Рис.2.1. Принципиальная схема ГТС

Геотехнические системы – открытые динамические системы, объединяющие в себе природные и техногенные компоненты, обладающие совокупностью структурных и функциональных свойств, имеющие сложные взаимосвязи и иерархическое строение.

Геотехнические системы являются разновидностью экосистем, включающих в себя техносферную компоненту, как элемент естественного развития человеческого общества и биосферы в целом. [7]

ГТС может представлять собой как отдельно стоящий промышленный объект, так и   целый город или промышленный узел (космодром, аэропорт, испытательный полигон), в котором наряду с промышленными реализуются и другие технологии: транспортные, бытовые, сервисные, систем связи и пр.

Общим для всех видов технологий является изъятие из природной среды и использование природных ресурсов и порождение материальных энергетических и информационных техногенных полей.

Основное условие устойчивого развития и динамического равновесия ГТС - оптимальное взаимодействие как элементов внутри системы, так и самой геотехнической системы в целом с внешней по отношению к ней окружающей средой.[8]

Обеспечение экологического подхода к развитию геотехнических систем требует рассматривать их с изменяющимися естественными и техногенными геохимическими аномалиями как результат адаптации техногенного центра ГТС к адаптируемой, в свою очередь окружающей среде.[9]

Природоемкость геотехнической системы складывается из потребления природных ресурсов на технологические нужды.

Природные ресурсы служат для рассеивания, распыления, разбавления и размещения организованных и неорганизованных газопылевых выбросов, сбросов сточных технологических вод и размещения твердых отходов производства и потребления, а так же :

ü Земля - для размещения инженерно-технических сооружений техносферы;

ü Вода – для осуществления технологических процессов и в качестве промывочных вод;

ü Воздух - для осуществления технологических процессов, отсосов, вентиляционных систем. [4]

Техноемкость природной среды в ГТС определяется тем предельным количеством техногенного вещества и энергии, которое не приводит к нарушению динамического равновесия природных компонентов Геотехнической системы, деградации или гибели биоты.

   Полная природоемкость геотехнической системы должна быть всегда меньше полной техноемкости природной среды на некоторый коэффициент экологического резерва (коэффициент экологической устойчивости).

Предполагая, что функционирование ГТС осуществляется в рамках безусловного соблюдения ПДК для всех компонентов природной среды и допустимое состояние биоты этими условиями обеспечивается, можно исключить блок биоты (биоценоз) из общей схемы. При этих условиях рациональные управленческие решения, оптимизация и анализ состояния ГТС могут быть выполнены инженерными методами. [4, 6-9] 

Рассмотрим упрощенную структуру ГТС, образованную под воздействием промышленного объекта, представленную компонентами природной среды непосредственно участвующими в технологических процессах в качестве места размещения, источника сырья и приемников отходов различного агрегатного состоянии.

Каждый из блоков-элементов природной среды в ГТС обладает некоторым внутренним равновесием, т.е. находится в квазистационарном состоянии. Однако на границе взаимодействия (гомогенности) сред наблюдаются взаимно обменные потоки массопередачи,  которые могут быть активизированы за счет отдельных ингредиентов отходов производства и потребления участвующих в обменных процессах.

Общие границы ГТС достаточно условны, размыты и определяются уровнем естественного или измененного геохимического фона характерных для производственного процесса веществ. На упрощенной схеме они обозначены пунктиром (Рис.2.2.).

.

Рис.2.2. Упрощенная схема взаимодействия промышленного предприятия аэрокосмической отрасли с элементами природной среды в ГТС

Обозначим потоки массопередачи, используя начальные буквы компонентов природной среды и самого производства [4]:

А – атмосфера;

Г – гидросфера (поверхностные и подземные воды);

Л – литосфера;

П – промышленный объект ( технологическое производство)

Типы массопередачи:

АП – ресурсы атмосферы на нужды производства;

ЛП – ресурсы литосферы на нужды производства;

ВП – ресурсы гидросферы на нужды производства;

ПА, ПЛ, ПВ - диффузия, фильтрация, сорбция веществ выделяемых производством в различных средах окружающей среды;

АГ - осаждение сорбция и инфильтрация загрязняющих веществ из атмосферы в поверхностные и подземные воды гидросферы;

ГА – испарение, десорбция загрязняющих веществ из поверхностных и подземных вод гидросферы в атмосферу;

АЛ – осаждение, сорбция загрязняющих веществ из атмосферы на поверхности литосферы;

ЛА – выветривание загрязняющих веществ , испарение загрязненных осадков с поверхности литосферу в атмосферу;

