Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ взаимодействия дорожно-транспортной инфраструктуры лесного комплексас окружающей средой 8
1.1. Негативное воздействие газовых выбросов асфальтобетонных заводов на окружающую среду 9
1.2. Загрязнение окружающей среды при строительных и ремонтных работах на лесовозных дорогах 14
1.3. Воздействие лесовозной дороги на окружающую среду в процессе эксплуатации 17
1.4. Загрязнение почв свинцом и запыленность в зоне влияния лесовозных дорог 21
1.5. Воздействие транспортного шума и вибрации на население в зоне влияния лесовозных дорог 36
1.6. Загрязнение поверхностных и грунтовых вод 41
1.7. Применяемые организационно-технические и конструктивные защитные мероприятия 46
1.8. Цель и задачи исследования 49
2. Теоретические предпосылки решения поставленных задач 50
2.1. Оценка загрязнения атмосферы придорожной полосы при строительстве и ремонте лесовозных дорог 50
2.2. Проверка адекватности теоретических предложений реальным условиям формирования газопылеватого загрязнения в процессе дорожного строительства 54
2.3. Организационно-технологические и конструктивные решения по снижению негативного воздействия на окружающую среду при строительстве и ремонте дорог 62
2.4. Математическое моделирование процессов снегозадержания за счет оптимального расположения лесных полос с учетом охраны окружающей среды 64
2.5. Моделирование процессов загрязнения атмосферы и придорожных территорий твердыми выбросами и соединениями тяжелых металлов..69
2.6. Оценка и прогнозирование загрязнения придорожных территорий легкими контаминантамми 82
Физическое воздействие дорожного движения на окружающую среду в зоне влияния лесовозных автодорог 87
3.1. Влияние транспортного шума на организм человека 87
3.2. Природные и климатические факторы влияющие на уровень шума 90
3.3. Нормирование уровня шума для различных условий 98
3.4. Измерение уровня шума на местности 102
3.5. Вибрация и электромагнитное излучение и мероприятия по их снижению 115
Результаты экспериментальных исследований 119
4.1. Методика и оборудование для проведения натурных испытаний на лесовозных дорогах 119
4.2. Результаты экспериментальных замеров загрязнения придорожных территорий лесовозных дорог соединениями свинца 125
4.3. Экспериментальные исследования загрязнения придорожных территорий лесовозных дорог легкими аэрозолями 146
Практическое использование результатов исследования лесовозных дорог с учетом требований. Интегральная технико-экономическая оценка существующих дорог лесного комплекса 157
5.1. Методология анализа взаимодействия лесовозных автодорог с окружающей средой 157
5.2. Применение коэффициента экологической безопасности для оценки транспортного загрязнения придорожной полосы 167
5.3. Разработка методов оценки и прогнозирования загрязнения зоны влияния лесовозных автодорог на основе диффузионных моделей 170
5.4. Математическое обеспечение и инженерные методы расчетов загрязнения придорожных территорий выбросами автотранспортных средств 186
5.5. Прогнозирование загрязнения придорожных территорий тяжелыми металлами и пылью 186
5.6. Программа определения просветности лесополосы на основе анализа фотоснимков с применением ЭВМ 193
5.7. Расчет количества выпадающих соединений свинца на придорожную территорию 201
5.8. Математическое обеспечение инженерных методов прогнозирования202
5.9. Технико-экономическая эффективность мероприятий по снижению тепловых и вредных газообразных выбросов транспортных средств и асфальтобетонных заводов 204
5.10. Технико- экономическая эффективность мероприятий по снижению тепловых и вредных газообразных выбросов транспортных средств и асфальтобетонных заводов 213
Основные выводы и рекомендации 221
Список использованных источников
- Загрязнение окружающей среды при строительных и ремонтных работах на лесовозных дорогах
- Проверка адекватности теоретических предложений реальным условиям формирования газопылеватого загрязнения в процессе дорожного строительства
- Природные и климатические факторы влияющие на уровень шума
- Разработка методов оценки и прогнозирования загрязнения зоны влияния лесовозных автодорог на основе диффузионных моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Дорожно-транспортный комплекс наносит наиболее серьезный ущерб окружающей среде, причем его негативное воздействие носит экспоненциальный характер. В настоящее время около 40 млн. человек проживает в условиях постоянного акустического и экологического дискомфорта, формируемого транспортными потоками. В составе общей проблемы экологической безопасности, сокращение уровня транспортного загрязнения, занимает первое место. Смягчение негативного влияния дорожно-транспортного комплекса на окружающую среду в процессе его эксплуатации является одной из приоритетных задач, стоящих перед специалистами - дорожниками.
