Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ влияния передвижных источников выбросов на экологическую ситуацию г. Ростова-на-Дону 9
1.1. Тенденции развития строительного и дорожно-транспортного комплексов города 9
1.2. Анализ и прогноз изменения объемов выбросов загрязняющих веществ поступающих в атмосферу города 11
1.3. Влияние вредных выбросов на окружающую среду 13
1.4. Современная концепция обеспечения экологической безопасности... 19
1.5. Выводы. Цели и задачи исследования 29
2. Разработка системы непрерывного идентификационного мониторинга передвижных источников выбросов загрязняющих веществ в атмосферу ТСЗ города 32
2.1. Особенности разрабатываемой системы 32
2.2. Обоснование необходимости уникальной идентификации ПИВ в системе непрерывного мониторинга 37
2.3. Обоснование набора функций и подсистем, реализуемых в системе мониторинга 40
2.4. Выводы 44
3. Разработка подсистемы аналитической обработки информации о потоках передвижных источников выбросов вредных веществ 46
3.1. Формулирование основных требований, предъявляемых к методам расчета масс выбросов вредных веществ в атмосферу ТСЗ от ПИВ 46
3.2. Разработка методики расчета масс выбросов вредных веществ от ПИВ в пределах ТСЗ города 50
3.2.1. Требования к разрабатываемой методике 50
3.2.2. Описание аналитической модели расчета эпюры изменения режимов движения ПИВ в заданных условиях 51
3.2.3. Совершенствование методики расчета количества расходуемого топлива потоком ПИВ при движении в заданных условиях 67
3.2.4. Расчет масс выбросов и рассеивания токсичных веществ 80
3.3. Выводы 86
4. Разработка подсистемы поддержки принятия решений при осуществлении управления экологической безопасностью в системе планировании градостроительной деятельности 88
4.1. Особенности и основные характеристики разрабатываемой подсистемы 88
4.2. Классификация основных подходов к оценке текущего и прогнозного состояния ТСЗ 90
4.3. Описание расчета длительности и состава работ в ТСЗ 99
4.4. Исследование проблемы формализации критериев для принятия управленческих решений 108
4.5. Разработка методики принятия управленческих решений в системе управления экологической безопасностью при осуществлении планирования градостроительной деятельности 125
4.6. Автоматизация предложенной модели поддержки принятия решений при планировании выполнения работ по обслуживанию ТСЗ города 138
4.7. Внедрение 141
4.8. Выводы 142
5. Разработка подсистемы сбора, передачи и накопления информации о потоках передвижных источников выбросов вредных веществ 144
5.1. Разработка модуля сбора и передачи данных о потоке передвижных источников выбросов 144
5.2. Разработка модуля накопления данных 152
5.3. Выводы 158
Заключение 159
Литература 161
Приложение А 173
Приложение Б 178
Приложение В 183
- Тенденции развития строительного и дорожно-транспортного комплексов города
- Особенности разрабатываемой системы
- Формулирование основных требований, предъявляемых к методам расчета масс выбросов вредных веществ в атмосферу ТСЗ от ПИВ
Введение к работе
В городах, в условиях постоянно растущих объемов городского строительства, формируются транспортно-строительные зоны (ТСЗ), зачастую функционирующие в режиме повышенной экологической опасности, возникающей из-за движения на них потоков передвижных источников выбросов (ПИВ) высокой плотности. В процессе производства строительных работ выбросы строительной, дорожно-строительной техники (СиДСТ) носят кратковременный характер, но валовые выбросы зачастую достигают достаточно больших величин. При этом СиДСТ создают дополнительные сложности для движения потока ПИВ в целом, что является фактором значительного повышения уровня атмосферного загрязнения ТСЗ. Помимо негативного воздействия на атмосферу, вредные вещества, оседающие в ТСЗ, приводят к чрезмерному насыщению вод поверхностного стока и почвы известью, нефтепродуктами, солями, химическими веществами, которые затем попадают в водостоки. Вредные вещества воздействуют также на инфраструктуру города и его экологические системы.
