Algorithm for Determining of Pesticides Concentration in the Air of Fields Area and Beyond the Range During Ground Bar Spraying of Crops (Part 2)

  • Authors: V.A. Zakordonets, A.I. Yurchenko, O.M. Bagatska, T.V. Yurchenko
Download attachments:

В.А. Закордонець, д.мед.н., А.І. Юрченко, О.М. Багацька, к.сіль.-госп.н., Т.В. Юрченко, к.сіль-госп.н.

Інститут екогігієни і токсикології ім. Л.І. Медведя

SUMMARY. Algorithm of calculation of pesticides concentration in air of agrocoenosis was shown in the article. Necessity of taking in consideration the peculiarities of technologies of pesticides application (spraying) on agricultural crops (flow rate of the solution, characteristics of the solution dispersion, stage of the crops development, etc.) during the main formulas of algorithm application was demonstrated. It was emphasized on advantages of the model application for more well-reasoned expert assessment of chemicals application safety.
Key words: algorithm of calculation, pesticides, concentration in air, peculiarities.

Відомо, що хімічний метод захисту рослин в Україні реалізується переважно з застосуванням водних розчинів препаративних форм. Вода як розчинник відносно летка речовина і відіграє суттєву роль у процесах розповсюдження препарату за межі площ, що обприскуються.

Випаровування — складний фізичний процес, тому його математичне моделювання дуже часто стикається із значними методичними та інформаційними труднощами. Стандартних методів розрахунку втрат препаратів внаслідок випаровування крапель водяних робочих розчинів пестицидів, а також відтворення процесів формування їх концентрації в повітрі агроценозів, на жаль, поки що не запропоновано. Широко відома теорія конвективної дифузії осідання домішок ксенобіотиків у приземному шарі атмосфери не дає адекватних результатів, особливо при наземному штанговому обприскуванні [1].

Виходячи з наведеного вище, виникає необхідність у розробці нових моделей або у підборі найбільш адекватних формул розрахунку швидкості випаровування води та хімічних сполук із групи математичних моделей, що тривалий час використовуються в різних технологічних схемах.

Мета даної роботи апробувати формули розрахунку процесів випаровування речовин за різних виробничих технологій для визначення концентрації пестицидів у повітрі агроценозів.

Для кращого сприйняття викладеного матеріалу скористаємося основними інформаційними даними, опублікованими в попередній роботі [2]: сільськогосподарська культура — озима пшениця висотою 0,8 м; площа обприскування — 27 га (600 х 450 м); препарат — фуфанол, 57 %, к.е. (діюча речовина малатіон, 570 г/л); норма витрати — 1,2 л/га; концентрація (С) діючої речовини в одиниці розчину С р.р. = 13,68 мг/см3; обприскувач — ОП-2000-2-01; штанга — 18 м; розміщення над рівнем землі — 1,2 м; крок встановлення розпилювачів РЩ-110-1,0 дорівнює 1 м; кількість — 17 штук; витрата робочого розчину через розпилювач — 14,5 см3/с; погодно-кліматичні умови (о шостій годині ранку — початок обприскування): температура повітря на рівні рослинного покриву (0,8 м) — 14,2°С; на висоті 2 м від землі — 13,6°С, швидкість вітру на висоті 2 м — 1,5 м/с, відносна вологість повітря 60 %, атмосферний тиск 750 мм.рт.ст.

На основі наведених даних у попередній публікації було обчислено наступні параметри: швидкість витрати робочого розчину — 246,5 см3/с, швидкість миттєвого покриття площі в одиницю часу — 49,3 м2/с; оптимальна робоча швидкість обприскувача — 2,74 м/с; початковий миттєвий умовний об'єм повітря — 59,16 м3; імпульс концентрації в початковому миттєвому об'ємі повітря — 57 мг/м3; швидкість висхідного конвективного потоку повітря о шостій годині ранку 0,2 м/с; миттєвий приріст умовного об'єму повітря — 9,86 м3/с.