Наибольшую экологическую опасность представляет собой эмиссия токсичных твердых частиц, в состав которых входят сажа, соединения свинца, других тяжелых металлов, а также оксиды азота, углерода и серы, углеводороды. Формирование уровня загрязнения осуществляется от автомобильно-дорожного комплекса в целом: асфальтобетонных заводов (АБЗ), производящих дорожные материалы; автомобильного транспорта, движущегося по автомобильным дорогам и автомобильных дорог в период их строительства и проведения ремонтных работ.
Для более полного учета требований различных групп землепользователей с позиции физического и психоэмоционального здоровья населения в зоне влияния автодорожного комплекса, сохранения приемлемого качества природной среды обитания, сохранения культурно-исторических памятников особенно важно разработать методику комплексного прогнозирования загрязнения, так как любой объект природно-территориального комплекса имеет свои предельные возможности для сопротивления загрязняющим и разрушающим воздействиям антропогенных и природных факторов.
Математическое моделирование процессов загрязнения окружающей среды от автомобильно-дорожного комплекса считается одной из актуальнейших научных проблем по прогнозированию, а разработка мероприятий по снижению вредного экологического воздействия на окружающую среду является основным результатом математического моделирования.
Перечисленные проблемы находятся в начальной стадии их решения, так как недостаточно полно изучены вопросы прогнозирования загрязнения окружающей среды и почв на придорожных территориях токсичными оксидами азота, углерода, углеводородами и тяжелыми металлами, включая соединения свинца, а также отсутствуют теоретические и экспериментальные данные по загрязнению окружающей среды токсичными выбросами. Оценка же загрязнения территории селитебной зоны предприятиями по производству дорожно-строительных материалов ограничивается в большинстве случаев: проведением инвентаризации и оценки концентрации загрязняющих веществ.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка научно-практических основ снижения негативного воздействия на окружающую среду лесовозных автомобильных дорог в процессе эксплуатации.
Новизна полученных результатов.
- исследованы диффузионные процессы миграции загрязняющих веществ,
выбрасываемых с отработанными газами при функционировании дорожно-
транспортного комплекса лесной отрасли и получены аналитические зависимости,
позволяющие осуществлять прогнозирование уровня загрязнений;
- обоснованы организационно-технические и конструктивные мероприятия по
снижению загрязнения придорожных территорий газообразными выбросами;
Практическая ценность работы состоит в улучшении разработанных моделей и методов оценки и прогнозирования состояния окружающей среды в процессе эксплуатации лесовозных дорог, позволяющем повысить экологическую безопасность последних.
Апробированы и внедрены алгоритм и программы по оценке на ЭВМ уровня загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, твердыми частицами и легкими контаминантами.
Разработана и внедрена методика определения геометрических параметров многоцелевых защитных лесополос.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований настоящей работы используются в учебном процессе ВГЛТА при изучении спецкурса
"Экологические проблемы строительства и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог".
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований, обсуждались и были одобрены на ежегодных научно-практических ф конференциях ВГЛТА (1998-2003 г.г.)
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 научных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 241 странице машинописного текста, иллюстрировано 36 рисунками и 26 таблицами.
Научные положения, выносимые на защиту:
- математические модели для прогнозирования уровня загрязнения зоны
влияния придорожных территорий лесовозных автомобильных дорог газообразными
контаминантами;
- аналитические зависимости для оценки уровня загрязнения придорожных
* территорий;
- методология оценки снижения количества токсичных и тепловых выбросов и
их негативного влияния в процессе функционирования дорожно-транспортного
комплекса.
