Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом 12
1 Характеристика автотранспорта как источника загрязнения воздушной городской среды 12
2 Состояние моделирования загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта 22
3 Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух на автомагистралях и перекрестках 32
4 Метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха вблизи городских автомагистралей и перекрестков 40
5 Применение современных геоинформационных систем для оценки загрязнения
атмосферы автомобильными выбросами 43
Глава 2 Характеристика использованного материала 51
1 Данные обследований автотранспортных потоков 51
2 Данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха 62
3 Данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха 64
4. Метеорологические характеристики городов, влияющие на рассеивание вредных (загрязняющих) веществ 71
5 Геоинформационные системы и интернет-сервисы 74
Глава 3 Оценка выбросов вредных (загрязняющих) веществ на городских автомагистралях и перекрестках с использованием геоинформационных систем 78
3.1 Уточнение значений удельных показателей выбросов основных загрязняющих веществ различных категорий автотранспортных средств
3.2 Коэффициенты, учитывающие изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения автотранспортных средств 85
3.3 Процедура определения интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автомагистралях и перекрестках 89
3.4 Определение основных планировочных характеристик магистрали и перекрестка с использованием современных геоинформационных систем 112
3.5 Алгоритм проведения расчетов выбросов загрязняющих веществ на автомагистралях 117
3.6 Алгоритм проведения расчетов выбросов загрязняющих веществ в зоне перекрестков 126
Глава 4 Оценка загрязнения атмосферного воздуха в зависимости от характеристик движения автотранспортных потоков и метеорологических условий 133
4.1 Влияние параметров автотранспортных источников выбросов на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей 138
4.2 Влияние длины очереди автотранспорта на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи перекрестков 143
4.3 Зависимость уровня загрязнения атмосферного воздуха от метеорологических условий 146
Заключение 152
Список литературных источников
- Состояние моделирования загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта
- Данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха
- Коэффициенты, учитывающие изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения автотранспортных средств
- Влияние длины очереди автотранспорта на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи перекрестков
Введение к работе
Обоснование актуальности темы диссертационного исследования
"Атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружающей природной среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Загрязнение атмосферного воздуха — поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха" [78].
Одной из острых экологических проблем настоящего времени является загрязнение атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. Автотранспорт является основным источником загрязнения воздушной среды городов вредными (загрязняющими) веществами, которые поступают в атмосферный воздух практически в зоне дыхания человека. В большинстве городов вклад выбросов автотранспорта в валовые выбросы составляет более 50%, а в крупных городах превышает 85 - 90% [26]. В 2007 году выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух на территории Российской Федерации достигли 16,3 млн. тонн при неуклонном росте объема выбросов с 1997 г.
Зоны загрязнения атмосферного воздуха такими веществами, как оксид углерода и диоксид азота, формируемые выбросами автотранспортных потоков (АТП), могут характеризоваться высокими концентрациями, зачастую превышающими значения предельно допустимых концентраций, и охватывать достаточно большие территории. Наибольшие значения максимальных приземных концентраций вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе формируются вблизи автомобильных дорог и их пересечений, по которым с различной интенсивностью, плотностью и скоростью движутся автотранспортные потоки.
Автомобильные дороги и перекрестки являются источниками с нестационарными по времени выбросами, а автомобили, движущиеся по магистралям, являются источниками
выделения выбросов в атмосферный воздух. В зависимости от структуры (состава) и интенсивности движения автотранспорта на автомагистралях и в районе перекрестков в атмосферном воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях формируются поля максимальных разовых концентраций вредных веществ. В соответствии со ст. 1 [78] "неблагоприятные метеорологические условия — метеорологические условия, способствующие накоплению вредных (загрязняющих) веществ в приземном слое атмосферного воздуха".
Состояние загрязнения атмосферного воздуха в городах Российской Федерации определяется на основании инструментального мониторинга, включающего наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и дополнительно с помощью передвижных лабораторий. Значения измеренных концентраций загрязняющих веществ в точке наблюдения фиксируют уровень загрязнения атмосферного воздуха без выявления источников загрязнения. Определить вклад автотранспортных источников выбросов позволяет расчетная оценка .загрязнения атмосферного воздуха, с помощью которой можно смоделировать конкретную ситуацию и дать прогнозные оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха с учетом улучшения экологических характеристик автотранспортных средств, развития улично-дорожной сети городов и др. факторов.