Таблиця 1

Об'єми та кількість краплин і-тих діаметрів в одному см3 робочого розчину

Витрата часу на проходження одного гону довжиною 600 м дорівнює 219 с, час розвороту агрегата в кінці гону 15 секунд. Витрата часу для обприскування 27 га (25 гонів) займе 5835 секунд (приблизно 1,62 години).

У попередній публікації [2] для спрощення розрахункових операцій нами були прийняті наступні граничні умови:
- густина водних робочих розчинів близьких до 2 % ± 0,5% прийнята нами за 1;
- ;параметр миттєвості (миттєва швидкість, площа покриття, витрати робочого розчину, та інше) визначаються при t=1 секунда;
- коефіцієнт розтікання осівших крапель К=2;
- миттєве щосекундне надходження парів пестициду в умовні об'єми повітря проходить у вигляді окремих хмар (клубів), що ведуть себе автономно в системі токсичної хвилі:
- для виключення розрахунків бокового розмиття токсичної хмари пестициду за координатою "y" умовний об'єм повітря розміщений нами в середній точці робочого гону обприскувача, при цьому вважається, що розмиття токсичної хмари відбувається тільки уверх, за координатою "z" (найбільш консервативний варіант розрахунку);
- всі розрахунки проведені для поодинокої хвилі токсичної хмари пестициду;
- не осідаюча фракція di = 40 мкм з розрахунків, поданих у таблицях 4-8 виключена, як така, що не бере участі у форсуванні вторинних токсичних хмар.

Алгоритм розрахунку концентрації пестициду в повітрі, що формується паровою фракцією, порівняно з алгоритмом для пароаерозольної фракції [2] доповнюється рядом математичних моделей обчислення об'ємів і площ крапель робочого розчину та моделей інтенсивності процесів випаровування води і пестициду при обприскуванні сільськогосподарських культур.

Спочатку на основі дисперсної характеристики розпилювачів РЩ 100-1,0 [3], за формулами, приведеними в табл. 1, визначені кількість, об'єми і площі краплин окремих фракцій. При цьому встановлено, що сферична площа краплин di діаметра при коефіцієнті розтікання К=2 дорівнює площі краплі, що осіла на рослинах.

Сумарні параметри миттєвої витрати робочого розчину пестициду подані в табл. 2.

Таблиця 2

Сумарні площі краплин і-діаметра водного робочого розчину пестициду

Майже в усіх публікаціях, присвячених питанням удосконалення технологій обприскування сільгоспкультур пестицидами, фахівці підкреслююсь важливу роль випаровування води з крапель робочого розчину на наступну поведінку препаратів у плані непродуктивних витрат, забруднення природного середовища і біологічної ефективності. Разом з тим, до цього часу є багато протиріч та до кінця не вивчених питань стосовно швидкості випаровування води з робочих розчинів.

Так, в роботі Н.В. Нікітіна і співавторів [1] приведені розрахункові значення діаметрів крапель препарату для різних концентрацій робочого розчину (1-60 %) після повного випаровування з них води. Згідно з цими даними випаровування з крапель води діаметром 40-250 мкм 1 % робочого розчину триває від 1,1 до 44 секунд відповідно, а діаметр крапель зменшується в 4,4-4,6 раза. Ці дані співпадають з даними інших авторів [5] щодо повного випаровування крапель води при їх розповсюджені в приземному шарі. Разом з тим, є багато свідчень того, що на швидкість випаровування води значно впливають різного роду забруднюючі домішки та продукти окислення [4, 6, 7].

У процесі випаровування робочих розчинів пестицидів значну роль відіграють рецептури препаратів. Так, близькі за леткістю сполуки — бутиловий ефір 2,4-Д (10-6 при t 25°С) і карбофос (10-5 при t 30°С) дуже різняться за часом, що витрачається на випаровування крапель однакових розмірів. Для карбофосу час повного випаровування крапель у вісім разів більший, ніж у крапель бутилового ефіру 2,4-Д [4].