Загрязнение окружающей среды при строительных и ремонтных работах на лесовозных дорогах
Загрязнение окружающей среды при строительстве и ремонте лесовозных автомобильных дорог происходит в результате выброса загрязняющих веществ при работе дорожно-строительных машин, а также при осуществлении отдельных технологических операций. В основном в атмосфере придорожной полосы при строительстве автомобильных дорог формируется аэрозольно-пылевое облако.
В работах [8, 28] рассмотрены ресурсосберегающие технологии, используемые при капитальном ремонте дорожных одежд. Отмечается, что эти технологии включают в себя строительство слоя из асфальтобетонов на основе разнопрочных каменных материалов, шлаковых асфальтобетонов, асфальтобетонного слоя с втапливанием прочного щебня. Так как при проведении ремонтных работ перечисленные дорожные смеси готовятся на придорожных территориях, то загрязнение окружающей среды, почв, растений происходит компонентами смесей: минеральными добавками, битумом, вяжущими. При втапливании обычно применяют щебень мелких фракций, отвальные доменные, сталеплавильные шлаки, шлакопемзовые пески, обработанные вяжущими, поэтому в число загрязнителей входит минеральная пыль и другие компоненты, состоящие в основном из оксидов металлов, кварца и т.д. Следует учитывать, что диффузионное распространение загрязнителей интенсифицируется за счет высоких температур смеси (порядка 70-100С).
Особенно трудоемкой операцией является фрезерование дефектных участков покрытия и снятие с помощью автобетоноломов верхних асфальтобетонных слоев. В этом случае в окружающую среду выбрасываются пылевидные частицы снимаемых слоев конструкции старой дорожной одежды, направляемой на переработку.
Ремонт асфальтобетонных покрытий включает [8, 16, 28] восстановление верхних слоев, включая термопрофилирование, терморегенерацию, устройство шероховатых поверхностных обработок и других слоев износа, а также усиление и уширение дорожной одежды. При терморегенерации осуществляется сначала пропитка покрытия "омолаживающими" составами - пластификаторами, которые регенерируют свойства битума, после чего разогревают разрыхленное покрытие для получения однородности свойств старого асфальтобетона. При другом способе осуществляется фрезерование верхнего слоя покрытия на дефектных участках и его удаление на переработку в передвижной асфальтосмесительной установке с последующей укладкой на ремонтируемый участок. Переработка снятого верхнего слоя покрытия может осуществляться и на стационарных установках, как это предусматривается зарубежными технологиями.
Согласно отечественной технологической практике переработка старого дорожного материала осуществляется непосредственно на ремонтируемых участках, или в передвижных смесительных установках в которых отсутствуют системы очистки отработанных газообразных вредных выбросов, поэтому негативное воздействие на окружающую среду от передвижных установок гораздо больше, чем от стационарных. В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют какие-либо конкретные данные по оценке таких загрязнений [22].
В меньшей степени окружающая среда загрязняется при ремонте цементобетонных покрытий, так как технология ремонта включает замену пришедших в негодность плит, выравнивание просевших участков в районе стыков, устройство защитных слоев на участках с поверхностными разрушениями бетона, а также усиление существующей дорожной одежды путем строительства нового цементобетонного или асфальтобетонного покрытия [2].
Как отмечается в работах Евгеньева И.Е. [13], экологическое воздействие строительства автомобильных дорог в России на природную среду оценивается по единственному "легитимному" экологическому документу "Инструкции по охране природной среды при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог", ВСН 8-89, согласованному со всеми органами, ответственными в период строительства за состояние природной среды.
Техническая и технологическая сторона строительства новых автомобильных дорог обосновывается нормативным документом [21]. Обзор современных машин и машинных технологий дорожного строительства представлены в работах [8, 28]. Применительно к российским климатическим и технологическим условиям обзор отечественных технологий приведен в работах А.П. Васильева [2, 8], М.Б. Корсунского [16], В.Ф. Бабкова [4].
