Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное экологическое состояние автомобильно-дорожного комплекса (литературный обзор) 15
1.1. Воздействие автомобильных дорог на природную среду 15
1.2. Экологическая оценка автомобильно-дорожного комплекса 18
1.3. Образование токсичных выбросов 19
1.4. Воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду 21
1.5. Загрязнение окружающей среды предприятиями автомобильно-дорожного комплекса 24
1.6. Загрязнение придорожных территорий от автомобильно-дорожного комплекса 26
1.7. Способы определения коэффициента экологической безопасности 30
1.8. Физико-химические свойства основных загрязняющих веществ в зоне влияния автомобильных дорог 35
1.9. Хроматографический метод определения состава выхлопных газов 38
Глава 2. Разработка системы экологической оценки дорожно-строительных материалов и покрытий (обсуждение результатов) 41
2.1. Разработка системы дорожно-экологического мониторинга 41
2.2. Установление перечня приоритетных загрязнителей окружающей среды в районе влияния автомобильно-дорожного комплекса 58
2.3. Оценка совместного влияния приоритетных загрязнителей окружающей среды 67
2.4. Разработка и исследование сорбентов для газохроматографического анализа органической части приоритетных загрязнителей окружающей среды 75
2.5. Экологическая оценка дорожно-строительных материалов и асфальтобетонных покрытий 86
2.6. Расчет скорости сорбции тяжелых металлов асфальтобетонным покрытием 102
2.7. Оценка транспорта ионов тяжелых металлов из асфальтобетонного покрытия на поверхность почвы 113
Глава 3. Экспериментальная часть 117
3.1. Объекты исследования и методики проведения экспериментов 117
3.2. Аппаратура, материалы и реактивы 119
3.3. Эксплуатационные характеристики асфальтобетонных покрытий 121
3.4. Методы обработки экспериментальных данных 125
3.5. Оценка погрешности измерения величин 127
Выводы 132
Литература 133
Приложение 145
- Воздействие автомобильных дорог на природную среду
- Установление перечня приоритетных загрязнителей окружающей среды в районе влияния автомобильно-дорожного комплекса
- Экологическая оценка дорожно-строительных материалов и асфальтобетонных покрытий
- Оценка погрешности измерения величин
Воздействие автомобильных дорог на природную среду
С каждым годом во всем мире автомобильный транспорт приобретает все более интенсивное развитие, но, наряду с преимуществами, этот процесс сопровождается негативным воздействием на окружающую среду. Использование автомобиля, как массового транспортного средства, ведет к значительному преобразованию естественных экологических систем. Транспортный поток является основным источником загрязнения приземного слоя атмосферы в зоне влияния автомобильных дорог. По данным Госкомстата, из общего количества технического загрязнения атмосферы на долю автотранспортных средств приходится более 50% [4-7].
Экологическая напряженность, вызванная деятельностью дорожно-транспортного комплекса, в России продолжает повышаться из-за недостаточного внимания к экологическим аспектам проектирования, строительства, эксплуатации автомобильных дорог и производственных предприятий дорожного хозяйства [4,8-11]. Известно, что загрязнение окружающей среды от автомобильных дорог распространяется далеко за их пределы на придорожные территории. Следует отметить, что на территории России влияние сети дорог на окружающую среду составляет площадь более одного миллиона км2, в тоже время площадь территории России составляет около 17 млн. км . В Республике Татарстан протяженность дорог с твердым покрытием в 1995 году составила около 10500 км, из них с асфальтобетонным покрытием - 5400 км [12].
Воздействие автомобильных дорог и дорожного хозяйства на природную .среду проявляется следующим образом: нарушаются условия жизни растительного и животного мира, микроклимата, происходит эрозия почв и грунтов, изменяется режим стока поверхностных и грунтовых вод, загрязняется атмосферный воздух. Кроме того, происходят акустическое, вибрационное, электромагнитное и радиационное загрязнения придорожной территории.