Наші розрахунки стосовно 2,4 % робочого розчину фуфанону показали зменшення діаметрів краплин 40-700 мкм у 3,4-3,47 раза відповідно.

Визначені діаметри краплин препаративної форми, що залишились після повного випаровування води, дозволяють за відомими формулами обчислити об'єми краплин води і препаративної форми (табл. 3).

Таблиця 3

Параметри крапель робочого розчину фуфанону після повного випаровування з них води

Швидкість випаровування води з поверхні крапель розрахована за двома [6] формулами.

За дифузійним законом час повного випаровування краплин в секундах (t) дорівнює:

F — початкова поверхня краплини, см2; ρ — густина речовини, г/см2; R — універсальна газова постійна, 83,2х106 ерг•град-1•моль-1; Т — абсолютна температура, К; М — молекулярна маса; Д — коефіцієнт дифузії води, см2/с; (Рк-Р) — надлишок тиску водяного пару на поверхні краплини; Р = тиск РН пару при t °С •W (відносна вологість повітря), мм рт. ст.; Рк = тиск РН пару t °С •1,3332 •103 дин/см2

Результати розрахунків за даною формулою подані у табл. 4.

Таблиця 4

Розрахункові дані надходження пестициду в атмосферне повітря за формулою (1)

Ця формула враховує різницю у швидкості випаровування речовин з крапель різних діаметрів і дозволяє вчасно виключати фракції краплин з процесу випаровування.

Формула (колишнього Всесоюзного теплотехнічного інституту (ВТІ)) для розрахунків швидкості випаровування води зручна тим, що віддзеркалює вплив швидкості вітру на процес.

v — швидкість вітру, м/с; В — барометричний тиск, мм рт.ст.; Рн — тиск насиченої пари при температурі вологого термометра, мм рт. ст.; Р1 — тиск пару води в повітрі при і-тій відносній вологості, мм рт. ст.

Швидкість випаровування води за даною формулою у нашому випадку дорівнює 13,5 мг/м2•с.

При випаровуванні води робочого розчину пестициду з поверхні крапель різного діаметру одночасно співвипаровується і діюча речовина препарату. Кількісне визначення діючої сполуки проводиться за формулою (3) [7, 8].

Wd, Ww — маса пестициду і води в дистиляті відповідно; Мd, Мw — молекулярна маса пестициду і води відповідно; Pd, Pw — тиск насиченої пари пестициду і води, відповідно при t °С; Рн — відносна вологість повітря, %.

За нашими розрахунками співвипаровування у даному випадку реєструється на рівні 0,629 мг/см3. Цей рівень враховано в табл. 4, 5.

Таблиця 5

Розрахункові дані надходження пестициду в атмосферне повітря за формулою (2)

Швидкість випаровування малатіону з поверхні осівших обезводнених крапель препарату визначилась за формулою (4) [6, 7]:

де v — швидкість вітру, м/с; Рн — тиск насиченої пари речовини, мм.рт.ст. М — молекулярна маса речовини.

За нашими розрахунками швидкість випаровування малатіону в даних умовах дорівнює 0,0039 мг/м2•с. Ця величина врахована при обчисленнях, приведених у табл. 6.

Таблиця 6

Розрахункові дані надходження пестициду в атмосферне повітря за формулою: 

Крім наведених вище моделей (1-4) для розрахунків вмісту парів пестициду в повітрі агроценозу, необхідно скористатися кількома допоміжними математичними операціями, що стосуються формування токсичної хмари. При цьому слід зауважити, що моделювання поширення клубу забруднювача, приведене у роботі Ю.І. Посудіна [9] для промислових викидів, не завжди може бути використане для польових досліджень через те, що воно розраховане на відстані, що перевищує 100 м.

Прийняті нами умови формування і розповсюдження токсичної хмари подібні за характеристиками до методики, використаної Ц.І. Бобовниковою із співавторами [10].

Щосекундне надходження парів пестициду до вторинного умовного об'єму відбувається тільки над обробленою площею. За межами її відбувається лише збільшення умовного об'єму.