Основные экологические ограничения при строительстве новых автомобильных дорог сводятся к следующему [13]: - сокращение площади временно занимаемых для целей строительства территорий, особенно ценных сельскохозяйственных угодий, лесов первой категории, речных пойм, и других земель высокого экологического потенциала; - уменьшение использования материальных природных ресурсов, особенно добываемых в зоне влияния сооружения: грунт, минеральные материалы, древесина, почва и т.п.; - сохранение плодородного слоя почвы на землях, отводимых для временного и разового использования, рекультивация нарушенных земель; - предотвращение недопустимого загрязнения за пределами полосы отвода земель, водоемов, атмосферы технологическими выбросами, отходами, побочными продуктами: пыль, обеспыливающие, противогололедные вещества, отработанные газы строительной техники, потери строительных материалов, мусора, нефтепродуктов и т.п.; - предотвращение экзогенных гео - и гидродинамических явлений, изменяющих природные системы: осушение, заболачивание, эрозия, оползни и т.п.; - исключение непосредственного уничтожения или существенных изменений условий обитания и размножения животных: птиц, рыб, земноводных и др; - исключение изменений гидрологического или биологического режимов болот, водоемов;
Проверка адекватности теоретических предложений реальным условиям формирования газопылеватого загрязнения в процессе дорожного строительства
Решение уравнения (2.2) с краевыми условиями (2.3) проводилось методом преобразования Лапласа с применением теоремы обращения и нахождением простых полюсов функции изображения. Решение имеет вид C=C0cos(jix/2L)exp[-7c2Dt/4L2], (2.4) где х - поперечная координата; t - время, или в безразмерной форме С = Со cos(7rn/2)exp[-7t2Fo 4], (2.5) где ц - безразмерная поперечная координата, отнесенная к ширине полосы L, на границе которой наблюдается фоновая концентрация загрязнителя; од - Dt/L2 - безразмерное критериальное число Фурье; индексы: о -начальная амплитуда концентраций (максимальная), д - диффузионные. Анализ решения (2.4) показывает, что при рассмотрении гармонических колебаний концентраций, заданных их начальным периодическим распределением, колебания представимы в виде основной гармоники ряда Фурье, амплитуда которой уменьшается экспоненциально от максимального значения Со концентрации загрязнителя на границе полосы строящейся дороги при х = 0 до фоновой Сф при х = L. Поток массы g загрязнителя к поверхности полосы определяется как:
Раскрывая (2.6) с учетом (2.4), получим: или в безразмерном виде: где g = gt/(CoL) - безразмерный поток массы загрязнителя, отнесенный к соответствующему максимальному потоку массы, определяемому как gmax=CoL/t, обусловливающему максимальную начальную концентрацию Со Коэффициент диффузии загрязнителя определяется на основе рекомендаций работ [172]. Горизонтальную Dr и вертикальную Dg, составляющие турбулентного коэффициента диффузии, выразим через стандартные гауссовские отклонения [172] Dr = 6r2Wr 12х; Dg = 6g2Wg 12x . (2.9) Параметры бг и 6g зависят от расстояния x и направления ветра по отношению к строящемуся участку дороги.
При совпадении направлений выбросов загрязнителей и ветра y=var (по оси дороги) стандартные отклонения по вертикали постоянны: 6g = 6g= const. Вредное воздействие загрязнителей сказывается на высоте дыхания человека, т. е. при h = 1,5м.
При взаимно перпендикулярных направлениях оси участка дороги и ветра расчет 6g производится по зависимостям с учетом рекомендаций [172] б; = в(у + d)b, (2.Ю) а горизонтальная составляющая определяется по формуле: 6r = 26g + x. (2.11) Среднее значение коэффициента диффузии определим по формуле: Da=Da=VDr+Dg. (2.12)
В общем виде, если направление ветра не совпадает ни с одним из рассмотренных вариантов, необходимо учитывать угол Р между соответствующими направлениями:
Оценка загрязнения строительного участка автомобильной дороги размером 30x200 м проводилась на основе определения концентраций по 7 ингредиентам: оксидам углерода, серы (от автотранспорта), азота (технологические установки, автотранспорт), пыли, углеводородам (без учета бенз(а)пирена), разлитым нефтепродуктам, тяжелых металлам - при изменении расстояния L от границы полосы отведения.
Замер концентраций оксида углерода осуществлялся портативным газоанализатором ЭЛАН-СОА-50, в котором при прокачке насосом пробы воздуха или газа на рабочем электроде происходит доокисление оксида до диоксида углерода. Выходной ток ячейки, пропорциональный концентрации доокисленного оксида углерода в пробе, усиливается в схеме прибора и преобразуется в цифровую форму концентраций (мг/м ).
