)
пряженности по осям координат Для прямого провода в
прямоугольной системе координат составляющие выражаются формулами
Н =
1 (Уо~У\)
2пг '
И« =
f(x0
¦*,)
2ш
(7 6)
где х0, г/0 — координаты рассматриваемой точки, х,, ух —
координаты точки, в которой находится провод с током I, r — расстояние
от рассматриваемой точки до провода
После расчета составляющих от всех проводов производится их
арифметическое суммирование и далее находится модуль
напряженности магнитного поля Этот процесс описывается формулами
3 3
"1Г = ?Я»' "z, = Z'V "^"L + Hly (77)
<=i /=i
Типичная картина распределения напряженности магнитного
поля под проводами ВЛ приведена на рис 7 3
Из (7 5) (7 7) следует, что основными влияющими параметрами
являются номинальное напряжение ВЛ, высота подвеса проводов,
расстояние между фазами и ток в линии Последний определяется
мощностью S, передаваемой по ней, как Уф = S/(/il0MV~3
Согласно ПУЭ [7], напряженность электрического поля под
проводами ВЛ ограничивается 10 кВ/м для населенной местности,
15 кВ/м — для ненаселенной и 20 кВ/м для труднодоступной
местности Таким образом, приведенные цифры являются предельными
234 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природ*
|Н|,А/м
31,3 г
23,5
15,6
7,83 ' 1 1 1 1
О 11 22 33 44
Протяженность, м
Рис 7 3 Распределение напряженности магнитного поля
(магнитное поле линии 500 кВ, высота подвеса прводов А = 8 м,
расстояние между фазами d = 12 м)
для правильно выполненных ВЛ. Следует заметить, что, например,
«ненаселенной» является вся территория Московской (и не только
Московской) области, где проходят ВЛ 500 кВ.
Напряженность магнитного поля под ВЛ до настоящего
времени не нормируется. Расчеты и измерения показывают, что и
зависимости от класса напряжения максимальные значения
напряженности могут достигать 20...50 А/м.
Электромагнитные поля под ВЛ могут оказывать влияние как
на работающих под ними, так и на население Однако есть одна
категория лиц, которые могут находиться либо очень близко (на
расстоянии нескольких метров), либо непосредственно около проводов,
находящихся под напряжением. Эти лица входят в состав
ремонтных бригад, выполняющих различные работы на ВЛ, в том числе и
под напряжением (см. рис. 7.1). Условия выполнения работ таковы,
что напряженность электрического поля в месте нахождения
монтера достигает 1000...1500 кВ/м, а магнитного — нескольких
тысяч ампер на метр
Электромагнитные поля на ОРУ. Эти устройства являются
неотъемлемой частью электрических систем. На их территории
устанавливаются коммутационная аппаратура, измерительные
трансформаторы тока и напряжения, защитные аппараты, силовые транс
форматоры. Все эти устройства обеспечивают передачу
электроэнергии по разным линиям, подходящим к ОРУ, создавая тем самым
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 235
возможность изменять схемы соединений внутри электрической
системы.
Электрические аппараты устанавливаются на ОРУ на
минимально возможном расстоянии друг от друга. Поэтому ЭМП на
территории ОРУ могут быть значительно интенсивнее, чем под ВЛ.
Так, напряженность электрического поля согласно проводившимся
измерениям может достигать у поверхности земли 20, а в отдельных
местах 30 кВ/м. Дело осложняется тем, что оперативный и
ремонтный персонал могут не только находиться на земле, но и, например
в процессе ремонта, подниматься на оборудование. При этом
аппараты в соседней ячейке могут оставаться под напряжением.
Вследствие этого на рабочем месте напряженность электрического поля
может превосходить 30 кВ/м.
Магнитные поля на ОРУ могут существенно превышать 50 А/м
у поверхности земли. Максимальные значения напряженности
магнитного поля наблюдаются вблизи мощных силовых
трансформаторов, к которым может быть подключено несколько ВЛ.
Подчеркнем, что ОРУ являются территорией, доступ на
которую для населения категорически воспрещен. Работающий там
эксплуатационный и ремонтный персонал обязательно проходит
соответствующую профессиональную подготовку, и на него
распространяются специальные нормы по допустимых значениям
напряженности ЭМП.
Электроприборы промышленного и бытового назначения,
создающие ЭМП промышленной частоты. Как правило (это в
первую очередь относится к бытовым электроприборам), они работают
при сравнительно низких рабочих напряжениях, порядка
напряжения питающей сети. Поэтому их электрические поля невелики и
составляют десятки или сотни вольт на метр. На этом
основании их считают вполне безопасными источниками электрического
поля.
Возрастание единичной мощности электроприборов при низком
рабочем напряжении привело к тому, что их рабочие токи стали
создавать заметные магнитные поля. Применительно к разным
типам электроприборов имеются разноречивые данные. Это вполне
объяснимо, поскольку и номенклатура электроприборов постоянно
расширяется, и их технические характеристики со временем
совершенствуются. Однако характерные значения лежат в интервале
от десятков до сотен ампер на метр. Так, в качестве прибора,
создающего наибольшие поля, обычно называют фен для сушки
волос.
236 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Ниже будет показано, что проблема адекватного нормирования
напряженности магнитного поля промышленной частоты к
настоящему времени еще не нашла полного решения. Это обусловлено
имеющимися в некоторых источниках данных о влиянии магнитных
полей низкой интенсивности. По этой причине в данной книге не
приводятся какие-то рекомендации и заключения о допустимости
или недопустимости использования тех или иных приборов.
Механизм влияния ЭМП промышленной частоты на человека
Современные представления сводятся к тому, что основным
механизмом влияния являются токи, возникающие в организме
человека, находящегося в ЭМП. Рассмотрим этот вопрос отдельно для
электрического и магнитного полей.
Влияние электрического поля. Пусть человек находится в
однородном поле и имеет хороший контакт с землей. Расчетные
модели для этого случая приведены на рис. 7.4.
Равномерное внешнее поле принято, с одной стороны, для
упрощения задачи, а с другой — потому что реальные поля ВЛ и ОРУ
у поверхности земли слабо отличаются от равномерных. Различные
органы человеческого тела имеют проводимость в пределах
0,01...0,7 См/м. Наибольшая проводимость у мозга, крови, сердца,
а наименьшая — у костных и жировых тканей. Если
ориентироваться в приближенных оценках на проводимость около 0,1 См/м, что
характерно для мышечных тканей и внутренностей, то комплексная
проницаемость тела человека будет примерно на семь порядков
больше, чем проницаемость воздуха. Отсюда следует, что в расчетах
тело человека можно рассматривать как проводник.
Для вычисления тока, протекающего по телу человека,
находящегося во внешнем электрическом поле, использовались различные
расчетные модели (см. рис. 7.4). Впервые профессор П.А.Долин
О
Рис 7 4 Модели для расчета влияния
электрического поля на человека
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 237
предложил в качестве модели тела человека рассматривать
половину вытянутого эллипсоида вращения на проводящей плоскости (см.
рис. 7.4,а). Выбор такого варианта обусловлен тем, что было
известно его аналитическое решение. Геометрические размеры модели
(большая и малая полуоси эллипсоида) выбраны исходя из роста
1,8 м и массы 80 кг. При средней плотности тканей 1,05 кг/м это
дает малую полуось эллипсоида b = 0,14 м (большая полуось
а = 1,8 м). Вторая расчетная модель (рис. 7.4,6) представляет собой
цилиндр радиусом 0,12 м и высотой 1,8 м, имеющий сферическое
скругление. Для нее известны результаты подробных численных
расчетов.
Надо сказать, что в литературе встречаются описания и других
моделей, которые использовались как в расчетах, так и
экспериментах. В последнем случае модели (или фантомы) воспроизводили
достаточно подробно строение человеческого тела. Несмотря на
различие форм расчетных моделей, их использование приводит к
достаточно близким результатам. Они сводятся к следующему. В
электрическом поле на «заземленной» расчетной модели тела человека
индуцируется электрический заряд. Так, для показанного на рис. 7.4
направления силовых линий поля (от положительных зарядов к
отрицательным) знак индуцированного заряда будет отрицательным.
При переменном напряжении низкой частоты картина поля
изменяется во времени, оставаясь в каждый момент времени
соответствующей законам электростатики. Это значит, что
индуцированный зар-яд будет изменяться синусоидально с той частотой, с
которой изменяется внешнее поле. Полный заряд, индуцированный на
модели тела человека, можно представить в виде
Ополи = ЬУ^оКф- (7.8)
где h — высота; /?ч — эквивалентный радиус; 'К^ — безразмерный
коэффициент, зависящий от формы модели; ?0 — напряженность
ннешнего однородного поля.
Полный ток, стекающий в землю, при синусоидально
изменяющемся поле
/полн = со?0Л/?эе0/Сф. (7.9)
Выражения (7.8) и (7.9) показывают, что полный заряд и
полный ток пропорциональны напряженности внешнего поля Е0 и
характерным размерам модели. Для геометрически подобных
моделей коэффициент Кфсохраняет свое значение. Отсюда, например,
следует, что для ребенка при уменьшении вдвое величин h и R3 пол-
238 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ные заряд и ток при неизменном Е0 уменьшатся в четыре раза. В
экспериментах с фантомами, выполненными в натуральную величину,
установлено, что полный ток, стекающий с человека ростом 1,8 м и
находящегося в однородном поле частотой 50 Гц и напряженностью
5 кВ/м, составит 80 мкА.
Перейдем к оценкам плотности тока внутри тела. Их средние
значения также были установлены в экспериментах с фантомами,
имеющими такую же проводимость, как и тело человека [8]. В поле
напряженностью 10 кВ/м при частоте 60 Гц плотность тока на
уровне груди составляла 100...160, а на уровне талии 350...370 нА/см2.
Не вызывает затруднений и оценка плотности тока в отдельных
участках тела. Согласно данным разных авторов, максимальная
напряженность на макушке фантома примерно в 20 раз больше
напряженности внешнего поля. Из непрерывности тока следует, что в
этой точке при напряженности Е0 = 1 кВ/м и частоте 50 Гц
плотность тока проводимости.
/ = toe0?max = 5,55 нА/см2.
По тем же данным на кончике носа максимальная
напряженность в 250 раз больше напряженности внешнего поля. Тогда в тех
же условиях плотность тока на кончике носа составит примерно
70 нА/см2, а при увеличении напряженности внешнего поля до
20 кВ/м будет равна 1,4 мкА/см2.
Сравним приведенные цифры с пороговыми значениями (см.
«Источники ЭМП» в § 7.2). Среднее значение плотности тока на уровне
груди составляет на частоте 50 Гц около 100 нА/см2. За счет того,
что проводимость крови и кровеносных сосудов больше
проводимости мышечной ткани, плотность тока в кровеносных сосудах
и в сердце увеличится по сравнению со средней. По разным
оценкам, это увеличение может составлять от 3 до 5 раз. Отсюда следует,
что при напряженности внешнего поля 10 кВ/м плотность тока,
протекающего через сердце, может достигать 0,3...0,5 мкА/см2, что
приближается к нижнему пределу плотности тока (1 мкА/см2), при
которой могут возникать отрицательные последствия.
Влияние магнитного поля. В данном случае оценки средних
значений плотности наведенных токов могут быть сделаны на основе
применения (7.5). При синусоидальном изменении индукции с
частотой со — это выражение можно переписать в виде
§ Edl = a>\ BdS..
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 239
Теперь рассчитаем максимальную плотность тока для случая,
когда имеется проводящий цилиндр, а вектор индукции магнитного
поля направлен по оси цилиндра. Из приведенного соотношения
получим Et = ыгВ/2. Здесь г — радиус цилиндра. Это же выражение
справедливо и для сферы.
Согласно приведенным формулам при индукции 100 мкТ средняя
плотность тока для головы (г = 0,1 м, ст = 0,1 См/м) будет равна
0,015 мкА/см2. За счет различия проводимостей тканей организма
максимальная плотность тока может увеличиться примерно в три
раза и составить около 0,05 мкА/см2. Следует подчеркнуть, что
ориентация вектора индукции магнитного поля у поверхности земли
(в отличие от вектора напряженности электрического поля) может
быть произвольной. Это влечет увеличение средних плотностей тока
при горизонтальной ориентации вектора магнитной индукции В.
В работе французских исследователей [10] проводились расчеты
плотности наведенных магнитным полем вихревых токов с учетом
различий в проводимости разных органов и при достаточно полном
описании анатомического строения тела. Согласно их данным, в
магнитном поле с индукцией 100 мкТ и частотой 50 Гц максимальная
плотность тока в теле достигает около 0,2 мкА/см2 при среднем
значении 0,015 мкА/см2.
Таким образом, переменное магнитное поле, так же как и
электрическое, индуцирует в организме переменные токи,
плотность которых пропорциональна напряженности внешнего
поля. Различие между влиянием магнитного и электрического
полей состоит в том, что пути протекания индуцированных
токов в организме различны. При влиянии электрического поля
гок протекает вдоль тела и его заметная часть протекает через
сердце и кровеносную систему. Под влиянием магнитных полей
максимальная плотность тока сосредоточена в основном в периферийных
областях. Не исключено, что именно различия в распределении
плотности тока в этих двух случаях могут приводить к разным
эффектам.
Следует также указать, что в литературе появились данные о
повышении риска онкологических заболеваний у лиц (в первую
очередь у детей), длительное время проживающих вблизи линий
«лектропередачи. Однако многие исследователи подвергают эти
результаты сомнению. С целью внесения окончательной ясности в эту
проблему ВОЗ считает необходимым проведение в жизнь
специальной программы для дальнейшего изучения этого вопроса.
240 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Допустимые уровни напряженности электрических полей
Допустимые уровни воздействующих полей
устанавливаются отдельно для персонала, обслуживающего
электроустановки, и населения. В понятие «население» включают лиц,
проживающих, работающих или временно находящихся вблизи ВЛ. В первом
случае руководствуются ГОСТ 12.1.002-84 «ССБТ. Электрические
поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряженности и
требования к проведению контроля на рабочих местах».
Предельно допустимый уровень напряженности
воздействующего поля устанавливается равным 25 кВ/м. Пребывание в
поле с напряженностью более 25 кВ/м без средств защиты не
допускается. При напряженности поля от 20 до 25 кВ/м время
пребывания персонала в нем не должно превышать 10 мин.
Допустимое время Т, ч, пребывания в поле напряженностью от 5 до
20 кВ/м включительно вычисляется по формуле
Т = 50/?-2,
где Е — напряженность воздействующего поля в контролируемой
зоне, кВ/м.
Пребывание в поле с напряженностью до 5 кВ/м включительно
допускается в течение рабочего дня.
При нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с
различной напряженностью время пребывания вычисляется по
формуле
Tnp = 8(tEi/TEt + tE2/TE2 + . +tE/TE),
где Г — приведенное время, эквивалентное по биологическому
эффекту пребыванию в поле с нижней границей нормируемой
напряженности, ч; tE, tE ..., tE — время пребывания в
контролируемых зонах с напряженностью ?,, ?2,.. , Еп, ч; ТЕ , TEi, . , ТЕ —
допустимое время пребывания для соответствующих кбнтролируемых
зон.
Значения напряженности на рабочих местах
контролируются посредством измерений Напряженность должна измеряться
в зоне нахождения человека при выполнении им работы. Во всех
случаях измерению подлежит напряженность неискаженного поля
(т.е. в отсутствии человека).
При выполнении работ без подъема на конструкции или
оборудование измерения напряженности должны проводиться:
• при отсутствии средств защиты — на высоте 1,8 м от
поверхности земли;
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 241
• наличии коллективных средств защиты — на высоте 0,5; 1,0
и 1,8 м от поверхности земли.
Если работы выполняются с подъемом на конструкции или
оборудование (независимо от наличия средств защиты), измерения
проводятся на высоте 0,5; 1,0 и 1,8 м от площадки рабочего места и
расстоянии 0,5 м от заземленных частей.
Для определения напряженности следует применять приборы,
измеряющие действующие значения и имеющие погрешность не
более 20%.
Применительно к населению нормирование напряженности
электрического поля осуществляется «Санитарными нормами и
правилами защиты населения от воздействия электрического поля,
создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного
тока промышленной частоты (СН 2971-84)». Они устанавливают
предельно допустимые уровни напряженности поля. В качестве
предельно допустимых уровней приняты следующие значения
напряженности:
• 0,5 кВ/м внутри жилых зданий;
• 1 кВ/м на территории зоны жилой застройки;
• 5 кВ/м в населенной местности вне зоны жилой застройки, а
также на территории огородов и садов;
• 10 кВ/м на участках пересечения ВЛ с автомобильными
дорогами;
• 15 кВ/м в ненаселенной местности;
• 20 кВ/м в труднодоступной местности и на участках,
специально выгороженных для исключения доступа населения.
При напряженности поля выше 1 кВ/м должны быть приняты
меры по исключению воздействия на человека ощутимых
электрических разрядов и токов отекания в случаях касания изолированных
от земли объектов — крупногабаритных предметов, машин и
механизмов.
Предельно допустимые значения напряженности
нормируются для неискаженного поля. Напряженность определяется
на высоте 1,8 м от уровня земли, а для помещений — от уровня
пола
В целях защиты населения от воздействия электрического поля
устанавливаются санитарно-защитные зоны, т.е. территории
вдоль трассы ВЛ, где напряженность поля превышает 1 кВ/м
Согласно СН 2971-84 для проектируемых ВЛ, а Также зданий и
сооружений допускается принимать границы санитарно-защитных зон
242 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
вдоль трассы ВЛ с горизонтальным расположением проводов на
следующих расстояниях от проекции крайней фазы:
Номинальное напряжение ВЛ, кВ . . . 330 500 750
Расстояние, м 20 30 40
В пределах санитарно-защитной зоны запрещается:
размещать жилые и общественные здания и сооружения, площадки для
стоянки и остановки всех видов транспорта, предприятия по
обслуживанию автомобилей и склады нефти и нефтепродуктов,
производить операции с горючим, выполнять ремонт машин и механизмов.
Допустимые уровни напряженности магнитных полей
Поскольку проблемы биологического влияния магнитных полей
про-мышленной частоты к настоящему времени нельзя считать
окончательно решенными, существующие нормы также следует
рассматривать как переходные, поскольку намечаются тенденции к их
ужесточению. Предельно допустимые уровни (ПДУ) напряженности
поля для условий выполнения работ под напряжением [9]
установлены на уровне 3,2 кА/м при воздействии на тело работающего
и 5,2 кА/м — при воздействии на кисти рук.