Доля транспортно-дорожного комплекса в общем экологическом ущербе от загрязнения окружающей среды в стране по данным НИИАТа составляет около 15% [13]. Более 80% этого ущерба наносит автомобильный транспорт и около 27 % - обусловлено дорожными условиями эксплуатации автотранспортных средств. В связи с этим, необходим экологический подход к проектированию автомобильных дорог, который позволит скоординировать технический уровень и транспортно-эксплуатационное состояние последних с природным рельефом и ландшафтом местности [14-15]. Так, в работе [16] выявлены особенности техногенных аномалий в зависимости от высоты местности над уровнем моря, климатических условий и др. В условиях Карпат при одинаковой интенсивности движения автотранспорта ширина техногенной полосы вдоль дороги сужена по сравнению с таковой на равнинах, так как рассеивающая способность атмосферы зависит от вертикального распределения температуры и скорости ветра. Большое значение на повышение уровня загрязнения оказывает инверсия, при которой загрязняющие атмосферу газы не рассеиваются в атмосфере, а прижимаются к поверхности земли. Наиболее часто инверсия возникает в утренние и вечерние часы при скорости ветра до 3,5 м/с в условиях ясной и переменной облачности [17-18]. На условия движения транспортных потоков оказывают непосредственное влияние погодно-климатические факторы. Так, уменьшение средней скорости передвижения автотранспорта при плохих погодных условиях составляет от 7 до 23 %, а при плохом состоянии дорожного покрытия - до 38 % [19]. Как известно на выброс вредных веществ существенно влияет режим работы автомобиля. Максимальный выброс вредных веществ до 47 % происходит при разгоне автомобиля, минимальный, около 20 %, - при постоянной скорости, поэтому очевидна необходимость обеспечения равномерного движения автомобильного транспорта по автомобильным дорогам [20].
Кроме того, во время эксплуатации автомобильных дорог происходит образование дорожной пыли, содержащей канцерогенные соединения, в частности бенз(а)пирены, которые образуются не только в результате износа дорожного покрытия, но и за счет стирания автомобильных шин [21-22]. С учетом физико-химических свойств бенз(а)пирена сделано предположение о том, что он попадает в воздух придорожной полосы в составе пылеобразных частиц [23].
В последнее время для изготовления дорожных покрытий стали использовать такие материалы, как шлаки, золы, и отходы промышленных производств, которые содержат токсичные тяжелые металлы (кадмий, никель, ртуть, ванадий, селен и др.) [24]. При устройстве оснований дорог достаточно широко используют фосфогипс, при применении которого на всех этапах строительства образуется пыль, загрязняющая воздух рабочей зоны, концентрация которой составляет от 15 до 52 мг/м [25].
По данным работы [26] верхний слой асфальтобетонного покрытия дорог III категории с интенсивностью движения 3000 автомобилей в сутки в процессе эксплуатации изнашивается в среднем на 1мм в год. При этом, в окружающую среду поступают различные токсичные вещества, например, кадмий [27].
Необходимо учесть, что контакт человека с дорожным покрытием опосредован, специфическое действие дорожного материала на биоту чрезвычайно сложно выявить на фоне других действующих факторов среды.
В работе [28] предложена методика гигиенической оценки безопасности дорожных строительных материалов с добавлением промышленных отходов. Она включает 3 блока исследований: санитарно-химический, экотоксикологический и натурный. Санитарно-химические исследования заключаются в моделировании процессов поступления веществ в окружающую среду и сопоставлении их концентраций с действующими гигиеническими нормативами. В экотоксикологических исследованиях оценивают токсичность водных вытяжек из дорожно-строительных материалов. При натурном исследовании ведут наблюдение за состоянием растительности вдоль дорожного полотна, степенью истираемости покрытия, наличием выбоин, трещин и вспучиваний.