Развитие расчетного метода оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами необходимо в части усовершенствования метода определения параметров выбросов автотранспорта как источника загрязнения атмосферы, включающих характеристики автотранспортных потоков (интенсивность, структура, плотность, скорость движения) и величины удельных пробеговых выбросов и удельных выбросов в районах перекрестков.
Для повышения эффективности расчетов загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами появилась возможность проведения исследований на новом системном и техническом уровне с использованием технологии Географических Информационных Систем (ГИС). ГИС - информационная система, оперирующая пространственными данными. В отличие от обычных бумажных или отсканированных карт, с
помощью электронной топографической основы города возможно учесть весь объем информации о множестве слоев разнообразной общегеографической и тематической информации о городе, в т.ч. об автомагистралях и прилегающих жилых массивах.
Таким образом, тема диссертации, посвященная разработке метода оценки загрязнения атмосферного воздуха городов вблизи автомагистралей и перекрестков выбросами автотранспорта с использованием современных ГИС, является актуальной и своевременной задачей.
Предмет исследования
Предметом исследования являются закономерности формирования полей максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе вблизи городских автомагистралей и перекрестков при различных метеоусловиях в зависимости от характеристик движения автотранспортных потоков.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка метода расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков на основе уточненных удельных выбросов вредных (загрязняющих) веществ для различных категорий автотранспортных средств (АТС) с использованием современных ГИС.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
проведение натурных обследований состава и интенсивности автотранспортных потоков в ряде городов РФ;
разработка метода расчета удельных показателей выбросов основных загрязняющих веществ различных категорий АТС с учетом их экологических характеристик, а также уточнение коэффициентов, учитывающих изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения АТС;
применение современных геоинформационных систем для определения основных планировочных характеристик магистралей и перекрестков;
проведение расчетной оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС;
анализ зависимости уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач проводились натурные эксперименты по определению характеристик автотранспортных потоков, расчетные и инструментальные оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ с использованием ГИС.
Научная новизна работы
В диссертационной работе:
разработан метод определения удельных (пробеговых) выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, движущихся по автомагистралям;
разработан метод определения удельных выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, находящихся в зоне регулируемых перекрестков;
уточнены коэффициенты, учитывающие изменение выбросов оксида углерода, оксидов азота и углеводородов, в зависимости от скорости движения АТС;
предложен метод применения современных ГИС для определения основных параметров автотранспортных источников выбросов;
определены зависимости изменения уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков от параметров источников выбросов автотранспорта;
усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
Практическая значимость работы и внедрение результатов
Основные результаты научных исследований по оценке загрязнения атмосферного воздуха вблизи основных автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС (Maplnfo Professional, ArcView) апробированы и включены:
в «Методику определения загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга», «Методику расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух Санкт-Петербурга», «Методику по проведению сводных расчётов на основе компьютерного банка данных о выбросах загрязняющих веществ «Системы Эколог-город Санкт-Петербург», утвержденные распоряжениями Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга;
в сводный том «Охрана атмосферы и предельно-допустимые выбросы (ПДВ) города Архангельска» для нужд муниципального образования «Город Архангельск».
Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха г.Санкт-Петербурга автотранспортом с использованием ГИС послужила основой для принятия управленческих решений по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха г.Санкт-Петербурга автомобильным транспортом.
Результаты научных исследований рекомендовано использовать в качестве исходных данных для оценки и обоснования планируемых градостроительных решений по реконструкции транспортно-дорожной сети г.Архангельска в рамках «Комплексной транспортной схемы г.Архангельска на период 2008 - 2023 гг.»
Результаты исследований внедрены в атмосфероохранную деятельность, что подтверждено соответствующими актами.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в районах автомагистралей с использованием ГИС.
Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в зонах перекрестков с использованием ГИС.
Метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
Результаты исследования уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков в зависимости от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Достоверность результатов и выводов диссертации
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом используемого фактического материала (данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха; данные передвижной лаборатории контроля загрязнения атмосферного воздуха г.Архангельска; экспериментальные наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков г.Санкт-Петербурга, данные натурных обследований автотранспортных потоков вблизи автомагистралей и регулируемых перекрестков; статистическая информация о возрастной структуре автомобильных парков по территории РФ), а также полученными значениями коэффициентов корреляции между расчетными и инструментальными значениями концентраций загрязняющих веществ.
Личный вклад автора
Автор лично проводил натурные обследования структуры, интенсивности и скорости движения автотранспортных потоков и непосредственно участвовал в измерениях содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на автомагистралях и перекрестках г.Санкт-Петербурга. Автором самостоятельно разработан метод расчета выбросов загрязняющих веществ, включающий определение показателей удельных выбросов и учет изменения выбросов основных загрязняющих веществ от скорости движения автотранспортного потока. Автором лично усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха с использованием ГИС и проведена его апробация. Все представленные расчеты по определению
выбросов загрязняющих веществ и применению ГИС при оценке загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом и изложенные результаты расчетов получены автором лично.
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (г.Санкт-Петербург, Государственный аграрный университет, 22-24 марта 2005г.), на Седьмой Междуїїародной научно-практической конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 21-22 сентября 2006 г.), на Пятой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (г.Санкт-Петербург, ГУАП, 31 января - 02 февраля 2007г.), на международной научно-практической конференции «Информационные технологии как основа управления в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды» (г.Санкт-Петербург, 29-30 ноября 2007 г.), на научно-практической конференции «Актуальные вопросы обеспечения безопасности дорожного движения» (г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 27 -28 ноября 2008г.).
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе, 2 статьи — в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий (Научно-технический журнал "Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе", №11; Журнал «Экология урбанизированных территорий», №3).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Объем диссертации — 165 стр. текста, в том числе 33 таблицы, 48 рисунков. Список использованной литературы включает 105 наименований на русском и английском языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, анализируется предмет и объект исследования, практическая ценность и реализация полученных результатов работы, также приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается характеристика автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха городов; анализируются существующие и применяемые в настоящее время методики оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в РФ и за рубежом; описывается подход к расчету выбросов вредных (загрязняющих) веществ от автотранспорта; анализируются метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха вблизи городских автомагистралей; приводятся примеры применения современных ГИС для оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами.
Во второй главе приведена характеристика использованного материала. В работе были использованы: данные натурных обследований автотранспортных потоков; данные датчиков наблюдения Управления дорожного движения за интенсивностью движения автотранспортных потоков; данные автоматических стационарных станций по мониторингу загрязнения атмосферного воздуха (АСМЗВ); данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха.
В третьей главе изложен усовершенствованный автором метод расчета выбросов автотранспорта на автомагистралях и в зоне перекрестков с использованием ГИС.
Состояние моделирования загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта
Изучение влияния выбросов автотранспорта на загрязнение атмосферного воздуха как вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков, так и в городах в целом, является современной и актуальной задачей.
Как известно, уровень загрязнения атмосферного воздуха зависит не только от количества выбросов вредных веществ и их химического состава, от высоты, на которой осуществляются выбросы, но и от климатических условий, определяющих перенос и рассеивание выбрасываемых веществ.
Основой для объективной оценки состояния атмосферного воздуха городов и тенденции его изменения, а также разработки комплекса мероприятий по снижению негативного воздействия автотранспортных источников выбросов загрязняющих веществ, являются знания о закономерностях распространения атмосферных примесей и особенностях их пространственно-временного распределения.
За рубежом для практических расчетов загрязнения воздуха широко используются различные версии гауссовских моделей, построенных на положении о том, что концентрация примеси в окрестности одиночного точечного источника описывается гауссовским распределением концентраций вдоль координатных осей. Эти модели используются в том числе и для расчета загрязнения воздуха выбросами автотранспорта.
К таким моделям относятся: — американские модели CALINE-4 (California Line Source Model), ISC3 (Industrial Source Complex Model); ROADWAY 2.0; HIWAY-2; — финские модели CAR-FMI (Contaninants in the Air from a Road, by the Finnish Meteorological Institute); — датская модель - OSPM (Operational Street Pollution Model) OSPM - уличная модель загрязнения, разработанная Национальным Экологическим Научно-исследовательским институтом, Департаментом по Атмосферной Окружающей среде Дании; — шведский программный комплекс AIRVIRO; — румынская модель TRAP (a micro-scale street model for dispersion of pollutant emissions generated by traffic); — словацкая модель - AUTOMOD; — венгерские модели - HNS-ROAD, HNS-ISAQA; — эстонская AEROPOL; — польская EK 100W; — голландская бокс-модель CAR II и др.