Розрахунок початкового первинного умовного об'єму повітря приведено у публікації [2]. Він дорівнює 59,16 м3. Там же подано визначення приросту (Ω∆t=1c) умовного об'єму. У нашому випадку величина приросту становить 9,86 м3/с.

Початковий вторинний умовний об'єм повітря визначено за формулою:

Sмит.пок. — площа миттєвого покриття робочим розчином, м2; h — висота рослинного покриву, що обприскується, м.

За нашими даними Ωп.о.вт.= 49,3•0,8 м = 39,44 м3/с.

Даний умовний об'єм заповнюється парами пестицидів, що надходять у повітря з поверхонь осівших крапель робочого розчину.

Наша модель передбачає, що після обприскування над обробленою площею кожної секунди i утворюється токсична хмара № i об'ємом Ωi, в яку випаровується mi діючої речовини.

Об'єм хмари № i на j-ій секунді її існування розрахуємо за формулою:

j — час існування (міграції) токсичної хмари, с; Ωп.о.вт — початковий вторинний умовний об'єм повітря і-тої секунди утворення, м3/с; Ω∆вmi — щосекундний приріст умовного об'єму повітря, м3/с.

Висота стовпа вторинного умовного об'єму повітря на j-ій секунді існування розрахована за формулою:

vzt — швидкість вертикального підйому повітря, м/с; j — час міграції токсичної хмари в умовному об'ємі повітря, с; h — висота рослинного покриву.

За наших умов для віддалі 150 м:

Визначення концентрації діючої речовини в токсичній хмарі № і на j-ій секунді її існування здійснюється за формулою:

mi — кількість діючої речовини, що надійшла в умовний об'єм і, мг; Ωij — умовний об'єм токсичної хмари № і на j-ій секунді її існування. Концентрація пестициду в точці Х простору є сумою концентрацій пестициду токсичних хмар, які містять цю точку Х.

Концентрацію діючої речовини в точці Х, на відстані l від межі поля, через час Т після обприскування розраховуємо за формулою:

K=0 — рахунок ведеться від точки 0;

 — час, за який вітер знесе токсичну хмару на відстань Lш, що дорівнює довжині штанги обприскувача, с;

 

 — час, за який вітер знесе токсичну хмару на відстань l від обробленої площі до точки розрахунку, с;

 

min{t-1,T-tl }- мінімальний час з урахуванням нульової точки, с; T-tl-k+1 — і номер токсичної хмари; tl+k — j-та секунда існування токсичної хмари, взятої для розрахунку концентрації; Т — час після обприскування, с.

Для T > t+tl формулу (9) можна спростити:

 — кількість умовних токсичних хмар в ширині зах-t вату при даній швидкості вітру.

 

Наприклад,
1) Концентрація діючої речовини на відстані 150 м від межі поля через 100 с після обприскування:


2) Концентрація діючої речовини на відстані 150 м від межі поля через 200 с після обприскування:

У таблиці 7 приведені розраховані за формулою (1) концентрації малатіону в поодинокій токсичній хмарі на момент закінчення процесу випаровування води з поверхні осівших краплин робочого розчину. Часові фрагменти, надходження пестициду в умовні об'єми повітря з початку їх формування і до кінця процесу випаровування подані у зворотному порядку, що відповідає реальному стану речей (табл. 4). Найбільший рівень концентрації пестициду відмічається на вістрі токсичної хмари. Коливання концентрації у хмарі в основному реєструються в межах одного порядку.

Таблиця 7

Розрахункові концентрації пестициду (за формулою) у фрагментах токсичної хмари за часом і відстанню

У нашому випадку максимальна концентрація малатіону (8•10-5) на три порядки нижча ГДК в атмосферному повітрі (0,014 мг/м3), час експозиції на рівні 23-30 хвилин. В такій ситуації негативні прояви дії ксенобіотика можуть реалізуватися на особах хворих на алергію. Слід зауважити, що при обприскуванні значних сільськогосподарських площ рівні концентрації пестицидів і їх експозиція можуть бути набагато вищими порівняно з величинами поодинокої токсичної хвилі.

