Экспериментальные и теоретические исследования распространения и осаждения аэрозолей в турбулентном потоке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.05, доктор физико-математических наук Куценогий, Константин Петрович

• Куценогий, Константин Петрович
• доктор физико-математических наук
• 1983

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Куценогий, Константин Петрович

ВВЕДЕНИЕ.'.

ГЛАВА I. Классификация химических методов борьбы с вредными насекомыми

§ 1.1. Анализ современной концепции качества обработки методами опрыскивания.

§ 1.2. История развития аэрозольного метода

ГЛАВА 2. Теоретическая модель аэрозольной технологии применения инсектицидов

§ 2.1. Имитационная модель в потоковом приближении

§ 2.2. Уравнение модели в линейном приближении

§ 2.3. Расчетные соотношения для оценки эффективности применения инсектицидных аэрозолей, уровня остаточных количеств в растительности и влияния на полезных насекомых, животных и человека

§ 2.4. Анализ следствий линейной модели

Сравнение эффективности различного класса инсектицидов, оценка опасности црименения инсектицидных аэрозолей с экологической и санитарно-гигиенической точки зрения

§ 2.5. Анализ функциональных соотношений для выражения членов в имитационной модели

ГЛАВА 3. Закономерности распространения аэрозолей в приземном слое атмосферы.

§ 3.1. Краткий анализ теоретического описания закономерностей рассеяния аэрозолей в приземном слое атмосферы.

§ 3.2. Влияние метеорологических условий, высоты выброса и размера частиц на величину импульсной концентрации.

§ 3.3. Влияние растительности на импульс концентрации

§ 3.4. Экспериментальные исследования осаждения жидких аэрозолей на растительности

§ 3.4.1. Лабораторно-стендовые опыты по определению эффективности захвата аэрозольных частиц растительными элементами.

§ 3.4.2. Экспериментальное исследование осаждения аэрозолей на растительности при расцространении в приземном слое атмосферы

§ 3.4.2.1. Методика определения дисперсного состава аэрозольного облака.

§ 3.4.2.2. Теоретическая модель осаждения аэрозольных частиц на растительности

§ 3.4.2.3. Моделирование распространения аэрозолей в растительности методом Монте

- Карло.

ГЛАВА. 4. Экспериментальное определение остаточных количеств и импульса концентрации на различных расстояниях от генератора

ГЛАВА 5. Теоретическая модель расчета эффективной ширины захвата и удельного расхода ядохимиката при борьбе с вредными насекомыми

§ 5.1. Случай летающих насекомых

§ 5.1.1. Влияние метеорологических условий, высоты источника и полидисперсности частиц на эффективность применения инсектицидных аэрозолей в борьбе с летающими насекомыми

§ 5.1.2. Влияние растительности на величину удельного расхода при борьбе с летающими насекомыми

4 5.2. Ползающие насекомые .*.;.

§ 5.2.1. Роль величины осадка в динамике сбора препарата. Влияние размера частиц в осадке, препаративной формы и свойств поверхности на скорость массообмена

§ 5.2.2. Методика экспериментального исследования скорости сбора ядохимиката для ползающих насекомых

§ 5.2.2.1. Кинетика сбора ползающими насекомыми при контакте с загрязненной поверхностью .*.

§ 5.2.2.2. Кинетика выпадения ядохимиката из взвешенного состояния на ползающих насекомых.

§ 5.2.3. Расчет удельного расхода ядохимиката в зависимости от размера капель, веса насекомого и ширины захвата

ГЛАВА 6. Влияние способа применения инсектицида на глобальный уровень загрязнения

ГЛАВА 7. Санитарно-гигиенические и экологические аспекты аэрозольной технологии применения инсектицида

§ 7.1. Санитарно-гигиенические вопросы при использовании инсектицидных аэрозолей.

§ 7.2. Влияние аэрозольных обработок на полезную энтомофауну.

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальные и теоретические исследования распространения и осаждения аэрозолей в турбулентном потоке»

В настоящее время борьба с вредителями сельского и лесного хозяйства, а также с переносчиками различных заболеваний животных и человека ведется в огромных масштабах.

Необходимость защиты растений, являющихся пищевыми культурами и источниками сырья, диктуется прежде всего тем, что потери от вредителей, болезней и сорняков во всем мире составляют до 35$ потенциального урожая. Из них 14$ приходится на вредителей, 12$ на болезни и 9$ на сорняки. Конкретные величины для разных видов сельскохозяйственных культур показаны в таблице I