Инструментальное определение других ингредиентов проводилось с помощью многоканального газоизмерительного прибора "Multiwarn 11м, выпускаемого фирмой "Drager" (ФРГ). В зависимости от установленных сенсоров прибором замеряются концентрации до пяти ингредиентов: СОг, СО, СН4, H2S и (. В многоканальном газоизмерительном приборе можно устанавливать один инфракрасный, один каталитический и до трех электрохимических сенсоров. Подача проб газа в прибор может осуществляться принудительно насосом или диффузионным методом. Замер концентраций производится с высокой точностью до 0,01 об.
В связи с тем, что для строящейся лесовозной автомобильной дороги характерны нестабильные пылегазовые выбросы, в работе использован прямой метод определения концентрации пыли в воздухе: заборной трубкой отбиралась проба пылегазового потока, пыль собиралась на взвешенном фильтре и взвешивалась. С этой целью мембранные фильтры и фильтры типа АФА размещались в фильтродержателе, который подсоединялся к заборной трубке. Для измерения запыленности использовалась следующая аппаратура: заборные трубки, бумажные гильзы, тканевые фильтры, фильтродержатели для мембранных фильтров, лабораторные реометры, ротаметры, ртутнотехнические термометры, манометры, электроаспираторы типа 822, М-114М, ЛК-13, воздуходувки, ротационные и вакуумные насосы, аналитические весы типа АДВ-200 и ВЛА-200, секундомеры, резиновые шланги. Перед употреблением бумажные гильзы, склеенные из фильтровальной бумаги, высушивали в сушильном шкафу при температуре 80 С в течение 20-30 мин, после чего выдерживали не менее 3 суток в воздухе, а перед взвешиванием - в течение суток в помещении. Параллельно с рабочими фильтрами взвешивались и контрольные. Результаты замеров коррелировались в соответствии с данными, полученными на контрольных фильтрах. Массовая концентрация пыли (кг/м3) рассчитывалась по формуле: Z=[MrM2]/V0, (2.14) где Mi, Мг - соответственно масса фильтра с пылью и масса чистого фильтра, кг; Vo - объем исследуемого воздуха, приведенный к нормальным условиям, л.
Минимальная концентрация пыли равнялась 0,3 мг/л. Экспериментальные замеры проводились при условии изокинетичности отбора проб.
В результате экспериментов определялись концентрации семи ингредиентов, после чего осуществлялся перерасчет коэффициента экологической опасности участка строящейся автомобильной дороги.
На рисунках 2.1-2.5 представлены экспериментальные и расчетные данные изменения К,од от расстояния х, отсчитываемого от бровки возводимого земляного полотна.
Экспериментальные исследования показали, что при L 20м участок относится ко 2-й категории экологической опасности, так как 106 Кэод 104, а при 20 L 50 м - к 3-й категории опасности и 50 L 75 м - к 4-й категории опасности. В расчетах массовый выброс ингредиентов аппроксимирован и отнесен к общему времени строительства участка дороги, выраженному в долях года. Концентрация пыли оценена ориентировочно на основе заноса контрольного участка дороги в месте наибольшего сосредоточения пыли с учетом розы ветров и скорости ветра.
Природные и климатические факторы влияющие на уровень шума
При разработке организационно-технических и конструктивных мероприятий по обеспечению заданного уровня акустического комфорта в зоне влияния лесовозных автомобильных дорог следует учитывать двойственный характер природных и климатических факторов, оказывающих непосредственное влияние на формирование транспортного шума.
К их числу следует отнести: - атмосферное давление; - влажность воздуха; - температура; - направление ветра, его силу и турбулентность; - выпадение осадков; - окружающий ландшафт; - состояние поверхности придорожной полосы.