Установление перечня приоритетных загрязнителей окружающей среды в районе влияния автомобильно-дорожного комплекса
В атмосферный воздух, почву, асфальтобетонное покрытие и поверхностные воды в районе влияния автомобильно-дорожного комплекса регулярно поступает множество вредных примесей. При этом, для установления приоритетности примесных соединений необходимо учитывать их количественное содержание, нормы ПДК, класс опасности и токсичное воздействие на организм человека. Из всего ассортимента токсичных веществ, выбрасываемых в окружающую среду, необходимо контролировать только те, которые представляют реальную угрозу безопасной жизнедеятельности человека в зоне влияния автомобильно-дорожного комплекса. Кроме того, перечень приоритетных загрязнителей необходимо установить на основе сведений о составе и характере выбросов от стационарных и передвижных источников выбросов, метеорологических условий рассеивания примесей, токсичности ингредиентов, входящих в состав выбросов, архитектурную планировку района расположения автомобильно-дорожного комплекса. Эти факторы, очевидно, являются основными при формировании уровня загрязнения окружающей среды. Определяются вещества, которые выбрасываются стационарными и передвижными источниками, и оценивается возможность превышения норм (ПДК) для них. В результате этой процедуры составляется список приоритетных веществ, подлежащих контролю.
Для определения перечня приоритетных ингредиентов и составления их списка нами использовались параметр потребления воздуха (ПВ) [17].
Реальное ПВІ = Mj / qi , (14) И требуемое ПВТІ = Mj / ПДКІ , (15) где Mj - суммарное количество выбросов і-ой примеси от всех источников, расположенных на обследуемой территории; ЯІ - концентрация примеси, установленная расчетным путем или в результате замеров.
Устанавливается, будет ли средняя или максимальная концентрация примеси превышать при данных выбросах соответственно среднюю суточную (ПДКСС) или максимально разовую (ПДКМ.Р.). Если ПВТІ ПВ) , то ожидаемая концентрация примеси в окружающей среде может быть равна (ПДК) или превышать ее значение. Это говорит о том, что искомая примесь должна контролироваться. Перечень веществ для организации наблюдений устанавливается сравнением (ПВ) и (ПВ;) для средних (ПДКСС) и максимальных (ПДКм-р) концентраций примесей.
После отбора примесей, подлежащих контролю, определяли очередность организации контроля над специфическими примесями, выбрасываемыми разными источниками. С этой целью рассчитывали параметр требуемого потребления воздуха (ПВТІ)" ПВТІ= МІ/ ПДКССІ , (16) где МІ - суммарное количество выбросов і-ой примеси от всех источников, расположенных на обследуемой территории.
Если ПВті.і ПВТ1.2 ПВ-п.з то первой в список контролируемых примесей войдет примесь с наибольшим значением ПВТ]., второй - примесь со следующим значением ПВ-п под номером 2 и т.д. Таким образом, составляли список приоритетных загрязнителей окружающей среды, учитывая также класс их опасности.
Приоритетный список, полученный на первом этапе, необходимо скорректировать, используя данные о характере выбросов от стационарных и передвижных источников с учетом их рассеивания. В дальнейшем, на втором этапе, выбор приоритетных примесей проводится по их максимальной концентрации (qMax) и нормам (ПДКМ.Р,), а также сравнивая величины (ПВмах) и (ПВТ). Численные значения (ПВмах) получены из расчета отношения М / qM . При этом максимальная наземная концентрация qM определяется как
Если примесь выбрасывается несколькими источниками, например, асфальтобетонными заводами и автомобильным транспортом, то для приближенной оценки ПВ их принимали за один источник, выброс которого приравнивали суммарному выбросу вещества из этих источников. В качестве ПВтмах использовали табличные данные, полученные из комбинации параметров выбррсов и коэффициента турбулентного обмена А, равного 180. Параметр ПВмах рассчитан при этих же условиях.
Если выбросы от асфальтобетонных заводов осуществляются в достаточном удалении от поверхности земли и характеризуются повышенными температурами, то выброс автотранспорта следует считать низкотемпературным, осуществляемым с малой скоростью.