Международные рекомендации IRPA/INIRC содержат более
жесткие нормы: 400 А/м для производственных воздействий и
80 А/м — для населения. В настоящее время Институтом
медицины труда РАМН подготовлен проект норм (находящийся в
настоящее время на стадии утверждения), в котором предлагается
регламентировать следующие уровни воздействия:
• при выполнении работ в условиях воздействия переменных
магнитных полей промышленной частоты (50 Гц) — от 1600 до
80 А/м в зависимости от длительности воздействия (от 1 до 8 ч)
на все тело и от 6400 до 800 А/м при воздействии на конечности;
• 15 А/м для населения;
• 60 А/м для лиц, выполняющих работы в зоне прохождения
трассы ВЛ, но профессионально не связанных с их эксплуатацией.
В заключение приведем действующие европейские нормы по
допустимым значениям напряженностей ЭМП промышленной
частоты. Эти нормы известны как ENV-50166 [111, введены в 1995 г. на
три года. Далее они были приняты как постоянно действующие. Они
содержат одновременно данные по напряженности как
электрического, так и магнитного полей и применимы для нормирования на
рабочих местах.
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 243
Допустимые значения напряженности разделены на три
категории:
' первая: Е = 6,1 кВ/м, Н = 159 А/м — при превышении
данных значений обязательна информация персонала;
• вторая: Е = 12,3 кВ/м, Н = 320 А/м — при превышении
обязательны мероприятия по ограничению времени пребывания в
поле;
• третья: Е = 19,6 кВ/м, Н = 480 А/м — помимо ограничения
времени пребывания обязательно предупреждение «опасная
работа».
Различие между отдельными нормами показывает, что на
настоящий момент не существует единого мнения по допустимым
значениям напряженности ЭМП.
7.3. Электромагнитные поля ВЧ- и СВЧ-диапазонов
Источники излучения
Диапазон частот от десятков до сотен килогерц уже использу-
«?тся в радиотехнике. Так, для связи с подводными лодками в
Австралии была построена радиостанция, принадлежащая США,
работающая на частотах десятки килогерц, излучающая мощность
несколько сотен киловатт. Вблизи антенны (на границе волновой
зоны) напряженности составляют доли ампера на метр и киловатт
на метр. На территории самой антенны эти цифры увеличиваются
на порядок.
На частотах, соответствующих длинам волн от десятков метров
до долей метра, осуществляются различные виды передачи
информации с помощью радио, телевидения, радиотелефонной связи. Этот
же диапазон используется в различных приборах и установках,
имеющих самое разнообразное предназначение. Так, диапазон волн
порядка десятков метров (20...60 МГц) применяется в технологии
обработки различных пластмасс для нагрева, сварки и т.д.
Измерения показывают возможность существования полей вблизи таких
установок с напряженностью порядка долей киловатт на метр.
Диапазон СВЧ используется не только в технике связи, но и для.
различных технологических приложений. Генераторы СВЧ нашли
широкое применение в электронной промышленности,
радиолокации, ядерной физике и т.п. Бытовые СВЧ-печи, переносные
радиотелефоны являются в настоящее время широко применяемыми
бытовыми приборами.
244 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Поскольку биологическое действие ЭМП СВЧ-диапазона
носит ярко выраженный «тепловой» характер, то принято для
описания этого диапазона использовать такую величину, как
плотность энергии на единицу площади, мВт/см2 Значения этого
параметра вблизи от установок СВЧ могут изменяться в широких
пределах, что в первую очередь зависит от их мощности, а также от
конструктивного исполнения
Персональные компьютеры являются источником электро-
магнитных излучений в широком диапазоне частот. Не
вызывает сомнений, что персональные компьютеры только начали свое рас
пространение и в недалеком будущем их число многократно увели
чится. Вблизи персональных компьютеров ЭМП нормируется в диа
пазоне до 400 кГц.
Мощные ЭМП могут генерироваться передающими радиола
кационными станциями (РЛС). Они работают на частотах от 0,5
до 15 ГГц.
Приведенное краткое перечисление источников ЭМП
радиочастотного диапазона содержит десятки разнообразных по своим тех
ническим характеристикам объектов. По этой причине в данном
учебном пособии не имеет смысла приводить значения напряжен
ностей полей и другие параметры. Это тема отдельного рассмотре
ния. Можно только сказать, что в любой части радиочастотного
спектра можно указать источники очень мощных излучений, подвер
гаться которым опасно для здоровья.
Биологическое действие
Взаимодействие внешних электромагнитных полей с биологи
ческими объектами осуществляется [9] путем наведения внутренних
полей и электрических токов, значение и распределение которых и
теле человека и животных зависят от ряда параметров, таких как
размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и маг
нитные свойства тканей (электрическая/магнитная проницаемость
и электрическая/магнитная проводимость), ориентация объекта от
носительно поляризации тела, а также от характеристик ЭМП (час
тота, интенсивность, модуляция и др.). Поглощение энергии ЭМП
в тканях определяется главным образом двумя процессами: ко
лебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов
с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к
возникновению токов проводимости и связанным с электрическим
сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимое
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 245
ти), тогда как второй — к потерям энергии за счет трения диполь-
ных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери).
На низких частотах основной вклад в поглощение энергии
электромагнитного излучения (ЭМИ) вносят потери,
связанные с ионной проводимостью. Ионная проводимость возрастает с
увеличением частоты поля до 106... 107 Гц в связи с уменьшением
емкостного сопротивления мембран и со все большим участием
ннутриклеточной среды в общей проводимости, что ведет к
увеличению поглощения энергии. При дальнейшем увеличении частоты
ионная проводимость средк остается практически постоянной, а
поглощение энергии продолжает расти за счет потерь на вращение ди-
польных молекул среды, главным образом молекул воды и белков.
Поглощение и распределение поглощенной энергии внутри тела
существенно зависит также от формы и размеров облучаемого
объекта, от соотношения этих размеров с длиной волны излучения. С
ггих позиций в спектре ЭМИ РЧ выделяют три области. ЭМИ с
частотой до 30 МГц, ЭМИ с Частотой более 10 ГГц и ЭМИ с частотой
30 МГц... 10 ГГц. Для первой области характерно быстрое падение
поглощения с уменьшением частоты (приблизительно
пропорционально квадрату частоты) Отличительной особенностью второй
области является очень быстрое затухание энергии ЭМИ при
проникновении внутрь ткани: практически вся энергия поглощается в по-
иорхностных слоях биоструктур. Для третьей, промежуточной по
частоте области, характерно наличие ряда максимумов поглощения.
Условия возникновения локальных максимумов поглощения в голо-
le имеют место на частотах 750...2500 МГц, а максимум,
обусловленный резонансом с общим размером тела, лежит в диапазоне
частот 50...300 МГц.
Организм животных и человека весьма чувствителен к
воздействию ЭМИ РЧ. Биологическому действию ЭМИ посвящены тысячи
работ отечественных и зарубежных авторов. К критическим органам
и системам относят центральную нервную систему, глаза, гонады
Некоторые авторы считают критической кроветворную систему.
Описаны эффекты со стороны сердечно-сосудистой и нейроэндо-
Кринной системы, иммунитета, обменных процессов. В последние
Годы появились данные об индуцирующем влиянии ЭМИ на
процессы канцерогенеза. Отмечено, что биологическая активность ЭМИ
убывает с увеличением длины волны (или снижением частоты)
излучения. В свете сказанного понятно, что наиболее активными
являются санти-, деци- и метровый диапазоны радиоволн.
246 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о-человеке и природе
Поражения, вызываемые ЭМИ РЧ, могут быть острыми и
хроническими Острые поражения возникают при значительных
тепловых воздействиях ЭМИ. Они встречаются крайне редко — при
авариях или грубых нарушениях техники безопасности. При этом
чаще всего речь идет о пострадавших, работающих в
непосредственной близости от излучающих антенн радиолокационных станций.
Подобный случай облучения двух авиатехников от радара на
Филиппинах описан в [9]. Указаны интенсивности, воздействию
которых подвергались пострадавшие: 379 мВт/см2 в течение 20 мин, 16
Вт/см2 в течение 15...30 с. Острые поражения отличаются поли-
симптомностью нарушений в различных органах и системах, при
этом характерны выраженная астенизация, диэнцефальные
расстройства, угнетение функции половых желез. Пострадавшие
отмечают отчетливое ухудшение самочувствия во время работы РЛС или
сразу после ее прекращения, резкую головную боль,
головокружение, тошноту, повторные носовые кровотечения, нарушение сна.
Эти явления сопровождаются общей слабостью, адинамией, потерей
работоспособности, обморочными состояниями, неустойчивостью
артериального давления и т.д.; в случаях развития диэнцефальной
патологии — приступами тахикардии, профузной потливости, дро
жания тела и др. Нарушения сохраняются до 1,5...2 мес. При воз
действии высоких уровней ЭМИ (более 80... 100 мВт/см2) на глаза
возможно развитие катаракты.
Для персонала характерны хронические поражения. Они
выявляются, как правило, после нескольких лет работы с источниками
ЭМИ микроволнового диапазона при уровнях воздействия, состав
ляющих от десятых долей до нескольких милливатт на сантиметр в
квадрате и превышающих периодически 10 мВт/см2.