Воздух не является однородной средой, поэтому распространение звуков в нем может быть непрямолинейным, а измеренные в реальных условиях уровни шума могут в значительной мере отличаться от расчетных. Скорость ветра обычно растет с увеличением высоты над поверхностью земли, поэтому скорость звука относительно приземного слоя меняется с высотой. Фронт звуковой волны и звуковые лучи в этом случае обретают некоторую кривизну: в направлении по ветру лучи искривляются к земле и могут обогнуть сверху лесополосы, защитные экраны, застройку, складки и неровности рельефа, что снижает их эффективность.
При распространении звука против ветра фронт звуковой волны и звуковые лучи отклоняются вверх, и на расстоянии нескольких сотен метров образуется область акустической тени, в которую может попасть только звук, рассеянный на неоднородностях атмосферы и неровностях рельефа. Уменьшение уровня звука при этом может достигать 20-30 дБ А по сравнению с расчетными. Радиусы кривизны звуковых лучей составляют от 4 до 6 км.
Температура воздуха также меняется с высотой, и это вызывает дополнительное искривление звуковых лучей, с изменением температуры изменяется скорость распространения звука.
Случайный характер влияния погодных явлений на распространение звука затрудняет их оценку и прогнозирование, поэтому в настоящее время среди ученых нет единой точки зрения на то, следует ли учитывать влияние погоды в среднем или ориентироваться на наиболее неблагоприятный случай огибания звуковыми лучами препятствий с уменьшением их экранирующей эффективности. Поэтому в акустических расчетах обычно не учитывается влияние градиентов скорости ветра и температуры по высоте. Градиент представляет собой вектор, показывающий направление наискорейшего изменения данного скалярного, температурного, скоростного полей или поля давления, разности потенциалов.
Кроме того, в атмосфере существуют местные, сравнительно быстрые флуктуации скорости и направления ветра, температуры, плотности, влажности -турбулентность. Влияние турбулентности на распространение звука противоречивое: с одной стороны, энергия звуковой волны частично рассеивается на местных неоднородностях, с другой - при прохождении через неоднородную среду взаимодействуют фазы прямой и отраженной от земли волн, уменьшается их когерентность и ослабевают интерференционные эффекты уровня звука [55].
В природе непрерывно меняются скорость, сила и направление ветра, а также температура, поэтому распространение шума происходит постоянно в новых условиях, затухание звука возрастает вследствие отражений, рассеивания и удлинения пути, проходимого звуком. При температуре +20С скорость звука увеличивается примерно на 0,61 м/с. Более высокая температура у поверхности земли в дневной период заставляет воздух подниматься вверх, что приводит к дополнительной турбулентности. Ночью температура у поверхности земли более низкая, поэтому турбулентность снижается. Это явление служит одной из причин лучшего распространения звуков ночью по сравнению с дневным временем.
Поскольку ветровой градиент находится в зависимости от свойств земной поверхности, градиент возрастает с 0,3 м/с до 1,4 м/с над густой травой высотой до 50 см), это доказывает, что составляющая затухания, обусловленная ветром и температурой, фактически может оказаться в направлении ветра меньшей для заросшей местности, чем для ровной поверхности без растительности [62,101, 102].
Звуковые волны при распространении в атмосфере постепенно затухают вследствие поглощения звуковой энергии из-за теплопроводности воздуха, его вязкости и молекулярной диссипации. Диссипация связана с распространением энергии между различными степенями свободы молекул и является доминирующей.
Независимо от интенсивности движения и функции распределения интервалов в транспортном потоке, эквивалентный уровень шума уменьшается на 3 дБА при увеличении вдвое расстояния от бесконечного участка дороги. За бесконечный в расчетах приближенно принимается участок автодороги длиной не менее 2,0 км, полностью открытый для точки измерения шума.
Величину снижения эквивалентного уровня шума вследствие процессов поглощения звуковой энергии в воздухе и удаления точки расчета от оси полосы движения следует определять по формуле (3.1)
Разработка методов оценки и прогнозирования загрязнения зоны влияния лесовозных автодорог на основе диффузионных моделей
Для комплексной оценки экологической безопасности зоны влияния лесовозных автодорог необходимо иметь сведения о загрязнении придорожных территорий токсичными выбросами отработавших газов. Существующие методы оценки базируются на эмпирическом подходе решения данной проблемы, поэтому результаты носят локальный характер и могут распространяться лишь на исследуемый участок.