Результати розрахунків, наведені в табл. 4, 5, 7 за формулою, що моделює випаровування речовин у стані крапель і за формулою колишнього ВТІ для випаровування води з плоскої поверхні, показали різницю в часовому і дистанційному вимірах майже в 6,7 раза. Ця різниця обумовлена тим, що тиск пари на сферичній випуклій поверхні крапель, більший ніж на плоскій поверхні [6]. Дана різниця вимагає обґрунтування вибору моделі для різних технологій обприскування.

Як відомо за розмірами крапель обприскування ділять на дрібнокрапельне (51-150 мкм), середьокрапельне (151-300 мкм) і крупнопкрапельне (>300 мкм). У комплексі з технологією диспергування можна отримати покриття від оптимального крапельного до суцільного змочування. За нормами витрат робочого розчину (л/га) обприскування відносять до високо-об'ємного (> 400-500), середньооб'ємного (50-400), малооб'ємного (10-50) і ультрамало-об'ємного (< 10 л/га) [4].

Саме у блоці середньооб'ємних витрат виникає необхідність провести розмежування між крапельним і суцільним покриттям поверхні рослин. Для цього слід при мікрокліматичних дослідженнях сільськогосподарських угідь мати на увазі аспекти, пов'язані з технологіями захисту рослин (зміни параметрів мікроклімату під впливом технологій обприскування). Доцільно фіксувати мікрокліматичні особливості в залежності від умов розташування площ за сторонами світу, рози вітрів, характеристики сільськогосподарської культури у різні фази розвитку [11].

Поданий в роботі алгоритм розрахунків дозволяє в залежності від поставлених задач визначити:
- концентрації паро-аерозольної токсичної хмари первинного умовного об'єму, що проходить через фіксовані точки санітарно-захисної зони, (публікація 2);
- часові та дистанційні фрагменти концентрації поодинокої хвилі токсичної хмари, що формується за рахунок вторинних умовних об'ємів парової фази пестицидів, (табл. 7);
- при необхідності, встановити поле концентрацій при конкретних технологічних умовах та можливий час експозиції ксенобіотика на організм людини;
- приведений алгоритм розрахунку концентрацій пестицидів у повітрі агроценозів дає можливість більш аргументовано і з меншою витратою часу оцінити рівень безпечності застосування хімічного засобу з позицій охорони здоров'я сільгоспробітника і сільського населення.

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Никитин Н.В. Технические средства и технологические особенности применения гербицидов и арборицидов на объектах несельскохозяйственного пользования / Н.В. Никитин, Ю.Я. Смирнов, В.Г. Шестаков — М.: BASF The Chemical Company. — 2009. — 68 с.

2. Закордонець В.А. Алгоритм визначення концентрації пестицидів у повітрі поля і за його межами при наземному штанговому обприскуванні сільгоспкультур (частина 1) / В.А.Закордонець, А.І. Юрченко, О.М.Багацька, Т.В.Юрченко // Современные проблемы токсикологии. — 2010. — № 4. — С. 51—54.

3. Лысов А.К. Совершенствование механизации опрыскивания растений / А.К.Лысов // Защита растений. — 2003. — №9. — С. 38—39.

4. Дунский В.Ф. Пестицидные аэрозоли / В.Ф.Дунский, Н.В.Никитин, М.С.Соколов. — М.: Наука, 1982. — 287 с.

5. Осеннее применение дифезана на озимой пшенице / Ю.Я.Спиридонов, Н.В.Никитин, М.С.Роскин [и др.] // Защита растений. — 2003. — №8. — С.25—26.

6. Мацак В.Г. Гигиеническое значение скорости испарения и давления пара токсических веществ, применяемых в производстве / В.Г.Мацак, Л.К.Хоцянов. — М.: Медгиз, 1959. —230 с.