В данной работе основное внимание уделено разработке системы, позволяющей с достаточной степенью точности осуществлять непрерывный идентификационный мониторинг ПИВ вредных веществ в атмосферу и контролировать изменение таких показателей, как плотность, интенсивность и состав этих источников в течение длительного времени, а также изменение объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Ключевым вопросом данной работы является проблема качества планирования градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ в ТСЗ города на основе данных систем непрерывного идентификационного контроля.
В настоящее время процесс повышения качества функционирования транспортно-строительных зон не включает процесс управления качеством окружающей среды. Набор критериев, по которым в настоящее время осуществляется выбор и расстановка приоритетов среди объектов выполнения строительно-ремонтных работ, не может дать качественную объективную оценку ситуации, так как он не включает критерий экологической целесообразности.
В работе делается попытка создания методики принятия управленческих решений, учитывающей критерий экологической целесообразности, а таюке других критериев, при выборе и расстановке приоритетов среди ТСЗ в процессе планирования градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ.
Ключевым этапом в решении поставленной задачи является качественный предварительный анализ состава и условий движения источников вредного воздействия на атмосферу.
Цель работы - снижение загрязнения атмосферы на основе совершенствования методов управления экологической безопасностью транспортно-строительных зон города, применяемых при планировании градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ, на основе системы непрерывного идентификационного мониторинга ПИВ вредных веществ.
Для достижения цели решались следующие задачи: анализ существующей и прогнозируемой величины экологического вреда, формируемого ПИВ вредных веществ в ТСЗ; разработка способа сбора и накопления информации о ПИВ с возможностью идентификации каждого из них; разработка алгоритма расчета массы выбросов вредных веществ ПИВ, позволяющего учесть их технические характеристики, а также факторы, оказывающие влияние на условия движения; обоснование правил формализации критериев для принятия решений при осуществлении градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ; разработка методики выбора и расстановки приоритетов среди объектов ТСЗ при планировании в них работ, основанной на применении критерия экологической целесообразности.
Объект исследования - система непрерывного идентификационного мониторинга ПИВ вредных веществ в атмосферу для управления экологической безопасностью ТСЗ города.
Основная идея работы - совершенствование системы непрерывного мониторинга ПИВ вредных веществ, позволяющей оценить текущее состояние экосистемы и предотвратить его возможное ухудшение, а также совершенствование методов планирования градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ.
Достоверность научных положений и выводов диссертации обоснована применением классических положений прикладной экологии, теории принятия решений, использованием современных методик исследования, сходимостью аналитических и экспериментальных данных (относительная погрешность до 15% при доверительной вероятности — 95%). Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, обработку данных экспериментов специализированными аналитическими методами с применением персонального компьютера (ПК), сопоставление полученных результатов экспериментальных исследований, с результатами, полученными другими авторами. Научная новизна: предложен новый способ оценки наносимого экологического вреда на основе информации о ПИВ; усовершенствована методика определения масс выбросов вредных веществ от ПИВ в атмосферу, учитывающая технические особенности каждого источника выбросов и условия передвижения в конкретной транспортно-строительной зоне; разработана модель принятия управленческих решений по управлению экологической безопасностью при планировании градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ; - обоснован принцип формализации предложенных критериев для принятия управленческих решений на основе их условной величины.
Практическое значение работы: разработана на уровне патента (патент № 37237) автоматизированная система непрерывного идентификационного экологического мониторинга загрязнения атмосферы города от ПИВ, обеспечивающая сбор и накопление информации, необходимой для проведения качественного анализа текущей ситуации в ТСЗ; усовершенствована инженерная методика определения масс выбросов вредных веществ от ПИВ в атмосферу, учитывающая состав, плотность и интенсивность потока подвижных источников, текущее и прогнозное техническое состояние конкретных транспортно-строительных зон; разработана и апробирована система принятия решений по управлению экологической безопасностью при осуществлении планирования градостроительной деятельности и строительно-ремонтных работ.
Реализация результатов работы. Научные положения, материалы исследований, модель принятия решений, программы на ПК использованы в архитектурно-проектной деятельности архитектурного отдела Октябрьского района г. Ростова-на-Дону, планово-производственной деятельности ОАО СПФ «ДОН-СПАРК», а также в учебном процессе Ростовского государственного строительного университета по курсу «Охрана воздушного бассейна».
На защиту выносятся: - алгоритм определения объемов выбросов и концентраций вредных веществ от ПИВ, учитывающий технические особенности каждого источника и условия движения в заданной ТСЗ; - модель принятия управленческих решений при расстановке приоритетов и выборе оптимальной очередности выполнения работ по содержанию, ремонту и реконструкции ТСЗ с точки зрения минимизации величины экологического вреда.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на: международных научно-практических конференциях в Ростовском государственном строительном университете: «Строительство -2003», «Строительство - 2004», «Строительство - 2005»;
Всероссийских научно-практических конференциях: «Безопасность, надежность, энергосбережение» в 2003, 2004 и 2005 годах; научных семинарах кафедры «Пожарная и производственная безопасность» Ростовского государственного строительного университета; техническом совете администрации Октябрьского района г. Ростова-на-Дону.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации изложены в девяти работах и одном патенте.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 172 с, в том числе: основной текст - 160 с; 24 таблицы; 23 рисунка; список литературы из 127 наименований.
1, АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВЫБРОСОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ СИТУАЦИЮ
Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ
Тенденции развития строительного и дорожно-транспортного комплексов города
Анализ влияния ПИВ на качество атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону позволяет сделать вывод о том, что с каждым годом доля загрязнения, формируемого этими источниками, неуклонно растет. Это, в первую очередь, обусловлено неконтролируемым ростом количества ПИВ, расширением ТСЗ города, а также отсутствием действенных управленческих мер федеральных и региональных властей, направленных на ужесточение ответственности за нарушение природоохранного законодательства.
Исследование уровня атмосферного загрязнения, формируемого СиДСТ, результаты которого приведены на рисунке 1.1 [61, 82, 87], показало, что её вклад относительно общего объема выбросов ПИВ в пределах мегаполиса составляет менее одного процента, при этом удельный вклад в пределах отдельных наиболее загруженных ТСЗ относительно других ПИВ (ДПИВ) может достигать 80%.
Еще одной причиной резкого ухудшения качества атмосферного воздуха ТСЗ является значительное увеличение парка ПИВ, при резком отставании качественного развития улично-дорожной сети города.
Основная доля прироста парка ПИВ приходится на индивидуальный легковой транспорт, за последние пять лет он составил 13%, значительно возросла доля автобусного парка, около 17%, увеличение парка СиДСТ за этот же период составило приблизительно 6% [14], графически данные тенденции представлены на рисунке 1.2. На сегодняшний день протяженность дорожной сети города составляет 1128 км, протяженность магистральной сети города составляет 272 км. Результаты проведенных исследований пропускной способности улично-дорожной сети города в РГСУ [39], а также собственные наблюдения показали, что около 70% ключевых ТСЗ города работают в режиме повышенной загруженности ПИВ, при высоком фоне атмосферного загрязнения.
За последние три года объем строительства в городе увеличился с 500 тыс.кв.м. до 600 тыс.кв.м [83]. Совокупное влияние описанных факторов является причиной того, что Ростов-на-Дону в настоящее время входит в число наиболее неблагополучных городов России по состоянию городского атмосферного воздуха [97].
Специфика передвижных источников загрязнения проявляется: - в высоких темпах роста численности ПИВ по сравнению с ростом количества стационарных источников;
- их пространственной рассредоточенности (ПИВ распределяются по территории и создают общий повышенный фон загрязнения);
- непосредственной близости к жилым районам (ПИВ заполняют все местные проезды и дворы жилой застройки);
- более высокой токсичности выбросов ПИВ по сравнению с выбросами стационарных источников;
- сложности технической реализации средств защиты;
- низком расположении источника загрязнения от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы (ОГ) скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и выбросами от стационарных источников, которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты.
Перечисленные особенности передвижных источников приводят к тому, что в городе формируются обширные зоны с устойчивым превышением санитарно-гигиенических нормативов загрязнения воздуха.
Особенности разрабатываемой системы
В условиях непрерывного ухудшения качества атмосферного воздуха возникает необходимость обеспечения непрерывного контроля источников загрязнения, оценки и прогнозирования их вредного воздействия на окружающую среду.
Такой непрерывный контроль принято описывать понятием экологического мониторинга [68, 60].
Основной целью экологического мониторинга является сбор, накопление, систематизация и анализ статистической информации:
- о состоянии атмосферного воздуха;
- об источниках и факторах воздействия;
- об изменениях нагрузок на среду в целом.
Существуют различные подходы к классификации мониторинга [21, 68,82]:
- по характеру решаемых задач;
- по уровням организации;
- по природным средам, за которыми ведутся наблюдения.
С целью выделения антропогенной составляющей изменений на фоне природных процессов создаются специализированные автоматизированные информационные системы наблюдений, оценки и прогноза изменений в состоянии окружающей среды.
Современная автоматизированная информационная система должна быть представлена как интегрированный комплекс аппаратно-программных средств, реализующих мультипредметную информационную систему, обеспечивающую контроль объекта управления в режиме реального времени.
В сфере экологического контроля только начинается внедрение прогрессивных автоматизированных средств сбора и анализа информации [24]. Создание таких систем должно быть в первую очередь направлено на обеспечение непрерывного контроля источников экологической опасности. Основной задачей разрабатываемой системы экологического мониторинга является контроль потоков ПИВ как основного источника загрязнения атмосферы города.
Данная постановка задачи требует применения особого подхода к форме учета и предоставления данных о характеристиках потока ПИВ. Доступность оперативной информации такого рода позволит осуществлять оценку загрязнения городской среды вредными выбросами ПИВ на более качественном уровне, позволит уйти от упрощенных и мене достоверных методов расчета.
Основным преимуществом разработки и внедрения подобных систем контроля является возможность их интеграции с другими системами и областями производственной деятельности.
В настоящее время в патентной литературе описаны различные виды способов формирования сети наблюдения для контроля загрязнения атмосферы города, осуществляемого сетью стационарных и маршрутных пунктов контроля, которые размещены в густонаселенных зонах с неблагоприятной экологической обстановкой при соблюдении нормативных ограничений со стороны различных городских служб: архитектурных, пожарных, санитарных и т.п. (см., например, патент N 2102782 от 08.02.94г. «Способ формирования сети наблюдений для контроля загрязнения атмосферы города». Авторы - В.С.Земсков, В.И. Киселев, В. П. Колодий, С.М.Эфендиев. Заявитель - Государственный ракетный центр «КБ им. Академика В.П.Макеева»).
Недостатком описанной сети является: - автономность ее компонентов;
- отсутствие единой информационной сети;
- недостаточная информативность.
Компонентами описанных сетей являются станции экологического контроля окружающей среды, (например, патент RU 2197744), для которых общим является наличие корпуса, опорной рамы, метеокомплекса, измерительной аппаратуры загрязненности воздуха, пробозаборников воздуха, блока диагностики, управления и передачи информации. Станции подобного типа имеют метеокомплекс, расположенный на крыше станции в виде отдельных сооружений, и используются преимущественно при эксплуатации в городских условиях.
Недостатком таких станций экологического контроля окружающей среды являются локальность измерений и отсутствие стабильности характеристик измерительной метеоаппаратуры из-за влияния помех либо в силу их конструктивного несовершенства.
Еще одним техническим решением является система аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона (патент RU 2210095 2001.11.08). Данная автоматизированная система содержит стационарные контрольные посты с детекторами для измерения параметров и характеристик окружающей среды, центральный контрольный пульт, блоки управления и приемопередатчики прямой и обратной связи контрольных постов с центральным контрольным пультом. Кроме того, система содержит мобильные контрольные посты с детекторами, блоками управления и приемопередатчиками прямой и обратной связи их с центральным контрольным пультом.
Однако используемые в данной системе детекторы измерения параметров окружающей среды охватывают лишь небольшой спектр загрязняющих веществ и не способны обеспечить систему информацией, необходимой для получения объективной оценки загрязнения воздуха ПИВ внутри отдельных ТСЗ города. Поэтому на сегодняшний день единственно верным решением является создание комплексной системы экологического контроля с функциями сбора информации об источниках загрязнения и аналитической обработки полученных данных с целью получения оценки загрязнения атмосферы на исследуемом объекте.
Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды в РФ» определяет экологический мониторинг в РФ как комплекс выполняемых по научно обоснованным программам наблюдений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе рекомендаций и вариантов управленческих решений, необходимых и достаточных для обеспечения управления состоянием окружающей природной среды и экологической безопасностью.
Формулирование основных требований, предъявляемых к методам расчета масс выбросов вредных веществ в атмосферу ТСЗ от ПИВ
В рамках поставленной задачи предъявляются особые требования к методам расчета масс выбросов вредных веществ, а также методам оценки величины ущерба, наносимого передвижными источниками выбросов.
Особенность заключается в том, что необходимо рассчитать массу выбросов загрязняющих веществ и соответствующую долю наносимого ущерба в конкретной ТСЗ города.
Для определения масс выбросов загрязняющих веществ в настоящее время предложен целый ряд аналитических методов. Эти методы позволяют решать важные задачи оценки и прогнозирования загрязнения окружающей среды ПИВ, однако не учитывают влияние эксплуатационных факторов на количество вредных выбросов. В настоящее время на практике используется «Методика расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях», утвержденная Минприроды России 15,03.96 г. и Минтрансом России 51.08.96 г. Методика допущена к использованию приказом Госкомэкологии Росси в 1999 г. Применение данного метода расчета выбросов загрязняющих веществ потоками ПИВ при движении по городским магистралям может быть оправдано необходимостью получения усредненных данных об удельных выбросах на конкретном участке улично-дорожной сети для простейших режимов движения. Приведенные в методике значения удельных выбросов нельзя считать в достаточной степени корректными в силу того, что они не учитывают ряд различных факторов, связанных с условиями движения на отдельном участке ТСЗ: частичное использование мощности двигателя, торможение двигателем, движение на уклонах и спусках, ровность дорожного покрытия.
Предложены также методы [5, 6], позволяющие рассчитать количество ОГ в разных режимах работы двигателя. Время работы ПИВ в конкретном режиме предлагается рассчитывать как долю от общего времени работы ПИВ. При этом отношение времени работы в заданном режиме к общему времени работы представляется как постоянная величина. Предложены упрощенные расчетные формулы для определения расхода топлива, не учитывающие изменение нагрузки ПИВ в зависимости от условий движения в конкретной ТСЗ. Применение подобных расчетных методов может быть оправдано при проведении укрупненных расчетов массы выбросов загрязняющих веществ парком ПИВ мегаполиса за продолжительный период времени.
Использование описанных расчетов для конкретной ТСЗ может привести к значительному завышению либо занижению результата. Еще одним недостатком использования таких методов является потеря актуальности полученных экспериментальных данных в связи с высокой динамикой развития транспортной отрасли, что обуславливает необходимость оперативного обновления таблиц исходных данных.
Известны также методы расчета масс выбросов вредных веществ, разработанные и применяемые в Европе; наиболее известным из них является «Метод приблизительной оценки выбросов в атмосферу от транспорта (Methods Of Estimation Of Atmospheric Emissions From Transport, LTE 9901 report March 1999)» [102]. На основе данной методики реализован бесплатно распространяемый программный продукт COPERT Ш, позволяющий осуществлять расчет масс выбросов вредных веществ на основе данных о составе потока ПИВ и мощности ПИВ. В целом принцип реализации данной методики аналогичен описанной ранее отечественной методике расчета масс выбросов вредных веществ и обладает теми же недостатками. Проведенный анализ различных европейских и отечественных методик показал, что в настоящее время отсутствует единый подход к решению задачи расчета масс выбросов вредных веществ ПИВ. Сравнительному анализу подвергались четыре наиболее популярные европейские методики и четыре отечественные методики. Сравнение осуществлялось отдельно в силу значительного различия принципов, используемых для расчета величины масс выбросов ПИВ. Расхождение значений масс выбросов, рассчитанных по различным методикам для отдельных компонентов однотипных ПИВ, в европейских методиках достигает 40%, в отечественных 60%, что подтверждается представленными графиками на рисунках 3.1 и 3.2.