ГЛ – сорбция, осаждение загрязняющих веществ от испарений загрязненных вод на поверхности литосферы;

ЛГ – вымывание, выщелачивание загрязняющих веществ с поверхности литосферы в поверхностные и подземные воды гидросферы

Рассмотренная упрощенная схема может видоизменяться в ряде конкретных случаев. Некоторые потоки могут быть равны нулю, а природные компоненты исключаться из рассмотрения.[4]

Например, если мы будем рассматривать ГТС с техногенным центром, который представляют авиатранспорт и околоземные космические летательные аппараты следует рассматривать лишь блок с компонентом среды Атмосфера. При этом Атмосферу целесообразно, в этом случае, разделить на околоземный слой, верхние слои атмосферы и околоземное космическое пространство, которые взаимодействуют между собой собственными потоками массопередачи.

Материальный баланс

Геотехнические системы подчиняются законам сохранения массы и энергии. [4] При рассмотрении любой геотехнической системы без детализации его внутренней структуры (любое производство аэрокосмической отрасли) можно утверждать, что за некоторый промежуток времени будут выполняться следующие уравнения, демонстрирующие закон сохранения массы вещества М:

М _{входящего +} М _{имеющегося} =М  _{выведенного} + М _{оставшегося}

М _{входящего} - М _{выведенного} =М _{имеющегося} + М _{оставшегося}

 М _{имеющегося} + М _{оставшегося} = М _{накапливаемого}

М _{входящего} - М _{накапливаемого} = М _{выведенного}

Из чего следует, при анализе потоков массопредачи вещества в можно определить скорость накопления вещества V_M в ГТС:

М _{расход вещества на входе}   - М _{расход вещества на выходе}  = V_M

Если в технологическом процессе промышленного производства протекают химические реакции преобразования вещества то закон сохранения массы вещества можно выразить формулой:

М _{входящего} - М _{выведенного} +

+ М _{образовавшегося} - М _{разрушенного}  = М _{прироста}

При этом материальный баланс ГТС или отдельного блока ГТС представляется в системном, формализованном виде на основе строгих закономерностей.

Материальный баланс при этом составляют на единицу или массу выпущенной продукции (шт, ед), на единицу массы или объема ( кг, м³), в единицу времени (час, сутки, месяц, год). Расчет материального баланса предприятия осуществляется при обязательном учете перерабатываемого сырья, готового продукта, избытков компонентов, определяемых условиями химических реакций, степень превращения сырья в конечном продукте и возможные потери.

Материальный баланс позволяет при заданной мощности производства определить :

ü расход материалов (сырья);

ü выход продукции;

ü количество отходов, переходящих в окружающую среду.

Материальный баланс – наиболее часто встречаемая форма технологических расчетов, которая, как правило, выражается в табличной форме или в форме диаграммы.

Пример материального расчета:

Требуется определить необходимое количество воздуха для осуществления оптимального сгорания топлива в двигателе летательного аппарата. Где 1 кг топлива содержит С/100 углерода, S /100 серы, Н/100 водорода (в % масс). Стехиометрические[1] уравнения горения основываются на законе сохранения массы и выглядят с учетом данных таблицы Менделеева следующим образом (Рис.2.3.).

Формулы для углерода:            (2.1.)

 12,01кг С +32кг О2           44,01кг СО2   

 1кг С + 1,8м3 О2               1,8 м3 СО2

Формулы для водорода:           (2.2.)  

4,032 кг Н2 + 32кг О2      36,032 кг Н2О

1кг Н2 +5,55 м3 О2            11,1 м3 Н2О

Формулы для серы:              (2.4.)

32,06кг S + 32кг S О2       64,06 кг SО2 

1кг S + 0,7м3 S            0,7м3 SО2

Объем кислорода (м³) для полного сгорания 1 кг топлива составит:

V _О2 ( C ) = 1,86 ;        (2.5.)

V _О2 ( S ) = 0,7  ;            (2.6.)

V _О2 ( H ) = 5,6 ;             (2.7)

Таким образом общий объем кислорода составит:

          V _О2 = 1,86  + 0,7   + 5,6           (2.8)

Мы знаем, что в воздухе содержится в среднем 21% кислорода

Рис.2.3.Таблица химических элементов

Следовательно общий объем воздуха будет равен:

                               V_o^O = V _О2 / 0,21              (2.9.)

Однако из практики известно, что потребность в воздухе несколько больше, что связано с типом топлива и конструкцией двигателя и определяется дополнительным повышающим коэффициентом ὰ . таким образом оптимальный объем воздуха для полного сгорания 1 кг топлива будет равен:                    V = ὰ V_o^O = ὰ ;              (2.10)