7. Гончарук Е.И. Санитарная охрана почвы от загрязнений химическими веществами / Е.И.Гончарук. — Киев, Здоров'я, 1977. — 158 с.

8. Лисенко М.А. Определение остаточных количеств пестицидов /[под ред. акад. АН УССР, чл.-кор. АМН СССР Ю.И.Кундиева] — К.: Здоров'я. — 1983. — С. 15—30.

9. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища / [Підручник] Ю.І.Посудін — Київ: Світ, 2003. — 288 с.

10. Бобовникова Ц.И. Опыт составления баланса ЛЛТ в полевых условиях / Ц.И.Бобовникова, К.П.Вириченко, В.В. Егоров [и др]. // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах: Труды ІІІ Всесоюзного совещания Обнинск, сентябрь, 1971 г. — Ленінград. — 1985. —С.41—47.

11. Щербань М.И. Микроклиматология / М.И.Щербань. — К.: Вища школа, 1985. — 224 с.

 

REFERENCES

1. Nikitin N.V. Tekhnicheskie sredstva i tekhnologicheskie osobennosti primeneniya gerbicidov i arboricidov na ob'ektakh nesel'skokhozyajstvennogo pol'zovaniya / N.V. Nikitin, Yu.Ya. Smirnov, V.G. Shestakov — M.: BASF The Chemical Company. — 2009. — 68 s.

2. Zakordonec' V.A. Alhorytm vyznachennya koncentracii pestycydiv u povitri polya i za joho mezhamy pry nazemnomu shtanhovomu obpryskuvanni sil'hospkul'tur (chastyna 1) / V.A.Zakordonec', A.I. Yurchenko, O.M.Bahac'ka, T.V.Yurchenko // Sovremennye problemy toksykolohyy. — 2010. — № 4. — S. 51—54.

3. Lysov A.K. Sovershenstvovanie mekhanizacii opryskivaniya rastenij / A.K.Lysov // Zaschita rastenij. — 2003. — №9. — S. 38—39.

4. Dunskij V.F. Pesticidnye aerozoli / V.F.Dunskij, N.V.Nikitin, M.S.Sokolov. — M.: Nauka, 1982. — 287 s.

5. Osennee primenenie difezana na ozimoj pshenice / Yu.Ya.Spiridonov, N.V.Nikitin, M.S.Roskin [i dr.] // Zaschita rastenij. — 2003. — №8. — S.25—26.

6. Macak V.G. Gigienicheskoe znachenie skorosti ispareniya i davleniya para toksicheskikh veschestv, primenyaemykh v proizvodstve / V.G.Macak, L.K.Khocyanov. — M.: Medgiz, 1959. —230 s.

7. Goncharuk E.I. Sanitarnaya okhrana pochvy ot zagryaznenij khimicheskimi veschestvami / E.I.Goncharuk. — Kiev, Zdorov'ya, 1977. — 158 s.

8. Lisenko M.A. Opredelenie ostatochnykh kolichestv pesticidov /[pod red. akad. AN USSR, chl.-kor. AMN SSSR Yu.I.Kundieva] — K.: Zdorov'ya. — 1983. — S. 15—30.

9. Posudin Yu.I. Metody vymiryuvannya parametriv navkolyshn'oho seredovyscha / [Pidruchnyk] Yu.I.Posudin — Kyiv: Svit, 2003. — 288 s.

10. Bobovnikova C.I. Opyt sostavleniya balansa LLT v polevykh usloviyakh / C.I.Bobovnikova, K.P.Virichenko, V.V. Egorov [i dr]. // Migraciya zagryaznyayuschikh veschestv v pochvakh i sopredel'nykh sredakh: Trudy ІІІ Vsesoyuznogo soveschaniya Obninsk, sentyabr', 1971 g. — Lenіngrad. — 1985. —S.41—47.

11. Scherban' M.I. Mikroklimatologiya / M.I.Scherban'. — K.: Vischa shkola, 1985. — 224 s.

Надійшла до редакції 24.03.2011