Таблица I

Мировые потери сельскохозяйственной продукции

Продукция

Мдн.т.| %

Сахарная свекла и сахарный тросник Кофе, какако, чай, табак, хмель Зерно

Семена масличных культур Картофель

Волокнистые растения и натуральный каучук

Плодовые, цитрусовые, томаты

Овощи

636 45 6

37

506

35

42

33 32

129 8

32

56 78

29

В денежном выражении возможные ежегодные мировые потери в сельском хозяйстве оцениваются в 75 млрд долларов [2^ . В СССР стоимость сохраненной продукции' в начале семидесятых годов оценивалась в 5,7 млрд рублей в год, и защитные мероприятия позволяли сберечь большое количество сельскохозяйственных продуктов: 15 млн. т зерна 10 млн. т сахарной свеклы и т.д. [з^ . С развитием производства и применением минеральных удобрений необходимость защиты будет возрастать в еще большей степени, так как эти факторы, наряду с увеличением урожайности, будут вызывать улучшение условий обитания вредных организмов * . С учетом роста населения земного шара до 6 * 6,5 млрд человек в 2000 г. производство и применение минеральных удобрений и химических средств защиты растений будет увеличиваться, чтобы гарантировать получение высоких и устойчивых урожаев с каждого гектара общей сельскохозяйственной полезной площади (3,7 млрд.га, в том числе 1,3 млрд. га пашни). Из 3,5 млрд. человека, населяющих земной шар в данный момент, примерно третья часть обеспечена питанием гораздо ниже минимального уровня и постоянно подвержена опасности голодной смерти, еще треть недоедает 5•

В этих условиях у современного земледелия нет другого выбора, как выращивание монокультур в районах, которые в экологическом отношении лучше всего подходят для данной культуры. Эта система монокультур неизбежно связана с появлением и длительным существованием очагов вредных насекомых и болезней, получающих при таком способе ведения хозяйства неограниченную пищевую базу ¡6-9] .

Тенденции, связанные с ростом интенсификации сельского хозяйства СССР, можно проследить по таблице 2 [ю"] . Как видно из этих данных, при росте стоимости продукции в 3 раза за период 1970-2000 г.г. стоимость защитных мероприятий возрастает уже в 6 раз, т.е. наблюдается относительное удорожение защиты растений.

Таблица 2.

Рост стоимости продукции и расходов на защиту растений в СССР по годам [ю] .

Показатель 1950 1970 1980 2000

Стоимость продукции растениеводства, млрд.руб. 22,5 45 67,5 135

Потенциальные потери продукции от вредителей, болезней и сорняков, млрд.руб. 5,5 15,7 22 33

Стоимость сохраненной продукции, млрд.руб. 1,5 5,3 12,2 24,6

Доля от потенциальных потерь, % 27,3 33,8 55,4 74,5

Стоимость защиты растений, млрд.руб. 0,12 1,2 4,8 7,2

Указанная тенденция удорожания системы защитных мероприятий имеет общих характер и связана с непрерывным ее совершенствованием п].

Рост стоимости защитных мероприятий связан с действием многих факторов, среди которых следует упомянуть два, наиболее важных с точки зрения рассматриваемых ниже вопросов.

Во-первых, значительный рост цен на ядохимикаты, который наблюдается в связи с требованиями охраны ощ)ужающей среды. Новые препараты должны удовлетворять очень многим, зачастую противоречивым требованиям, что затрудняет их разработку и производство , 12 * 14"| . Достаточно сказать, что в настоящее время из каждых 10000 синтезированных и изученных соединений внедряется лишь одно, и в дальнейшем это будет не проще [2,15^ .

Во-вторых, усложнение технических средств, применяемых для защиты растений. Современные и будущие машины и технологические процессы включают в себя все новейшие достижения смежных отраслей науки и техники. Существенно усложняется и соответственно становится дороже организация службы защиты [з, 16 * 18^ •

Весьма значительна роль защитных мероприятий в лесном хозяйстве и здравоохранении. Так только в СССР борьба с хвое и листо-грызущими вредителями леса ежегодно проводится на площади около I млн.га р9,20^ . Нередки крупные вспышки массовых размножений вредителей в лесах США и Канада [21^} , когда очаги поражения достигают сотни тысяч гектаров.

В области здравоохранения актуальной является проблема борьбы с переносчиками болезней. Так в настоящее время около 1,8 млрд человек находятся в областях, где они подвергаются опасности заболевания малярией [22^ . Согласно данным Всемирной организации здравоохранения ежегодно малярией болеет около 200 млн. людей [23] . Примером того, что означает химический метод борьбы с малярией может служить опыт проведения защитных мероприятий в Щри Ланка ¡"5,7] • В период с 1950 до 1964, когда там велась борьба с переносчиками болезни, малярия находилась под контролем. В дальнейшем из-за финансовых трудностей применение ДЦТ в борьбе с комарами было прекращено и уже в 1969 году число больных малярией достигло прежнего уровня. Динамика изменения численности больных по годам представлена в таблице 3.

Таблица 3.

Динамика численности больных малярией в Шри Ланка

Года Число заболеваний Число смертных случаев Примечание

1946 2800000 12590

1961 ПО -

1962 31

1963 17

1967 3000 Прекращена борьба

1968 16000

1969 2500000

Приведенные примеры убедительно свидетельствуют, что современное человечество не в состоянии обойтись без использования ядохимикатов. Однако, в настоящее время накоплено значительное количество данных, которые показывают, что неправильное применение пестицидов может привести к серьезным вредным последствиям [3,5,14] .

Поэтому в настоящее время ведутся интенсивные исследования по рациональному и научно обоснованному использованию ядохимикатов в сельском и лесном хозяйстве, а также в здравоохранении.

На современном этапе наиболее рациональна система защитных мероприятий,организованная по принципу интегрированной борьбы

5,18,21,24,25^ . По определению Международной организации по биологической борьбе, интегрированная защита растений - это борьба с вредными организмами,учитывающая пороги их вредоносности и использующая в первую очередь природные ограничивающие факторы, наряду с применением всех других методов, удовлетворяющих экономическим, экологическим и токсикологическим требованиям [2б] . В настоящее время в комплексе мер по защите растений, входящих в понятие интегрированной борьбы, ведущая роль принадлежит химическому методу. Эта ведущая роль, по оценкам не только химиков и технологов, но и представителей другой группы специалистов -агрономов, биологов и гигиенистов, сохранится и на ближайшие десятилетия [16 ] . Такое состояние обусловлено тем, что альтернативные биологические методы борьбы пока недостаточно изучены теоретически и еще менее разработаны формы их практического применения: из 4500 важных в экономическом отношении видов вредителей биологические методы борьбы применяют против 2,5$ [27^ . Более того, накопленный опыт показывает, что как и любые другие методы, биологические методы имеют принципиальные ограничения.

Одно из наиболее существенных - это их неэффективность в период вспышек массового размножения вредителей [16,24] . В силу этого, прогнозируется достаточно быстрое увеличение производства химических средств защиты растений на будущее. Так в частности, потребность в пестицидах в неизменных ценах 1975 года будет возрастать на 35$ каждые 5 лет вплоть до 1990 года, (таблица 4) Высокие темпы развития химического метода защиты растений имели место и в нашей стране. Это отчетливо прослеживается по темпам, роста производства пестицидов. Так в СССР производилось (в тыс. т. 100$-ного действующего начала):

1960 1965 1970 1975

32,3 103,2 163,8 257

За десятилетие почти на 70$ увеличилось и потребление пестици

Таблица 4.

Ожидаемая потребность в пестицидах (млн.долларов США в ценах 1975 года) [28]

1975 1980 1985 1990

Гербициды 2300 3450 5140 7700

Фунтициды 1035 1345 1600 1880

Инсектициды 1910 2390 3070 3700

Итого : 5245 7185 9810 13280 дов в СССР (с 215 тыс.т в 1964 до 354 тыс.т в 1974 г.). Площади, на которых применялись химические обработки, также за этот период возросли с 74 до 125 млн.га [29J . Обращает на себя внимание факт роста производства пестицидов относительно производства удобрений. Если в 1968 г. в США стоимость пестицидов составляла 40$ стоимости удобрений, в 1969 - 47,3, то в 1975 - уже 61,5$.

В условиях непрерывного роста масштабов применения химических средств защиты растений первостепенная роль в уменьшении загрязнения окружающей среды принадлежит совершенствованию методов применения пестицидов. Можно выделить несколько аспектов научно-обоснованного подхода к оптимизации технологии применения инсектицидов, однако, все они нацелены на решение одной цели -уменьшения валового роста ядохимиката и нанесения минимальных вредных последствий окружающей среде, животному миру и человеку. Приведем основные принципы, используемые для выработки конкретных практических рекомендаций:

I. Разработка, создания и применение селективно-действующих физиологических активных соединений, быстроразлагающихся в окружающей среде [2 - 5, 14,16,22,25,30,31,38] .

2. Определение экономического порога вредоносности [32*35]] .

3. Учет роли экологических факторов, регулирующих численность вредных насекомых [в,17,18,36] .

4. Оценка социально-гигиенических исследований от применения ядохимикатов [37,39] .

5. Совершенствование технологии применения инсектицидов и повышение эффективности уже имеющихся методов [13, 40*43] .

В реальных условиях четко разделить указанные выше принципы трудно, т.к. нередко каждый из них в той или иной мере связан либо с одним, либо несколькими другими.

Особо следует выделить последний аспект, ибо в любом сочетании успешное решение вопроса о совершенствовании технологии применения ядохимикатов всегда приводит к положительному результату.

Таблщщ 5. Классификация генераторов в зависимости от дисперсности распыла [52, 53] .

Наименование метода Диаметр капель, мкм

Тонкий аэрозоль менее 50

Грубый аэрозоль 50-100

Тонкое распыление 100-250

Среднее распыление 250-400

Грубое распыление 400-500

Очень грубое распыление более 500