В США анализ локальных повышенных концентраций загрязняющих веществ обычно проводится с использованием дисперсионной модели "California Line Source Model" (сокращенно обозначаемой в настоящее время CALINE-4) или ее последующих усовершенствований. Эта модель является утвержденной эталонной моделью Агентства по охране окружающей среды США (Enviromental Protection Agency U.S.). Модель CALINE-4 аппроксимируют конечный линейный (магистраль) источник множеством точечных источников. Концентрация в заданной точке рассчитывается как сумма концентраций от каждого точечного источника.
Финская модель CAR-FMI (Contaninants in the Air from a Road, by the Finnish Meteorological Institute) включает модель эмиссии, модель дисперсии и статистический анализ вычисленного ряда временных концентраций. Уравнение дисперсии основано на аналитическом решении Гауссовского уравнения распространения для конечного линейного источника [91]. Шведский программный комплекс AIRVIRO (был введен недавно в Балтийских странах - Эстонии, Латвии, Литве), разработанный Шведским институтом метеорологии и гидрологии включает [83]: — Модель уличного каньона — моделирует дисперсию в пределах вертикального поперечного сечения уличного каньона, при этом здания вдоль улиц должны быть равными по высоте, ширина улицы не должна превышать высоту окружающих зданий более чем в 2-3 раза. — Модель Гаусса (Лагранжа) — моделирует горизонтальные распределения загрязнения на уровне земли или в городских областях - на уровне крыш; область моделирования должна быть относительно плоской и с горизонтальным масштабом меньше 20x20км. — Сеточная модель (Эйлера) — моделирует горизонтальные распределения загрязнения на уровне земли или в городских областях - на уровне крыш; позволяет вычислять дисперсию при сложной топографии и для больших областей.
Гауссовский подход по сути является сугубо эмпирическим, что препятствует обобщению его результатов в целом ряде практически важных случаев. Также в гауссовской модели не учитывается зависимость диффузионных коэффициентов от высоты источника, поэтому она позволяет описывать приземное поле концентраций примеси от источника только фиксированной высоты [17].
Данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха
Для сопоставления экспериментальных и расчетных значений концентраций загрязняющих веществ были использованы данные измерений концентраций СО, NO и NO2 и сопутствующих метеорологических параметров на одной из автоматических станций мониторинга загрязнения атмосферного воздуха Санкт-Петербурга (АСМЗВ-3, ул.Карбышева, д. 7) за 2008 - 2009 гг.
Анализ натурных обследований АТП на ул.Карбышева показал, что максимальные значения интенсивности (2400 - 3100 авт/час) наблюдались в утренние часы с 900 до 1020 ч. со скоростью движения АТС около 30 - 40 км/час. Основной вклад в суммарную интенсивность движения АТП вносит легковой автотранспорт (77%), Вклад грузовых АТС составляет 21%, вклад автобусов - 2%. Скорость движения АТС в различные дни составляла от 5 до 70 км/час. При этом интенсивность движения АТС с уменьшением скорости движения автотранспорта уменьшалась от 3100 авт/час до 1400 авт/час. 2.3 Данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха
Дополнительно для сопоставления экспериментальных и расчетных значений концентраций загрязняющих веществ были использованы данные экспериментальных измерений, выполненных с участием автора с помощью передвижной лаборатории в зимний период 2009 г. вблизи отдельных перекрестков г. Санкт-Петербурга; в теплый период 2008 г. вблизи основных автомагистралей и перекрестков г. Архангельска. г.Санкт-Петербург
С участием автора в Санкт-Петербурге в зимний период 2009г. было проведено экспериментальное исследование процесса загрязнение атмосферного воздуха отработавшими газами АТС вблизи регулируемого перекрестка - Малый пр.В.О. и 13-я линия В.О. Для этого одновременно были проведены натурное обследование АТП (состав, интенсивность и скорость АТП) и измерения концентраций оксида углерода (мг/м3) с соответствующими метеоусловиями (направление, скорость ветра, температура). Измерения концентраций СО проводились в трех точках: на границе проезжей части на высоте 0,2 и 1м, на тротуаре на высоте дыхания человека.
В каждой из трех точек в течение 20 мин производился отбор проб на автоматический газоанализатор СО К-J 00, размещаемый в салоне автомобиля. Газоанализатор позволяет измерять массовые концентрации оксида углерода в диапазоне 0 - 50,0 мг/м3 Номинальная цена единицы наименьшего разряда на жидкокристаллическом индикаторе газоанализатора 0,1 мг/м3. Предел допускаемой основной относительной погрешности составляет ± 20 %. Предел допускаемой вариации (в.,,), показаний не превышает 0,5 долей от основной погрешности. Время установления показаний газоанализатора (То.э) не превышает 2 мин. Считывание показаний производилось с дисплея газоанализатора (10-20 показаний за 20 мин). На рис.2.3.2 представлен внешний вид газоанализатора.
Параллельно производился подсчет АТС, движущихся в обоих направлениях (по группам) и определялась скорость АТС (по группам). Фиксировалось направление и (ориентировочно) скорость ветра, измерялась температура воздуха. Определялось время действия разрешающего и запрещающего сигналов светофора. Визуально оценивалась длина очереди АТС перед перекрестком к концу действия запрещающего сигнала светофора и количество АТС, находящихся в очереди. Цикл измерений ежедневно выполнялся дважды. Полученные за двадцатиминутный интервал значения концентрации СО были усреднены (для каждой точки отбора). Интервалы времени наблюдения, осредненные за 20 мин концентрации по каждой точке, интенсивность движения по группам АТС, скорость АТП (по группам), метеопараметры были занесены в форму полевого журнала.
Анализ результатов показал: - интенсивность движения АТП по Малому пр. В.О. в утренние «часы пик» превышает 2000 авт/час; - около 90 % составляют легковые автомашины, из них около 80% - зарубежного производства; - интенсивность движения АТП достигает максимального значения к 900 ч. утра, медленно спадая к 1200; - На регулируемом перекрестке Малого пр. и 13-линии В.О. отмечаются очереди АТС длиной от 33 м до 63 м. Количество АТС в очереди находится в диапазоне от 5 до 15 ед.; - во все дни проведения эксперимента на Малом пр. В.О., 38 отмечался слабый ветер (0,5- 4,7 м/с) западных направлений (примерно по оси Малого пр. В.О. от Залива). Утро 02.04.09. отмечалось радиационным выхолаживанием атмосферы, что обеспечивало быстрый подъем и рассеивание в атмосфере отработавших газов АТС; - уровень загрязнения атмосферного воздуха СО - низкий, не превышающий ПДК во всех точках. Отмечено снижение уровня загрязнения воздуха с высотой отбора пробы и с удалением от проезжей части и с уменьшением интенсивности движения АТП. г.Архангельск
В Архангельске сотрудниками передвижной лаборатории контроля загрязнения атмосферного воздуха ОГУ «Государственная экологическая инспекция по Архангельской области» с участием автора в 2008г. были выполнены инструментальные замеры содержания вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе (азота диоксида, азота оксида, углерод диоксида и др.) вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков по следующим 10 адресам: 1. Линейный участок Воскресенская (от ул. Ломоносова до Обводного кан.); 2. Линейный участок пр. Троицкий (от пл. Профсоюзов до ул.Воскресенская); 3. Перекресток ул. Воскресенская - ул. Тимме; 4. Перекресток ул. Воскресенская - ул. Ломоносова; 5. Перекресток пр. Московский - ул. П. Усова; 6. Перекресток Обводный канал - ул. Урицкого; 7. Перекресток ул. Ломоносова - ул. Урицкого; 8. Перекресток ул. Воскресенская — пр. Троицкий; 9. Перекресток ул. Гагарина - ул. Ломоносова; 10. Перекресток ул. Советская - ул. Терехина.