Экспертами ВОЗ (WHO/VER/ORPA, Document 16, 1990) h;i
основании анализа 10 работ западных авторов, изучавших состоя
ние здоровья работающих при уровнях ЭМИ, не превышающих, как
правило, 5 мВт/см2, сделан вывод об отсутствии отчетливых дока
зательств неблагоприятного влияния на человека этих воздействий
Эксперты полагают, что патология возникает при более высоких
уровнях. Нельзя, однако, не обратить внимание на приведенные и
том же документе сведения о большей по сравнению с контрольной
частоте изменений в хрусталике глаз у военных, связанных с обслу
живанием радаров, у работающих с источниками микроволн в уело
виях производства, а также у специалистов, обслуживающих радио
и телерадио аппаратуру 558 Гц...527 МГц.
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 247
Нормирование ЭМИ РЧ
Впервые ПДУ ЭМИ РЧ были установлены в середине 1950-х гг.
Однако серьезное внимание научным основам регламентации ПДУ
стало уделяться лишь в 1970-е гг. в соответствии с проводившимися
исследованиями по вопросам методологии гигиенического нормиро-
мания различных факторов производственной среды. К тому времени
Лыл накоплен большой феноменологический материал по
биологическому действию радиоволн. Выявлены наиболее чувствительные
органы, ткани и системы. Достаточно полно описана клиническая
картина расстройств и поражений, возникающих под влиянием
систематического воздействия высоких уровней ЭМИ. Вместе с тем
теоретические и методологические аспекты проблемы оставались в
известной степени нерешенными. Выработка единых подходов к
регламентации ПДУ стала настоятельной необходимостью.
В качестве критерия вредности при экспериментальном
обосновании ПДУ следует использовать порог вредного действия ПДУ с
¦ведением коэффициентов гигиенического запаса. Под порогом
¦редного действия следует понимать такое сочетание нормируемых
Параметров, при котором в организме возникают изменения,
характеризующиеся наличием одного или совокупности следующих
Примаков:
• качественной перестройки протекания жизненных процессов;
• любых количественных изменений состояния жизненных
процессов, выходящих за пределы колебаний физиологической нормы
и обусловливающих снижение способности организма к осущест-
1Лению нормального для него объема компенсаторных
возможностей по уравновешиванию неблагоприятного действия других
факторов окружающей среды или необычных психофизиологических
состояний;
• развития явлений накопления предшествующих эффектов
воздействия, имеющих характер кумулятивных и приводящих при
продолжении воздействия к развитию сдвигов состояния жизненных
процессов, выходящих за пределы количественных изменений.
При переходе от порога вредного действия к ПДУ целесообразно
Пользоваться коэффициентами гигиенического запаса,
дифференцированными с учетом категории облучаемых (профессионалы,
непрофессионалы, население) и биологической активности
воздействия.
Основными нормативными документами, регламентирующими
Допустимые уровни воздействия ЭМИ РЧ в настоящее время явля-
248 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
ются ГОСТ 12 1 006-84 «ССБТ Электромагнитные поля
радиочастот Допустимые уровни на рабочих местах и требования к
проведению контроля», СанПиН 2 2 4/2 1 8 055-96 «Электромагнитные
излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)», СН № 5803-91
«Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия
электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10 60 кГц»
В профессиональных ПДУ воздействия в диапазоне частот до
30 кГц основным нормируемым параметром является
напряженность электрического (Е) и магнитного (Я) полей, временной фактор
учитывается в меньшей степени, ПДУ воздействия составляют
500 В/м и 50 А/м для полного рабочего дня и 1000 В/м и
100 А/м — для воздействия до двух часов за рабочий день
В диапазоне частот выше 30 кГц используется энергетический,
или дозовый, подход Наряду с интенсивностными параметрами (Е,
Н, плотностью потока энергии — ППЭ) нормируется
энергетическая экспозиция (ЭЭ), или энергетическая нагрузка, за рабочий день
Последняя выражается в диапазоне частот до 300 МГц
произведением квадрата напряженности ЭП или МП на время воздействия на
организм Т, в диапазоне частот выше 300 МГц — произведением
ППЭ излучения на время воздействия
ЭЭ= = ?27\
ЭЭЯ = #27\
ЭЭППЭ = ППЭ2Г
Предельно допустимые уровни интенсивности ЭМИ РЧ (?пду,
Япду, ППЭпду) в диапазоне частот 30 кГц 300 ГГц определяют в
зависимости от времени воздействия исходя из предельно допустимой
ЭЭП
(табл 7 2) по формулам
ЭЭ р nrrv
''nnv — V
'ПДУ
V
?ПДУ
Т
ЯПДУ
ПДУ
т
ППЭ
ЭЭ
ПДУ
ППЭ ПДУ
т
Таблица 7 2
Диапазон частот,
МГц
0 03 3
3,0 30
30,0 300
300 300 000
ПДУ ЭЭ за рабочий день
ЭЭ?, (В/м)2 ч
20000
7000
800
ЭЭ№ (А/м)2 ч
200
ЭЭППЭ, (мкВт/см2) ч
200
При этом в любом случае они не должны превышать значений,
установленных в качестве максимально допустимых (табл 7 3)
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 249
Таблица 7 3
Диапазон частот,
МГц
0,03 3
3 0 30
30,0 300
300 300 000
Максимально допустимые уровни параметров ЭМП
Е, В/м
500
300
80
Я А/м
IMS
* Для условии локального облучения кистей рук
ППЭ мкВт/см2
1000 5000*
Для случаев облучения от устройств с перемещающейся
диаграммой излучения (вращающиеся и сканирующие антенны с
частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не
менее 20) и локального облучения рук при работах с микрополос-
ковыми устройствами ППЭПдУ рассчитываются по формуле
К ЭЭПП9 пду
ППЭ
ПДУ
Т
где К — коэффициент снижения биологической активности
воздействий, равный соответственно 10 и 12,5
В СН № 2 2 4/2 1 8 055-96 наряду с профессиональными
представлены ПДУ ЭМИ РЧ для населения (непрерывное воздействие),
разработанные в свое время Киевским НИИО и КГ им Марзеева
(табл 7 4)
Диапазон частот, МГц
Епду, В/м
* Кроме телевизионнь
и в зависимости от ча
0,03 0,3
25
IX станций
лоты состг
0,3 3
15
, ПДУ изл
вляют от 2
3 30
10
учения кот
,5 до 5 В/
30 300
3*
орых дифф
м
Таблица 74
300 300 000
10
еренцированы
Уровни ЭМИ радиолокационных станций, работающих в режиме
вращения или сканирования антенны (или луча), на территории
населенных мест не должны превышать
• 100 мкВт/см2для РЛС диапазона 300 МГц 300 ГГц с
частотой вращения или сканирования не более 1 Гц и скважностью не
менее 20,
• 10 мкВт/см2 (6 В/м) в ближней и 100 мкВт/см2 (19 В/м) в
дальней зоне для РЛС, предназначенных для контроля космического
пространства и работающих в диапазоне 150 300 МГц
250 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Граница между ближней и дальней зонами диаграмм излучения
определяется из соотношения
r = D2/X,
где г — расстояние от источника; D — максимальный размер
излучающей апертуры; Я — длина волны излучения.
В последние годы широкое распространение получили такие
источники ЭМИ, как радиотелефоны и видеодисплейные терминалы
(ВДТ). Особенности спектральной характеристики излучений ВДТ
(представлен достаточно широкий спектр частот) и особенности
условий использования радиотелефонов с максимальным
приближением к голове пользователя потребовали разработки отдельных
гигиенических регламентов, обеспечивающих безопасность
пользователей.
В соответствии с требованиями ГН 2.1.8/2.2.4-019-94
«Временные допустимые уровни (ВДУ) воздействия электромагнитных
излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи» для
пользователей телефонами сотовой радиосвязи ПДУ создаваемых ими
ЭМИ составляет 100 мкВт/см2. Представляется целесообразным в
дальнейшем по мере накопления необходимых данных заменить
указанный временный норматив стандартом на устройство
(радиотелефон), обеспечивающим безопасные условия пользования им. Тем
более, что всеобъемлющий контроль подобных источников ЭМИ не
представляется возможным.
В 1996 г. утверждены СанПиН 2.2.2.542-96 «Гигиенические
требования к видеодисплейным терминалам, персональным
электронно-вычислительным машинам и организации работы». В
соответствии с требованиями документа в Российской Федерации с 1 января
1997 г. для регламентации воздействия ЭМИ введены в действие,
нормативные уровни шведских стандартов MPR П 1990:8,10 и
ТСО 95 (табл. 7.5).
Таблица 7.5
Место
измерения
На расстоянии
50 см от стенок
ВДТ
На расстоянии
10 см от экрана
Нормируемый параметр
Напряженности
электрического поля
Плотность магнитного
потока
Поверхностный
электростатический
потенциал
Диапазон частот
4 Гц...2 кГц
2...400 кГц
4 Гц...2 кГц
2...400 кГц
ПДУ ЭМИ,
создаваемых ВДТ
25 В/м
2,5 В/м
250 нТ
25 нТ
500 В
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений' 251
Такое решение вопроса -с регламентацией ЭМИ ВДТ
представляется недостаточно обоснованным с медико-биологических
позиций, поскольку шведские стандарты основаны на критерии
технической достижимости. Представляется, что отечественный стандарт
должен был базироваться на критериях безопасности с учетом
характеристик физических параметров ЭМИ и их биологической
активности. В результате установлены неоправданно жесткие ПДУ,
контроль которых к тому же представляет известные трудности, а
в некоторых условиях (например, при промышленной частоте)
практически невозможен.
Национальные стандарты, регламентирующие ПДУ ЭМИ РЧ,
установлены в большинстве развитых стран мира. Наряду с
национальными разработаны международные рекомендации по линии
INIRC/IRPA (INIRC — Международный комитет по защите от не-
ионизирующих излучений при международной ассоциации по
радиозащите — IRPA) и CENELEC (Европейский комитет по
электромагнитной стандартизации).
Национальные стандарты зарубежных стран и международные
рекомендации устанавливают в одних случаях единые значения
ПДУ для персонала и населения (например, Германия), в других —
дифференцированные для профессионалов и населения (Канада,
Великобритания, INIRC/IRPA) либо для контролируемых и
неконтролируемых условий (США, Австралия, CENELEC).
Зарубежные стандарты (в основе большинства лежат нормативы
США) имеют достаточно четкое обоснование. Для частот более
10 МГц они построены на концепции удельного поглощения
мощности — SAR.
SAR — это мощность, поглощенная единицей массы
(единицей этой величины в системе СИ является ватт на килограмм); SAR
может быть усреднена на массу всего тела или его части, на время
воздействия, ширину импульса, период модуляции и т.д. По
существу этот подход базируется на тепловой концепции. В качестве
порога возможных биологических эффектов рассматривается
значение SAR, равное 4 Вт/кг. В стандартах США, INIRC/IRPA,
CENELEC и ряде других соблюдено требование: SAR не должна
превышать 0,4 Вт/кг (усредненное значение на все тело) для
профессиональных воздействий и 0,08 Вт/кг — для населения (или
неконтролируемых условий). Таким образом, применяется единый подход
к нормированию ЭМИ для профессионалов и населения. Различия
в конкретных значениях ПДУ для обеих категорий составляют 5 раз
по мощности (VIT — по напряженности). Для частот ниже 10 МГц
252 Часть 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
значение концепции SAR ограничено, так как биологические
эффекты в этих диапазонах коррелируют с плотностью наведенного тока
Поскольку вопросы взаимодействия внешних и внутренних полей
(или токов) мало изучены, ПДУ представлены в эффективных (или
среднеквадратических) значениях напряженности падающего поля
Зарубежные стандарты и международные рекомендации
допускают существенно более высокие уровни воздействия по
сравнению с установленными в Российской Федерации.
Отечественные нормативы, как известно, базируются на выраженных
функциональных сдвигах, требующих напряжения компенсаторных
систем организма, другими словами, пограничных между
физиологическими и патологическими (порог вредного действия). К сожалению,
ПДУ ЭМИ РЧ не всегда основываются на четких критериальных
оценках Особенно это касается ПДУ для населения.
По мнению экспертов ВОЗ, сформулированному на основании
детального анализа совокупности данных по биологическому действию
и клиническим эффектам ЭМИ, ПДУ радиочастотных воздействий
должны лежать в диапазоне интенсивностей 100.. 1000 мкВт/см2 с
возможным повышением для некоторых частот и условий
воздействия и снижением для населения (WHO 1981, 1990).
7.4. Защитные средства
Технические средства, позволяющие ограничить интенсивность
ЭМП в диапазоне от единиц герц до гигогерц, основаны на очень
простых принципах. В области низких частот (или при условии, что
размеры устройства или защищаемой зоны существенно меньше длины
волны) это принцип индуцирования электрического заряда или тока, в
области повышенных частот — свойство затухания
электромагнитного поля в проводящей среде Рассмотрим эти принципы подробнее.
Применительно к задаче снижения напряженности
электрического поля низкой (например, промышленной) частоты используется
принцип электростатического экранирования. Он состоит в
следующем Над землей подвешивается (закрепляется) некая система
проводников, которые электрически соединяются с землей
(заземляются) При наличии внешнего электрического поля на
проводниках наводится (индуцируется) электрический заряд, знак которого
обеспечивает уменьшение напряженности поля под проводниками
Как правило, такие системы или, как их называют, экраны
выполняются в виде ряда параллельных земле проволок или так
называемых козырьков
Глава 7 Воздействие электромагнитных излучений 253
Степень экранирования зависит от размеров экрана, точнее, от
отношения ширины экрана к его высоте. Приведем некоторые
характерные цифры. Пусть, например, экран выполнен из семи
проволок, расстояние между которыми равно 0,5 м, а высота подвеса
равна 3 м. На высоте 0,5 м напряженность поля составит в середине
сетки 0,31, а на краю — 0,42% напряженности внешнего поля. При
уменьшении расстояния между проволоками степень экранирования
увеличивается. Примерно такая же степень экранирования, как в
предыдущем примере, может быть достигнута, если использовать
экран в виде диска радиусом 1,5 м, расположенного на высоте 3 м.
Примеры расчета экранов можно найти в [6].
Хорошо известный термин «клетка Фарадея» означает
замкнутую проводящую оболочку. Из курса физики известно, что
напряженности поля в ней (при условии, что внутри оболочки нет
электрических зарядов) равна нулю. Практическим примером использования
такого экрана является защитный костюм, используемый при работах
в электрических полях с напряженностью больше 25 кВ/м. Костюм
выполняется из ткани, в которую вплетены тонкие проволоки. Таким
образом образуется частая сетка, создающая высокую степень
экранирования электрического поля. Современные костюмы
обеспечивают снижение напряженности внешнего поля более, чем в 100 раз.
Принцип электромагнитной индукции, согласно которому в
замкнутом контуре наводится (индуцируется) ток, может
использоваться для уменьшения напряженности магнитного поля в ограниченной
области. Направление индуцированного тока таково, что
напряженность магнитного поля в части пространства снижается. Такие
экраны носят название «пассивных». С их помощью возможно
уменьшение напряженности в 2...3 раза. Наряду с пассивными используются
и «активные» экраны, ток в которых создается специальным
источником. В частности, такие экраны используются в курортологии для
компенсации магнитных полей во время магнитных бурь.
При экранировании ЭМП используется также известный
принцип скин-эффекта. Плоская электромагнитная волна, падающая на
поверхность проводника, затухает в нем по экспоненциальному
закону. Глубина скин-слоя 8, или расстояние, на котором
интенсивность поля уменьшится в е раз (е = 2,72 — основание натуральных
логарифмов), определяется выражением
S = V2/(coSli),
где со — круговая частота; о — проводимость материала; ц —
магнитная проницаемость материала.
254 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Из формулы следует, что глубина скин-слоя уменьшается с
ростом частоты, проводимости и магнитной проницаемости
материала. Если волна пройдет в материале расстояние, равное 46, то ее
амплитуда уменьшится примерно в 50 раз. Отсюда ясно, что
металлические экраны, расположенные вокруг экранируемых объемов,
позволяют уменьшить напряженности ЭМП до необходимого уровня.
На низких частотах обычно применяются экраны из материалов
с большой магнитной проницаемостью (пермаллой,
электротехническая сталь). В области высоких частот эффективны экраны из меди.
Кроме специальных средств, снижающих интенсивность поля в
определенном объеме, возможно использование таких простых
средств, как удаление от источника поля. Еще одним таким же
простым средством является уменьшение времени нахождения в ЭМП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Протасов В.Р., Бондарчук А.И., Ольшанский В.М. Введение в
электроэкологию. М.: Наука, 1982.
2. Давыдов Б.И., Тихомчук B.C., Анпгипов В.В. Биологическое действие,
нормирование и защита от электромагнитных излучений. М.: Энергоатомиздат,
1984.
3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.:
Энергоатомиздат, 1984.
4. Electromagnetic Compatibility of Biological System. Volume 4.
Electromagnetic Compatibility of Biological System in Weak 50 Hz Magnetic Fields. Berlin;
Offenbach: VDE-VERLAG GMBH, 1995.
5. Электромагнитное загрязнение окружающей среды и здоровье населения
России / Ю.Г. Григорьев и др. М.: Российская Ассоциация общественного
здоровья. Фонд «Здоровье и окружающая среда», 1997.
6. Колечицкий Е.С. Защита от биологического действия электромагнитных
полей промышленной частоты. М.: МЭИ, 1996.
7. Правила устройства электроустановок. 6-е изд., перераб. и доп. М.:
Энергоатомиздат, 1987.
8. Кузнецов А.Н. Биофизика электромагнитных воздействий. М.:
Энергоатомиздат, 1994.
9. Неионизирующие электромагнитные излучения и поля (экологические
и гигиенические аспекты) / Г.А. Суворов, Ю.П. Пальцев, Л.Л. Хунданов и др.
М.: Вооружение. Политика. Конверсия, 1998.
10. Baraton R., Cahout J., Hutzler B. Three dimensional computation of the
electric fields induced in a human body by magnetic fields. 8-1SH, Jokohama, 1993.
11. Eggert S., Ruppe I. Normung und Regelungen. EMV Kompendium 95 —
KM Verlag, Kongress, Munchen, 1995.
Глава 7. Воздействие электромагнитных излучений 255
Приложение
Перечень действующих нормативно-методических документов
1. ГОСТ 12.1.045-84. ССТБ. Электростатическое поле. Допустимые уровни
на рабочих местах и требования к проведению контроля.
2. Санитарно-гигиенические нормы допустимой напряженности
электростатического поля № 1757-77.
3. Допустимые уровни напряженности электростатических полей и
плотности ионного тока для персонала подстанций и ВЛ постоянного тока
ультравысокого напряжения № 6032-91.
4. Предельно допустимые уровни воздействия постоянных магнитных
полей при работе с магнитными устройствами и магнитными материалами №
1792-77.
5. ГОСТ 12.002-84. ССБТ. Электрические поля промышленной частоты,
Допустимые уровни напряженности и требования к проведению контроля на
рабочих местах.
6. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия
электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи
переменного тока промышленной частоты № 2971-84.
7. Санитарные нормы и правила выполнения работ в условиях воздействия
электрических полей промышленной частоты (50 Гц) № 5802-91.
8. Методические указания по определению электромагнитного поля
воздушных высоковольтных линий электропередачи и гигиенические требования
к их размещению № 4109-86.
9. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц
№ 3206-85.
10. ОБУВ переменных магнитных полей частотой 50 Гц при производстве
работ под напряжением на ВЛ 220—1150 кВ № 5060-89.
11. Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных
полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц №5802-91.
12. ГОСТ 12.1.006-84. ССБТ. Электромагнитные поля радиочастот
0,3. .300 ГГц. Требования безопасности.
13. СН № 2.2.4/2.1.8 055-96. Электромагнитные излучения
радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ).
14. СН № 2.2.2.542-96. Гигиенические требования к видиодисплейным
терминалам, персональным и электронно-вычислительным машинам и организация
работы.
15. ГН 2.1.8/2.2.019-94. Временные допустимые уровни (ВДУ)
воздействия электромагнитных излучений, создаваемых системами сотовой радиосвязи.
16. СН № 001-96. Санитарные нормы допустимых уровней физических
факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях.
256 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
17 МУК 4 3 679-97 Определение уровней магнитного поля в местах
размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и де-
каметрового диапазонов
18 МУК 4 3 680-97 Определение плотности потока мощности ЭМП в
местах размещения радиосредств, работающих в диапазоне частот
700 МГц 300 ГГц
19 МУК 4 3 678-97 Определение уровней напряжений, наведенных ЭМП
на проводящие элементы здании и сооружений в зоне действия мощных
источников радиоизлучении
20 МУК 4 3 677-97 Определение уровней ЭМП на рабочих местах
персонала радиопредприятий, технические средства которых работают в НН, СЧ и
ВЧ диапазонах
21 МУК4 3 045-96 Определение уровня электромагнитного поля в местах
размещения средств телевидения и ЧМ-радиовещания
22 МУК 4 3 044-96 Определение уровня электромагнитного поля, границ
санитарно-защитнои зоны и зон ограничения застройки в местах размещения
радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов
23 Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров
СН № 5904-91
24 Методические указания для органов и учреждений
санитарно-эпидемиологических служб по проведению дозиметрического контроля и гигиенической
оценке лазерного излучения № 5309-90
Глава 8. ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
В ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ
8.1. Лазерное излучение
и особенности его распространения
Лазеры являются генераторами оптического диапазона, в
которых используется вынужденное электромагнитное излучение
молекул активного вещества, приводимого в возбужденное
состояние источником накачки Активное вещество помещено в
оптический резонатор, образованный двумя параллельными зеркалами
(рис. 8.1), благодаря чему происходит взаимная синхронизация
излучения отдельных молекул Все молекулы активного вещества
излучают синфазно, в результате чего формируется
остронаправленный пучок излучения с очень малой шириной спектра. Такое
излучение называют когерентным, а нерасходящийся пучок
излучения — коллимированным
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 257
3
1
2
Л-
5
/
6
\,
\
\
I
7
Рис 8 1 Схема лазерной установки
/ — активное вещество, 2 — источник накачки, 3 — оптический резонатор, 4 —
лазерный луч, 5 — бленда, 6 — линза, 7 — диафрагма, 8 — мишень
В отличие от обычных, некогерентных источников света,
когерентное излучение лазера с помощью системы линз может быть
сфокусировано на малую сравнимую с длиной волны площадку.
Плотность мощности излучения в центре площадки для мощных лазеров
может достигать 1010.. 1015 Вт/см2, что значительно больше
плотности мощности излучения на поверхности Солнца. При этом
напряженность электрического поля 106...108 В/см.
При столь большой напряженности поля происходит
электрический пробой любых материалов и дальнейшее их разрушение. В
ничтожно малом объеме вещества выделяется большая мощность, что
приводит к очень быстрому повышению температуры вплоть до
105... 106 К, испарению вещества и его ионизации. Испарение носит
взрывной харак-тер, в результате чего на поверхности материала
образуется микрократер и возникает ударная волна.
При дальнейшем действии лазерного излучения испаряющееся
под действием лазерного излучения вещество образует факел,
который экранирует облучаемый материал от непосредственного
воздействия лазерного излучения Факел интенсивно нагревается
лазерным лучом, ионизируется, аккумулирует тепло и передает его
основному материалу Нагревание материала становится более
плавным, начинается стационарный процесс обработки.
При распространении несфокусированного излучения пробой
материала может не возникать, но вследствие нелинейной
зависимости показателя преломления материала от напряженности поля
может возникать самофокусировка излучения и дальнейшее
распространение пучка в сфокусированном виде (самоканализация).
При распространении лазерного излучения в атмосфере
происходит рассеяние луча на частицах пыли и капельках воды (тумана).
Под действием энергии луча происходит испарение капелек воды и
9-4910
258 Часть Л Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
просветление канала распространения. Однако при этом оптическая
плотность (коэффициент преломления) среды в середине канала
уменьшается, что приводит к дефокусировке луча.
При высокой плотности мощности лазерного излучения
возможны пробой и ионизация воздуха. Лазерный пробой является очень
нежелательным явлением, так как при этом лазерный луч
поглощается, не доходя до цели. Для предотвращения лазерного пробоя
лазерное излучение большой мощности следует передавать к месту
назначения в пучках большого диаметра.
Распространение лазерного излучения в воде и других
жидкостях сопровождается довольно сильным затуханием и рассеянием,
причем рассеяние определяется в основном содержащимися в воде
взвесями. Вода наиболее прозрачна при длине волны 0,48 мкм; в
этом случае затухание составляет 0,05 м-1. Для ультрафиолетового
и инфракрасного излучения затухание очень сильное. Благодаря
возможности интенсивного перемешивания воды в ней может
распространяться лазерное излучение довольно большой мощности.
При плотности потока мощности, превышающей 1010 Вт/см2,
происходит закипание и ионизация воды.
8.2. Краткая характеристика различных типов лазеров
Типы лазеров различаются видом активного вещества и
способом накачки.
В твердотельных лазерах в качестве активного вещества
используются кристаллы рубина, иттриево-алюминиевый гранат или
стекло, активированное неодимом или эрбием. Резонатор лазера
образован полированными торцевыми поверхностями кристалла,
покрытыми тонким слоем отражающего материала. Для возбуждения
активного вещества используются импульсные ксеноновые лампы.
В режиме свободной генерации твердотельные лазеры генерируют
импульсы длительностью 0,1...I мс, с энергией десятки джоулей и
мощностью в импульсе — десятки или сотни киловатт. КПД
твердотельных лазеров составляет обычно 1...2 %. Для получения очень
коротких импульсов длительностью 1...20 не используется режим
модуляции добротности. При этом мощность в импульсе может
достигать 109...1010 Вт. Угол расходимости луча в твердотельных
лазерах составляет 20...30°.
В газовых лазерах активным веществом является газ или смес!
газов, которые приводятся в возбужденное состояние с помощью гаш
зового разряда. Газовые лазеры характеризуются малым углом рая
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 259
ходимости луча — всего 1...3°. Наибольшее распространение
получили лазеры на смеси гелия и неона с длиной волны генерации
0,63 мкм и лазеры на углекислом газе с длиной волны 10,6 мкм.
Мощность гелий-неоновых лазеров невелика и составляет десятки
или сотни милливатт. Лазеры на углекислом газе, напротив,
характеризуются большой мощностью — сотни ватт в непрерывном
режиме и высоким КПД — 20...30 %. Мощность этих лазеров можно
еще более повысить, если использовать для возбуждения активного
вещества энергию сгорания окиси углерода в специальной камере,
напоминающей реактивный двигатель. При этом удается получить
мощность генерации в импульсе до сотен киловатт. Лазеры такого
типа называются газодинамическими.
В полупроводниковых лазерах активным веществом является
полупроводниковый кристалл размером около 1 мм3. Резонатор
лазера образован торцевыми поверхностями кристалла. Возбуждение
лазера осуществляется электрическим током, проходящим через
кристалл. Максимальная мощность составляет около 100 Вт в
импульсном режиме и несколько ватт в непрерывном. Вследствие
малых размеров резонатора угол расходимости луча равен
нескольким градусам.
В жидкостных лазерах в качестве активного вещества
используются обычно органические красители. Возбуждение активного
вещества осуществляется или когерентным излучением другого
лазера, или некогерентным излучением импульсных ламп.
Особенностью жидкостных лазеров является возможность при
соответствующем выборе активного вещества получить когерентное излучение с
волной почти любой длины — от 0,34 до 11,75 мкм. Энергия
излучения в импульсе до 10 Дж.
8.3. Применение лазеров
Лазеры широко применяются в самых различных областях
человеческой деятельности благодаря таким уникальным свойствам, как
высокая степень когерентности и монохроматичности излучения,
малая расходимость луча, острая фокусировка излучения и
возможность получения огромной плотности мощности излучения, которые
не встречаются у природных источников.
Благодаря монохроматичности излучения лазеры используются
в качестве генераторов сигнала в волоконно-оптических линиях
связи, дальномерах, измерителях скорости жидкостей и газов,
голографических установках.
9*
260 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Возможность острой фокусировки лазерного излучения
позволила создать лазерный «скальпель» и перейти к бескровным
операциям в медицине, открыла новые направления в микрохирургии
глаза.
Острая фокусировка в сочетании с большой мощностью
излучения используется в технологических процессах при резке, сварке и
прошивке отверстий в самых разнообразных, в том числе и очень
твердых, материалах, в установках для управляемого термоядерного
синтеза.
8.4. Действие лазерного излучения на организм человека
Лазерное излучение является для любого живого организма
непривычным раздражителем, не встречающимся в естественных
условиях. Его биологическое действие зависит от длины волны и
интенсивности излучения. В связи с этим весь диапазон длин волн
делится на ряд областей: от 180 до 380 нм — ультрафиолетовая
область; от 380 до 780 нм — видимая область; от 780 до 1400 нм —
ближняя инфракрасная область, свыше 1400 нм — дальняя
инфракрасная область.
Различают шесть видов воздействия лазерного излучения на
живой организм;
• термическое (тепловое) — выделение значительного
количества теплоты в небольшом объеме за короткий промежуток времени;
• энергетическое — большая напряженность электрического
поля, вызывающая поляризацию молекул и другие эффекты;
• фотохимическое — выцветание ряда пигментов;
• механическое — возникновение колебаний типа
ультразвуковых в облучаемом организме;
• электрострикция — деформация молекул в электрическом
поле лазерного излучения;
• образование микроволнового электромагнитного поля в
пределах клетки.
Под воздействием лазерного излучения может происходить
нарушение нормальной жизнедеятельности как отдельных органов,
так и организма в целом. При этом наиболее уязвимы глаза и кожа.
Характер поражения глаз в сильной степени зависит от длины
волны излучения. В ультрафиолетовом диапазоне при длине
волны от 180 до 380 нм ткани глаза для лазерного излучения
непрозрачны, поэтому поражение глаз носит характер поверхностных
ожогов. При этом обычно поражаются роговица и конъюнктива (ели-
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 261
зистая оболочка глаза). В результате ожога возникает
воспалительный процесс, сильное жжение в глазах.
При импульсно-периодическом или прерывистом воздействии
ультрафиолетового излучения наблюдается накопление его
действия, суммарный биологический эффект при этом приблизительно
пропорционален суммарной плотности энергии излучения.
Диапазон видимого излучения (380...780 нм) является
наиболее опасным для глаз, так как свободно проходит через оптические
ткани глаза и фокусируется на поверхности сетчатки. При этом
плотность потока мощности на сетчатке может быть на 4...5
порядков выше, чем на роговице глаза за счет фокусировки.
При относительно небольшой энергии лазера наблюдается
явление «вспышечной слепоты» — под действием излучения
обесцвечиваются зрительные пигменты, и глаз на некоторое время теряет
способность различать предметы. При плотности энергии на
сетчатке более 2 Дж/см2 (при импульсной работе) происходит ожог
сетчатки. Чувствительность пораженного места к свету полностью
утрачивается и в дальнейшем не восстанавливается.
Энергия лазерного луча, попадающая в глаз, зависит от
диаметра зрачка, который в зависимости от освещенности окружающих
предметов изменяется от 1,6...2 до 7...8 мм. При этом энергия,
попадающая в глаз, изменяется в 15...20 раз. Таким образом, лазерное
излучение более опасно в затемненных помещениях.
Лазерное излучение ближней части инфракрасного диапазона с
длиной волны от 780 до 1400 нм довольно хорошо проходит через
оптические ткани глаза, при этом возможен ожог сетчатки.
Излучение этого диапазона особенно опасно, так как оно невидимо для
глаза. При длине волны больше 1,4 мкм излучение поглощается
тканями, содержащими воду: роговицей, хрусталиком и жидкостью в
передней камере глаза и не доходит до сетчатки. Особенно сильно
нагревается при этом радужная оболочка, содержащая пигмент. При
плотности энергии выше 4 Дж/см2 происходит термический ожог,
который может привести к помутнению хрусталика. Лазерное
излучение с длиной волны более 1700 нм полностью поглощается
роговицей и в ткани, расположенные глубже, не проникает, поэтому
менее опасно для глаз; однако излучение мощного лазера может
вызвать серьезный ожог роговицы.
Поражения кожи наблюдаются обычно на лице вокруг защитных
очков, на внешней поверхности рук, выше линии воротника, т.е. на
тех же местах, которые подвергаются солнечному облучению.
Наиболее сильно действует на кожу излучение ультрафиолетового диа-
262 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
пазона. Относительно небольшие дозы ультрафиолетового
облучения вызывают покраснение (эритемный эффект), исчезающее на
следующие сутки. Более мощное излучение приводит к распаду
некоторых молекул, входящих в состав тканей. Воздействие излучения
видимого и инфракрасного диапазонов сводится в основном к
нагреванию кожи и может привести к ожогам, имеющим резко
очерченные границы и напоминающим обычные термические ожоги.
Кожа человека достаточно хорошо противостоит
непрерывному инфракрасному облучению, так как она способна
рассеивать тепло благодаря кровообращению и понижать
температуру вследствие испарения влаги с поверхности. Импульсное
излучение и особенно излучение лазеров в режиме модуляции
добротности более опасны для кожи, так как тепло не успевает
распространяться в соседние ткани. При этом возникают
ожоги с резко очерченными границами, очаги ограниченного
омертвления (некроза) тканей, пузырьки, наполненные
серозной жидкостью (результат нарушения целостности стенок
капилляров).
Под действием излучения лазеров с энергией от 3 до 100 Дж на
коже возникают кровоизлияния различных размеров. При энергии
излучения менее 3 Дж структурных изменений в коже не
наблюдается, а происходит нарушение деятельности ферментов. Это
понижает антимикробную сопротивляемость кожи, ухудшает ее питание
и повышает чувствительность к повышенной температуре,
раздражающему действию различных химических реактивов. Нарушение
деятельности ферментов в коже может приводить к образованию
токсических веществ, которые, распространяясь по всему
организму, ухудшают общее состояние человека,' вызывают чувство
разбитости, раздражительность, головную боль. Эти неприятные явления
могут сохраняться в течение нескольких часов после окончания
рабочего дня. У людей, работающих с лазерными установками,
обнаружено изменение состава крови, выражающееся в уменьшении
гемоглобина, тромбоцитов, эритроцитов и лейкоцитов.
8.5. Классификация лазерных установок
по степени опасности
По степени опасности лазерного излучения для организма
человека все лазерные установки подразделяются на четыре
класса согласно «Санитарным нормам и правилам устройства и
эксплуатации лазеров» СН 5804-91 [1].
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 263
К / классу относятся лазеры, излучение которых не
представляет опасности ни для кожи, ни для глаз человека.
Ко // классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для глаз или кожи при облучении прямым или зеркально
отраженным излучением.
К /// классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для глаз и кожи при облучении прямым или зеркально
отраженным излучением и опасность для глаз при облучении диф-
фузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности. Диффузно отраженное излучение не представляет
опасности для кожи.
К IV классу относятся лазеры, излучение которых представляет
опасность для кожи и глаз при облучении диффузно отраженным
излучением на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.
Класс лазера (лазерной установки) устанавливается
предприятием-изготовителем. Деление лазеров на классы позволяет четко
определить мероприятия по обеспечению безопасности при работе
с лазерами различных типов.
8.6. Побочные опасные и вредные
производственные факторы
Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или
диффузно отраженное) является не единственной опасностью,
существующей при работе лазерных установок. В зависимости от
технических параметров и условий эксплуатации на обслуживающий
персонал могут воздействовать следующие побочные опасные и
вредные производственные факторы:
• высокое напряжение электропитания лазерных установок;
• очень высокая яркость импульсных ламп накачки, энергия
которых на порядок превышает энергию излучения лазера;
• повышенные запыленность и загазованность воздуха рабочей
зоны продуктами взаимодействия лазерного излучения с мишенью
(озон, окислы азота и другие токсические вещества);
• ионизирующие излучения, возникающие при взаимодействии
лазерного луча с мишенью;
• ультрафиолетовая радиация от импульсных ламп накачки или
кварцевых газоразрядных трубок;
• электромагнитные излучения ВЧ- и СВЧ-диапазонов;
264 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
• повышенная температура поверхностей оборудования и
инфракрасная радиация;
• повышенный уровень шума и вибрации на рабочем месте,
возникающие при работе лазерной установки;
• повышенные пожаро- и взрывоопасность, обусловленные
возможностью попадания лазерного луча на горючие материалы.
Все перечисленные побочные факторы наиболее сильно
проявляются при работе лазерных установок IV класса, но могут
встречаться и при работе установок III класса.
8.7. Нормирование лазерного излучения
Основным документом, устанавливающим предельно
допустимые уровни (ПДУ) лазерного излучения, являются «Санитарные
нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» [1]. В
соответствии с этим документом для определения предельно допустимых
уровней воздействия используются следующие параметры
излучения.
Для импульсного или кратковременного воздействия, когда
суммарный биологический эффект определяется в основном общей
энергией излучения, нормируется энергетическая экспозиция Н,
Дж/м2, — плотность потока энергии излучения.
При кратковременном облучении глаз видимым светом
нормируется энергия лазерного излучения W, Дж, приходящаяся на
апертуру (площадку) диаметром 7 мм (зрачок глаза).
При длительном облучении, когда организм адаптируется к
действию лазерного излучения, нормируется облученность Е, Вт/м2,
т.е. плотность потока мощности излучения.
При длительном облучении глаз видимым светом
нормируется мощность лазерного излучения Р, Вт, приходящаяся на
апертуру диаметром 7 мм.
В ультрафиолетовом диапазоне волн при однократном
воздействии в широком диапазоне длительностей облучения Ю-9.. 104с ПДУ
энергетической экспозиции И определяются из табл. 8.1
Таблица 8 1
Спектральный интервал Л, нм
180 302,5
302,5 315
315 380
#пду, Дж/м2
25
0,8 • 10°2tt-295)
8 103
Глава 8 Лазерная техника в инженерной экологии 265
При очень коротких воздействиях длительностью менее 10~9 с
для диапазона волн 180...380 нм НПдУ, Дж/м2, определяется
выражением
ЯцдУ= 2.5-10^2/3
где t — длительность воздействия, с.
В диапазоне видимого и ближнего инфракрасного излучения
(длина волны от 380 нм до 1400 нм) нормй ПДУ устанавливаются
различными для глаз и для кожи. При однократном воздействии на
глаза коллимированного лазерного излучения при длительности
облучения менее 1 с нормируется энергия излучения W, Дж,
попадающая в глаза. Значения 1^Пду могут быть определены из графика на
рис. 8 2. При длительности облучения более 1 с нормируется
мощность излучения Р, Вт, попадающая в глаза. Значения ЯПдУ
определяются из графика на рис. 8.3.
Для неколлимированного, т.е. расходящегося широким пучком,
излучения 1^Пду(или Яцду) увеличивается в В раз, значения
коэффициента В определяются из табл. 8.2, где а — видимый размер
источника излучения. Если а < апред, то В принимается равным 1.
В инфракрасном диапазоне (для глаз и кожи) и видимом (для
кожи) при длительности воздействия менее 1...3 с нормируется
энергетическая экспозиция И, Дж/м2, а при большей длительности
ю
"ПДУ
Дж
ю
ю
ю
ю -
/
/
/
/
/
0,7
i 1,0
мкм
1,0
ч
\о
1,4мк
,38 С
м
/\
,6 мкк
у/
//у/
//у
~~0,6 0,75 г
Л
ЛКМ
-11 10 -9 -8-7-6 5 4 3 -2 -1
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1
Длительность облучения f, с
Рис. 8 2 Предельно допустимые уровни энергии при однократном воздействии
на глаза коллимированного лазерного излучения
266 Часть I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
Длительность облучения t, с
Рис. 8.3. Предельно допустимые уровни мощности при однократном воздействии
на глаза коллимированного лазерного изучения
воздействия — облученность (плотность потока мощности
излучения) Е, Вт/м2. Значения предельно допустимых уровней облучения
#Пду и ?Пду Для указанного диапазона приведены в табл. 8.3.
Таблица 8.2
Длительность облучения, с
Менее 10~9 и более 1
Ю-9. Ю-7 и Ю-2... 1
10-7...10-5и 10-4...10-2
Ю-5... 10"4
В
103a2 + 1
2,8 103а2 + 1
8,2 103 а2 + 1
2,5 104а2 + 1
оспред рад
Ю-2
5 10-3
3,5 КГ3
2 10-3
Таблица 8.3
Диапазон длин
волн, мкм
0,38,..0,5 и 2,5 100
0,5 .0,9 и 1,8.. 2,5
0,9...1,8
Длительность
облучения t, с
Ю-10. .0,1; 0,1 , 1, 1 ,.100
Более 100
10"10. .3; 3...100
Более 100
10-'°.. 1; 1. .100
Более 100
Нормы ПДУ Я, Дж/м2,
или Е, Вт/м2
Н = 2,5 Kfi'Tt, Н=5 103 V-/
? = 5 103/>Гг, ? = 5 102
Н = 7 103\[-t. я= 5 103Tt
? = 5 102
Н = 2 104V~>
? = 2 104V7T; ? = 5 102
Для лазерного излучения в виде серии -импульсов методика
расчета ПДУ несколько усложняется. Рассмотрим сначала ПДУ
воздействия на глаза лазерного излучения в видимом и ближнем ин-
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 267
фракрасном диапазонах волн (0,38 мкм < Я < 1,4 мкм). Если период
повторения импульсов Т не превышает 200 с, а длительность одного
импульса Ги меньше 0,25 с, то предельно допустимое значение
энергии серии импульсов 1^Пду определяется как наименьшее из двух
значений:
Wx = Wmy(t) и W2 = Wmy(Tj (ЛГД)2/3, (8.1)
где И^пду (0 ~~ ПДУ для однократного воздействия с
длительностью, равной длительности серии импульсов (см. рис. 8.2); ^пду
(7И) — ПДУ для импульса длительностью Ти; N — число импульсов
в серии; ^ — отношение максимальной энергии импульса в серии
к средней энергии импульса:
^«^„U/tt^V (8.2)
В тех случаях, когда ^ неизвестно, полагают \ - 1.
Если длительность серии импульсов t превышает 1 с,
нормируется предельно допустимая средняя мощность как наименьшее из
двух значений:
Рх = РПдуО и Р2 = W2/t,
где Рпду (^) — предельно допустимая мощность излучения
длительностью t, определяемая из рис. 8.2; W2 определяется выражением
(8.1).
Если период повторения импульсов больше 200 с, то воздействие
импульсов считается независимым и нормируется значение энергии
импульса, имеющего максимальную амплитуду.
При воздействии серии импульсов на глаза в
ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах и на кожу — во всех диапазонах
волн ПДУ определяется аналогичным образом.
Если длительность одного импульса менее 10 с, а период
повторения импульсов менее 10 мин, то предельно допустимая суммарная
энергетическая экспозиция Япдудля серии импульсов определяется
как наименьшее из двух значений:
я1 = япду (/) и я2 = япду (ги) (yvA)1/2, (8.з)
где ЯПдУ0) — предельно допустимое значение энергетической
экспозиции для однократного облучения длительностью t; Япду (ТИ) —
предельно допустимое значение энергетической экспозиции для
импульса длительностью Ги; t — длительность серии импульсов; ^ —
коэффициент, определяемый соотношением (8.2).
Если длительность серии импульсов превышает 1 с, то
нормируется значение облученности ЕПдУ, определяемое как наименьшее из
268 Часть I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе
(t) и En = H2/t. Если
двух значении: tx - сПду U)Hc2 = n2/i. если период следования
импульсов в серии превышает 10 мин, то воздействие импульсов
считается независимым и нормируется значение энергетической
экспозиции //цдудля импульса, имеющего максимальную амплитуду.
При хроническом (повторяющемся изо дня в день) воздействии
лазерного излучения все значения ПДУ уменьшаются в 10 раз для
ультрафиолетового излучения и в 5 раз для видимого и
инфракрасного диапазонов волн.
8.8. Расчет плотности энергии лазерного излучения
конкретных установок
Для оценки степени опасности конкретной лазерной установки
необходимо плотность потока энергии (или мощности) данной
установки сравнить с ПДУ. В тех случаях, когда параметры лазера
известны, это может быть сделано расчетным путем. Наиболее просто
рассчитать плотность потока энергии (энергетическую экспозицию)
для прямого лазерного луча: достаточно энергию излучения лазера
разделить на площадь сечения луча. В случае зеркального
отражения коллимированный характер луча сохраняется, но
энергетическая экспозиция уменьшается пропорционально коэффициенту
отражения.
При диффузном отражении лазерного излучения плотность
потока энергии может быть вычислена по формуле
pWcos 9
Я = -
Л/о
(8.4)
Рис. 8.4. Падение лазерного луча на диффузно отражающую поверхность
(Р — точка наблюдения)
Глава 8. Лазерная техника в инженерной экологии 269
где W — полная энергия излучения лазера; р — коэффициент
отражения от поверхности; 0 — угол между нормалью к поверхности
и направлением на точку наблюдения Р\ 12 — расстояние от
рассеивающей поверхности до точки наблюдения (рис. 8.4).
Значения коэффициента отражения для некоторых материалов
приведены в табл. 8.4.
Таблица 8.4
Материал
Белая бумага
Светлая штукатурка
Белая ткань
Неокрашенное дерево
Черная бумага
Черный бархат
Коэффициент отражения
0,95...0,98
0,4.. 0,9
0,55...0,65
0,65. 0,8
0,04 0,05
0,002
Примеры расчета плотности энергии из