Алгоритм определения концентрации пестицидов в воздухе поля и за его пределами при наземного штанговом опрыскивании сельхозкультур (часть II)

  • Авторы: В.А. Закордонец, А.И. Юрченко, Е.М. Багацкая, Т.В. Юрченко
Скачать вложения:

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

РЕЗЮМЕ. В работе приведен алгоритм расчета концентрации пестицидов в воздухе агроценоза. Показана необходимость учитывать особенности технологий опрыскивания сельскохозяйственной культуры (расход раствора, характеристика распыливания, фазы развития культуры и др.) при применении основных формул алгоритма. Подчеркнута позитивная сторона применения моделей для более аргументированного обоснования экспертных оценок в вопросах безопасности применения химической защиты растений.
Ключевые слова: алгоритм расчета, пестициды, концентрация в воздухе, штанговое опрыскивание.

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