Для установления перечня приоритетных загрязнителей окружающей среды были использованы результаты инвентаризации томов предельно допустимых выбросов предприятий автомобильно-дорожного комплекса, а также справочно-информационные данные.
Совместное влияние не благоприятных условий выбросов и не оптимальных характеристик горизонтального и вертикального рассеивания примесей, зависящих от турбулентной диффузии, скорости и дисперсии направлений ветра, обеспечивает рост максимальной наземной концентрации примеси и, как результат этого, увеличение ассортимента токсичных примесей, подлежащих контролю. В этом случае список приоритетных загрязнителей увеличился за счет специфических ингредиентов, составляющих основу холодных выбросов, поступающих в атмосферный воздух на небольшой высоте и с относительно малой скоростью.
В таблице 7 приведены результаты расчета перечня приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха в районе влияния автомобильно-дорожного комплекса.
Экологическая оценка дорожно-строительных материалов и асфальтобетонных покрытий
Материалы, предназначенные для строительства автомобильных дорог, имеют сложный и неоднородный состав. Они, как правило, состоят из неорганических ингредиентов различной структуры и органического вяжущего, в качестве которого наиболее часто используют нефтепродукты с высокой температурой кипения. В состав асфальтобетонных смесей могут входить также и тяжелые металлы.
Источники загрязнения автомобильных дорог можно условно подразделить на следующие виды: загрязняющие вещества, мигрирующие из атмосферного воздуха под действием собственной массы или с дождевыми каплями; загрязнения, наносимые ветром или ливневыми и талыми водами на дороги с прилегающих территорий (продукты эрозии почвы, органические загрязнения, мусор и т.п.); загрязнения, возникающие в результате движения и эксплуатации автомобильного транспорта, продукты истирания асфальтобетонного покрытия и автомобильных шин, загрязнения, попадающие с колес автомобильного транспорта, смазочные масла и нефтепродукты и др. Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, в различных формах они способны загрязнять все основные области биосферы -воздух, воду, почву. В отличие от органических загрязняющих веществ, которые могут подвергаться процессам разложения и трансформации, тяжелые металлы способны лишь к перераспределению в различных средах. Токсическое действие тяжелых металлов обусловлено тем, что они существуют в природных объектах в виде ионов [104-107].
Кадмий (Cd) попадает в окружающую среду из металлических покрытий, серебряно-кадмиевых аккумуляторов, сигаретного дыма, автомобильных шин, в результате промышленного производства горнорудной продукции и др.
Наиболее распространенные формы в окружающей среде - Cd2+.
Он является сильно токсичным, обладает мутагенными и канцерогенными свойствами. Токсические эффекты проявляются в появлении белка в моче, почечно-каменная болезнь, гипертония, уменьшение гемоглобина в крови, накапливающийся яд, разрушение нервной системы.
Медь (Си) находится в окружающей среде в виде ионов Си2+. Ионы меди обладают токсичным, общетоксическим, раздражающим и мутагенным влиянием на организм человека и животных, что приводит к нарушению деятельности печени, болезни Вильсона, вызывает головную боль, головокружение, боли в мышцах и т.д.
Источниками поступления в окружающую среду являются металлические покрытия деталей транспортных средств, строительные сооружения, промышленные предприятия.
Свинец (РЬ) относится к одним из наиболее распространенных загрязнителей окружающей среды, присутствующий в виде ионов РЬ . Характеризуется сильной токсичностью общего характера, обладает канцерогенным действием.
Токсические эффекты проявляются в анемии, почечной недостаточности, заболевании мозга, может заменять кальций в костях.
Источники поступления в окружающую среду: свинцовые трубы, краски, антидетонационные добавки в бензин, свинцовые аккумуляторы, промышленные предприятия.
Цинк (Zn)
Наиболее распространенные формы в окружающей среде - Zn2+ . Характеризуется общетоксическим свойством, раздражающим, канцерогенным действием, вызывает малокровие и отек легких, рвоту.
Источники поступления в окружающую среду: сплавы, металлические покрытия, металлургия, рудные воды.
Стронций (Sr), будучи близок к кальцию по химическим свойствам, резко отличается от него по своему биологическому действию. Избыточное содержание этого элемента в почвах, водах и продуктах питания вызывает «уровскую болезнь» у человека и животных - поражение и деформацию суставов, задержку роста и др.
Учитывая токсичность тяжелых металлов, проведены исследования миграции их в асфальтобетонном покрытии. На начальном этапе проанализированы компоненты, входящие в состав асфальтобетонной смеси. Образцы материалов, используемых при приготовлении асфальтобетонной смеси, были отобраны на городском АБЗ. Используя метод атомно-абсорбционной спектроскопии, в образцах определили содержание тяжелых металлов. Результаты анализа приведены в таблице 9. Из таблицы видно, что все исследованные материалы содержат свинец, кадмий, цинк, хром, медь. Наиболее высокое содержание свинца и хрома наблюдается в минеральном порошке. Асфальтобетонная смесь готовится в соответствии с ГОСТ 9128-97, где: гранитный щебень - 37,7 - 40 %; песчаный отсев 42,5 - 45 %; минеральный порошок - 14,1 - 15 %; битум БНД 60/90.
Даже высокое содержание тяжелых металлов не является критерием непригодности материала для изготовления асфальтобетонного покрытия. Опасность для окружающей среды определяется, прежде всего, подвижностью токсикантов и их участием в природных процессах.
Для определения степени токсичности асфальтобетонного покрытия, отбирались пробы с различных автомобильных дорог г. Казани, после чего определялось содержание элементов. В качестве примера, в таблице 10 приведено содержание элементов в образце дорожного покрытия, отобранного с ул. Пр. Победы.
Как видно из таблицы, наиболее высокое содержание в этом образце наблюдается у железа, магния, бария, алюминия, натрия и марганца.
Оценка погрешности измерения величин
При оценке погрешности измерения величин следует иметь в виду, что измерения являются функциями ряда независимых переменных и могут быть представлены как: Y = f(xbx2,xp...xn) (62)
При этом связь между стандартными отклонениями функций уу и независимых переменных ох будет иметь вид: [97]
Если истинное значение измеряемой величины не известно, то рассчитывается погрешность воспроизводимости. Средняя квадратичная погрешность (стандартное отклонение) характеризует разброс данных относительно среднего арифметического значения х определяемой величины [98]:
Оценку абсолютных и относительных среднеквадратичных погрешностей проводили с учетом выборки при доверительной вероятности 0.95, а также принимали во внимание тот факт, что измерения аналитических сигналов проводили не менее чем из 5 параллельных определений. Относительная погрешность серии косвенных измерений, рассчитанная по вышеприведенной формуле, в большинстве случаев соответствовала допустимой величине аналитических измерений.
В таблицах 28-35 приведены результаты оценки погрешности измерения содержания тяжелых металлов в асфальтобетонных покрытиях различного года закладки.
Систематизированы данные по загрязнению окружающей среды в зоне влияния автомобильно-дорожного комплекса.
Разработан системно-структурный подход к оценке экологического состояния автомобильно-дорожного комплекса, основанный на закономерностях локального мониторинга и взаимосвязи его различных структурных элементов.
Разработан способ оценки совместного влияния на организм человека приоритетных загрязнителей атмосферы на основе пространственной модели.
Установлены общие закономерности процессов миграции тяжелых металлов в полотне дорожного покрытия и показано, что их концентрации зависят от срока эксплуатации автомобильной дороги и интенсивности транспортных потоков.
Предложено использование нетрадиционных сорбентов для анализа поллютантов органической природы и установлен механизм межмолекулярных взаимодействий в системе сорбат-сорбент.
На основе проведенных исследований разработан проект экологического паспорта природопользователя, который может быть использован для оценки экологического состояния автомобильных дорог.
Похожие диссертации на Локальный экологический мониторинг загрязнения окружающей среды от автомобильно-дорожного комплекса