Лаборатория обеспечивает автоматическое измерение, обработку и регистрацию результатов измерений концентраций примесей, а также температуры и относительной влажности атмосферного воздуха, атмосферного давления, скорости и направление ветра. Замеры осуществлялись по будним дням в утренние и вечерние часы за 20 минутный интервал осреднения на подветренной стороне в 50 м от автомагистрали или перекрестка. Одновременно с регистрацией результатов измерений концентраций вредных (загрязняющих) веществ фиксировались и метеопараметры.
Коэффициенты, учитывающие изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения автотранспортных средств
В существующей методике [41] разработчиками определен набор скоростей движения АТС и соответствующих коэффициентов, учитывающих изменение выбросов вредных (загрязняющих) веществ в зависимости от скорости движения. Заложенный набор скоростей движения АТС с соответствующими коэффициентами изменения выбросов ЗВ были разработаны для определенной дорожно-транспортной ситуации, когда скорость движения АТП была характерной для плавного городского цикла движения автотранспорта с низкой плотностью движения. Наименьшим из рассматриваемых значений скорости движения АТП является 10 км/час, максимальным - 100 км/час. При этом для всех вредных (загрязняющих) веществ, рассматриваемых в методике, значения коэффициентов приведены одинаковые. В настоящее время на многих городских автомагистралях, в связи с увеличившимся по сравнению с 1999 г. количеством АТС и изменением дорожно-транспортной ситуации, скорость АТП нередко составляет 5 км/час и менее, приводя к затруднительному движению. При этом, для крупных городов, например, Москвы и Санкт-Петербурга характерно также значение наличие автомагистралей скоростного назначения (МКАД, КАД) с официально разрешенной правилами дорожного движения скоростью движения 110 км/час [61]. Для проведения корректных расчетов выбросов вредных (загрязняющих) веществ на автомагистралях необходимо учитывать современные условия движения автотранспорта в городских условиях и использовать значения коэффициентов, учитывающих изменение значений выбросов при скорости 5 и ПО км/час.
Количество выбросов автомобиля пропорционально расходу топлива. С повышением скорости удельные пробеговые выбросы углеводородов и оксида углерода снижается, но выбросы окислов азота увеличиваются.
Для проведения корректных расчетов выбросов вредных (загрязняющих) веществ на автомагистралях автором были учтены современные скоростные условия движения автотранспорта в городских условиях и использованы значения коэффициентов, учитывающих изменение значений удельных выбросов основных вредных (загрязняющих) веществ при скорости движения АТС в пределах от 5 до ПО км/час. В таблице 3.2.1 и на рис. 3.2.2 приведены уточненные значения безразмерных коэффициентов Ryk, учитывающих изменение значений удельных выбросов основных СО, СХНУ, NOx от средней скорости движения АТП через каждые 5 км/час, начиная со значения 5 км/час и заканчивая 110 км/час (5, 10, 15, 20, 25 ...., 55, 60, 65, 70, 80, 90, 100,105, ПО км/час).
На установившемся режиме работы двигателя, со средней скоростью движения автомобиля 60 - 85 км/час, уровень выбросов оксида углерода, при условии технической исправности бензинового двигателя, его систем питания и зажигания, является минимальным. Во время разгона выбросы увеличиваются в 5 - 7 раз относительно выбросов на установившихся режимах. С увеличением скорости от 90 до 130 км/час выбросы увеличиваются в 1,5-2 раза относительно выбросов на установившихся режимах.
На установившемся режиме работы двигателя, со средней скоростью движения автомобиля 60 - 80 км/час, уровень выбросов углеводородов, является минимальным. С увеличением скорости от 90 до 130 км/час выбросы углеводородов уменьшаются в 1,5 - 2 раза относительно выбросов на установившихся режимах. Во время разгона выбросы углеводородов увеличиваются в 4 - 6 раз относительно выбросов на установившихся режимах.
На установившихся режимах работы двигателя, со средней скоростью движения автомобиля 60 - 110 км/час, уровень выбросов оксидов азота в 1,5-3 раза выше, чем уровень выбросов на режиме холостого хода и при движении со скоростью движения до 50 км/час. При скорости движения менее 5 км/час, выбросы оксидов азота минимальны. 3.3 Процедура определения интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автомагистралях и перекрестках
Для определения максимальных разовых выбросов вредных (загрязняющих) веществ на автомагистралях и перекрестках, необходимо проведение натурных обследований по определению структуры, интенсивности и скорости движения АТП на автомагистрали и дополнительных специальных обследований в зоне перекрестка.
При проведении натурных обследований наблюдателем на перегонном участке выбранной автомагистрали фиксируются максимальные значения интенсивности движения (туда и обратно) по основным категориям АТС в течение 20 минут каждого часа. Перечень основных категорий АТС представлен в разделе 3.1. Если магистраль в каждом направлении имеет несколько полос движения, и при этом нет возможности вести наблюдения одновременно в обе стороны, то за первые 20 минут провести подсчёт АТС в одном направлении, а в следующие 20 минут - в другом. Одновременно фиксируются и скорости движения легковых, грузовых автомобилей и автобусов. Натурные обследования состава и интенсивности движущегося АТП рекомендуется проводить не менее 4-6 раз в часы "пик" на каждой автомагистрали. Полученные значения характеристик АТП заносятся в полевой журнал обследования характеристик движущегося АТП. В таблице 3.3.1 представлен пример заполнения формы Полевого журнала.
Максимальная интенсивность движения АТП наблюдается в часы максимальной нагрузки на автомагистрали. Однако в зависимости от территориального местоположения автомагистрали, на разных автомагистралях максимальная интенсивность движения может наблюдается в разное время суток.
Влияние длины очереди автотранспорта на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи перекрестков
Для анализа влияния длины очереди АТС перед перекрестком на уровень загрязнения атмосферного воздуха автором были проведены расчеты максимальных концентраций ЗВ, выполненных при разных значениях длины очереди АТС, на примере отдельных перекрестков г.Санкт-Петербурга и г.Архангельска
В зоне регулируемых перекрестков расчетные значения концентраций оксида углерода с увеличением длины очереди автомобилей увеличиваются, а значения концентраций оксидов азота (N0 и N02) уменьшаются. Зависимость концентраций оксида азота от длины очереди автотранспорта перед перекрестком Связано это с тем, что по сравнению с установившимися режимами работы двигателей со скоростью движения автотранспорта 50-60 км/час на линейных участках автомагистрали, на режиме холостого хода и малых нагрузках двигателей АТС, находящихся в очереди перед перекрестком, выбросы оксидов азота (NO и NO2) в атмосферный воздух становятся незначительными [37, 38]. Таким образом, чем больше значение длины очереди перед перекрестком, тем больше времени двигатели АТС, находящихся в очереди, работают на режиме холостого хода и малых нагрузках. Из рис.4.2.2б следует, что при образовавшейся очереди автотранспорта перед перекрестком, в ожидании разрешающего сигнала светофора, длиной до 50 м, зафиксированные значения концентраций оксида углерода не превышают предельно-допустимое значение. С увеличением очереди автотранспорта перед перекрестком длиной более 50 м, значения концентрации оксида углерода заметно увеличиваются, зачастую превышая значение 1 ПДК. При длине очереди около 200 - 250 м концентрации оксида углерода в 50% случаев превышают 1 ПДК, достигая значений 2 - 2,5 ПДК.
Одними из основных метеорологических параметров, определяющих изменчивость концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, являются направление и скорость ветра. В зависимости от пространственного расположения автомагистралей и измерительных станций, направление ветра влияет на изменение значения концентрации. Расчетная оценка показала, что наибольшие концентрации загрязняющих веществ в точке измерения отмечаются при направлении ветра на точку под углом 30 к магистрали. Это подтверждается инструментальными измерениями, согласно которым максимальные значения концентраций были зафиксированы при направлениях ветра под углом до 30-45 к магистрали. По данным АСМЗВ-3 в феврале 2009 года максимальные значения концентрации примесей на посту были зафиксированы, в основном, в утренние и вечерние часы при северных и северо — восточных направлениях ветра (0 - 70) (под углом 30 - 45 к ул.Карбышева) и составили по оксиду углерода 0,45 - 0,67 ПДК мр.. (таблица 4.3.1), по оксиду азота - 0,5 - 0,86 ПДК мр. (таблица 4.3.2), по диоксиду азота - 0,6 - 0,78 ПДК м.р. (таблица 4.3.3).
В марте 2009 года максимальные значения концентрации, примесей на посту были зафиксированы, в основном, в утренние и вечерние часы при северных, северо — восточных и восточных направлениях ветра (0 до 94) (под углом 40 — 45 к ул.Карбышева) и составили по оксиду углерода 0,5 - 0,6 ПДК м.р.., по оксиду азота - 0,5 - 0,84 ПДК м.р, по диоксиду азота -0,55 - 0,86 ПДК м р..
На уровень загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков неблагоприятное влияние оказывают штилевые условия. Выяснено, что минимальные значения концентраций загрязняющих веществ вблизи автомагистралей наблюдаются в ночные часы, когда скорость ветра минимальна и составляет, в среднем около 0,5 - 1,0 м/с. Максимальные значения наблюдаются в утренние (7 - 10 ч.) и вечерние (18 - 20 ч.) часы при слабой скорости ветра, в среднем, до 1 м/с. В дневные часы (12 - 18ч.) с увеличением скорости ветра концентрации примесей относительно утреннего и вечернего максимумов снижаются. В качестве примера представлены полученные автором графики суточного хода скорости ветра (рис.4.3.2, 4.3.4) и измеренных концентраций оксида углерода, диоксида азота, оксида азота (рис.4.3.1, 4.3.3) на автоматической станции мониторинга загрязнения воздуха АСМЗВ-3 (г.Санкт-Петербург) за февраль и март 2009г. При определении суточного хода было использовано более 4200 значений по каждой измеряемой примеси с соответствующими метеоусловиями.
Выполненные в диссертационной работе исследования позволили усовершенствовать метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом с использованием ГИС. Получены следующие основные результаты:
1. Выполнен анализ существующих и применяемых в настоящее время методик оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в РФ и за рубежом. Показана возможность применения расчетной схемы, лежащей в основе методики ОНД-86 для определения максимальных приземных концентраций, формируемых выбросами автотранспорта.
2. Проведены натурные обследования автотранспортных потоков в ряде городов РФ. Средняя интенсивность движения в г.Санкт-Петербурге составляет 2400 авт/час (78% легковых АТС, 20% грузовых АТС, 2% автобусов), в г.Архангельске 1300 авт/час (70% легковых АТС, 19% грузовых АТС, 11% автобусов), в г.Астрахани - 2200 авт/час (75% легковых АТС, 19% грузовых АТС, 6% автобусов).
3. Определены удельные выбросы загрязняющих веществ для восьми категорий АТС, движущихся по автомагистралям и находящихся в зоне перекрестков, для Санкт-Петербурга и Архангельска. Определены коэффициенты, учитывающие изменение выбросов основных загрязняющих веществ (СО, NOx, СХНУ) в зависимости от средней скорости движения АТС.
4. Разработан метод определения длины, ширины участков автомагистралей, длины очереди АТС, количества АТС в очереди перед регулируемым перекрестком, скорости и плотности движения АТС с использованием современных ГИС и интернет-сервисов и апробирован на примере г.Санкт-Петербурга и г.Архангельска. Коэффициенты корреляции между расчетными и наблюдаемыми значениями составляют по динамическому габариту АТС, количеству АТС, находящихся в очереди перед перекрестком, по длине очереди перед перекрестком Rs=0,59; по RGO —0,9 и RL0 =0,8 соответственно.
5.Разработан метод расчета выбросов загрязняющих веществ на перегонных участках автомагистралей и в зоне регулируемых перекрестков. Результаты расчета выбросов показали, что на перегонных участках автомагистралей с уменьшением скорости движения АТС выбросы оксида углерода увеличиваются, а выбросы диоксида азота снижаются, что обусловлено различием в удельных выбросах автомобилей на различных режимах работы двигателя. С увеличением интенсивности движения АТС, без изменения скорости движения АТС, выбросы загрязняющих веществ возрастают.
6.Усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта с использованием ГИС. Дана оценка загрязнения атмосферного воздуха оксидом углерода и диоксидом азота вблизи автомагистралей и перекрестков на примере г.Санкт-Петербурга и г.Архангельска. Отмечены различия в зависимости концентраций оксида азота и диоксида азота от характеристик движения автотранспортных потоков, по сравнению с зависимостью концентраций оксида углерода. Связано это с изменчивостью выбросов загрязняющих веществ на различных режимах работы двигателя автомобиля.