При переходе к оценке загрязнения следующего участка дороги возникает необходимость проводить дорогостоящие испытания с целью получения эмпирических коэффициентов расчетных уравнений.
Поэтому методы математического моделирования позволяют на основе принятой физической модели автомобильной дороги численно или в конечном виде решить задачу прогнозирования величины загрязнения зоны влияния автодорог контаминантами отработавших газов на стадии проектирования или эксплуатации магистралей.
Ниже представлено развитие существующих диффузионных моделей распространения загрязнителей в пространстве и миграции их в почве и растительности применительно к токсичным выбросам автомобилей.
К легким аэрозольным выбросам относятся оксиды азота, окись углерода, углеводороды. В момент эмиссии их из выходного патрубка автомобиля происходит образование конического аэрозольного облака, на которое воздействуют подъемные силы турбулентной диффузии. Гравитационными силами, воздействующими на аэрозольные соединения углерода и азота, можно пренебречь. Поэтому аэрозоли могут перемещаться воздушными потоками на значительные расстояния с частичными аннигиляцией и осаждением на поверхность, при этом формируется фоновое загрязнение.
Следовательно, распространение легких контаминантов в приземном пространстве (рабочей зоне) автомобильных дорог подчиняется диффузионно-конвективному механизму. Основной формулировкой задачи является математическое моделирование перемещающихся по дороге мгновенных источников эмиссии отработавших газов с локальной мощностью выброса загрязняющего вещества Qj.
Совокупность дискретных мгновенных источников на дороге образует пространственно непрерывный источник с линейной плотностью эмиссии gi, различно ориентированный к ветровому перемещению воздуха.
В общем виде постановка диффузионной задачи перемещения легких аэрозолей в атмосферном воздухе описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных, полученной на основе баланса масс для каждого і-го загрязнителя [46]: где Сі - массовая концентрация і-ого компонента; Wx,Wy,W2- проекции вектора скорости W перемещения компонента в направлениях х, у, z; Dg, Dr - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие коэф т фициента турбулентной диффузии;
С5І- параметр, учитывающий долю загрязнителей, вступающих в реакцию с окружающей средой или аннигилирующих; t - время; gi - мощность объемного точечного источника плотности эмиссии загрязнителя; i-ый загрязнитель.
Таким образом, имеется система дифференциальных уравнений (5.14), описывающих диффузионное перемещение контаминантов в пространстве.
Помещая источник загрязнителей в точку с координатами дороги х; у; z: {y-wCtO.y.z} решение уравнений (4.14) можно представить с учетом упрощающих факторов: {y-w(t-Q}2+x2+Z2 47 D7(t-f) (5.15) g -dt С, = . ё ехр 8VpDr(t-f)J2 где результирующая скорость перемещения аэрозоля с учетом направления ветра. Ось X совпадает с осью дороги; Z - вертикальная координата; Ґ - время начала функционирования источника загрязнителя; При этом
Концентрация в момент времени t, равная суммарному количеству загрязнителя в единице объема воздуха за время от 0 до t, получается в результате интегрирования уравнения (4.15) по времени t в интервале от 0 до t.
В связи с тем, что бесконечный источник функционирует в установившемся режиме, истинную концентрацию загрязнителя можно рассчитать при t - оо. где gn =gi,/L(w-C[iaK)- безразмерная плотность эмиссии, отнесенная к ширине L придорожной полосы, относительной скорости w аэрозольного облака и предельно допустимой концентрации С загрязнителя; Ко(и) - бесселева функция второго рода нулевого порядка; дг = дг/Ь; стандартные гауссовские отклонения 5, отнесенные к L и связан д8=д8/ь. ные с коэффициентами диффузии по соответствующим направлениям зависимостям: Dr = д2 w/2y; Dg = д2ш/2у; а с учетом преобразований Dr = д.2/2ж; бв=д7/2ж; ж= y/L;z = z/L— безразмерные координаты.
Функции Бесселя и экспоненциальная на интервале [0,1] изменения аргументов ж, z представимы с достаточной точностью в виде членов рядов разложения соответствующих функций. С учетом разложения К0(и) и ехр (v) в ряды решение (5.16) можно получить в виде:
