Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта 7
1.1 Влияние автотранспортных потоков на загрязнение окружающей среды 7
1.2 Факторы, определяющие загрязнение воздушной среды от транспортного потока 10
1.3 Источники загрязнения воздушной среды 19
1.4 Классификация загрязняющих веществ 19
1.5 Методы оценки количества выбросов загрязняющих веществ 25
Выводы. Цели и задачи исследования 39
2. Совершенствование метода оценки массовых выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта 41
2.1 Постановка задачи исследования 41
2.2 Анализ исходных данных.. 42
2.2.1 Рекомендации по проведению замеров интенсивности дорожного движения 45
2.2.2 Состав транспортного потока 47
2.2.3 Прогноз скорости транспортного потока 48
2.2.4 Оценка параметров стояночного режима придорожных парковок 54
2.2.5 Погодно-климатические условия 56
2.3 Расчет загрязнения воздушной среды 57
2.3.1 Выброс загрязняющих веществ при прогреве двигателя 59
2.3.2 Дополнительный выброс при движении на «холодном» двигателе 62
2.3.3 Расчет «горячего» выброса 67
2.4 Учет нетрадиционных видов загрязняющих веществ 96
2.5 Контроль загрязнения воздушной среды 99
2.6 Мероприятия по снижению выбросов загрязняющих веществ 102
2.7 Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу 107
2.8 Расчет предотвращенного ущерба, связанного с выбросом загрязняющих веществ 109
2.9 Оценка достоверности предлагаемого метода 112
Выводы 117
3.1 Методика оценки массового выброса загрязняющих веществ от автотранспорта 119
3.2 Программный комплекс 120
Выводы 127
4. Использование инженерной методики оценки массовых выбросов загрязняющих веществ для автомобильных дорог и автотранспортных предприятий 128
4.1 Цель и объем апробации 128
4.2 Использование методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта при разработке целевой экологической программы 129
4.3 Использование методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта при разработке «Программы развития городского пассажирского транспорта» 131
4.4 Использование методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспортных средств в учебном процессе 135
Выводы 136
Заключение 137
Литература
- Факторы, определяющие загрязнение воздушной среды от транспортного потока
- Рекомендации по проведению замеров интенсивности дорожного движения
- Программный комплекс
- Использование методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта при разработке «Программы развития городского пассажирского транспорта»
Введение к работе
Негативное влияние автотранспорта в первую очередь проявляется в крупных городах и мегаполисах, на территориях, характеризующихся интенсивным движением транспорта. Валовые выбросы от автотранспортных средств в крупных городах составляют более 92% от общего количества. Специфика передвижных источников загрязнения (автомобилей) проявляется в низком расположении, пространственной распределенности и непосредственной близости к жилым районам. Все это приводит к тому, что автотранспорт создает в городах обширные и устойчивые зоны, в пределах которых в несколько раз превышаются санитарно-гигиенические нормативы загрязнения воздуха.
В настоящее время развитие теории моделирования транспортных потоков, методов исследования выбросов от автотранспорта позволяют учесть большее количество факторов, влияющих на количество выбросов и предложить более полный метод их оценки.
На основе расчетного моделирования, основанного на имеющейся информации об экологических характеристиках транспортных средств, их техническом состоянии, условиях и режимах эксплуатации, а также данных учета движения и транспортной работы, определяются участки транспортной сети, характеризующиеся наибольшим уровнем воздействия на воздушную среду, рассчитывается мощность выбросов загрязняющих веществ на этих участках.
Поэтому наиболее перспективным для оценки экологической безопасности автотранспортного комплекса является использование метода расчетной инвентаризации выбросов.
Целью работы является уточнение оценки массовых выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах от современных автотранспортных средств, включая выполнение европейских нормативов EURO V, с определением объективного уровня негативного воздействия на воздушную среду.
Задачи исследования:
• классифицировать категории автотранспортных средств и режимы работы двигателей внутреннего сгорания при оценке экологической безопасности автотранспорта;
• выполнить эколого-экономическую оценку последствий негативного воздействия автотранспорта на атмосферу;
• разработать методику и программное обеспечение оценки массовых выбросов загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания автотранспорта;
• подтвердить объективность и определить направления применения методики оценки массовых выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта.
Объектом исследования являются выбросы загрязняющих веществ от автотранспортных потоков на улично-дорожной сети городов.
Предметом исследования являются методы моделирования выбросов загрязняющих веществ в зависимости от режимов работы и технических характеристик автотранспорта.
Научная новизна. Разработана математическая модель оценки загрязнения воздушной среды транспортным потоком, содержащая дополнительные элементы, в частности: учитывающие выбросы при прогреве двигателя, дополнительный выброс при движении на «холодном» двигателе и «горячий» выброс, а также поправочные коэффициенты на уклон дороги, степень загрузки транспорта, температуру окружающей среды, экологические требования в рамках стандарта EURO и износ нейтрализаторов отработавших газов; дополнительно учтены «нетрадиционные» виды загрязняющих веществ, такие как метан, закись азота, аммиак.
Практическое значение работы заключается в разработке методики оценки выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, состоящей из экологической и экономической частей и программного комплекса, обеспечивающего автоматизированную оценку выбросов загрязняющих веществ и расчет платы за загрязнение атмосферы в условиях организаций, имеющих на своем балансе транспортные средства, отдельных участков улично-дорожной сети и отдельного региона в целом.
Реализация работы. Разработанная методика и программный комплекс внедрены при оценке выбросов загрязняющих веществ и расчете платы:
- в условиях разработки Целевой экологической программы «Оздоровление воздушного бассейна г. Ростова-на-Дону», - комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Ростова-на-Дону;
- в условиях разработки «Программы развития городского пассажирского транспорта и транспортной инфраструктуры г. Ростова-на-Дону на период 2007 -2010 г.г.», - департамент транспорта администрации г. Ростова-на-Дону;
- в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Организации перевозок и дорожного движения», РГСУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: Международных научно-практических конференциях РГСУ, г. Ростов-на-Дону, «Строительство - 2000 - 2007»; Всероссийской научно-технической конференции «Концепция современного развития автомобилестроения и эксплуатации транспортных средств» Южно-Росссийский государственный технический университет, Новочеркасск 2001г.; научно-технической конференции «Транспортные системы Сибири» Красноярский государственный технический университет 2005 г, Известия Вузов Северо-Кавказский регион, технические науки.
Публикации. Опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Факторы, определяющие загрязнение воздушной среды от транспортного потока
Из множества факторов, влияющих на количество выбросов ЗВ можно выделить следующие группы (рисунок 1.3): 1. Дорожные характеристики. 2. Климатические условия. 3. Характеристики транспортных средств, включая вид топлива. 4. Личностный фактор.
Одним из основополагающих факторов, влияющих на количество выбросов ЗВ, является расположение дороги по отношению к населенному пункту. В связи с этим дороги классифицируются в зависимости от СНиП 2.05.02.-85 [ 17] и СНиП 2.07.01 -89 [ 18] на: внегородские и городские.
К дорожно-транспортным условиям, влияющим на количество выбросов ЗВ в атмосферу от автотранспорта, можно отнести [19,20,21]: дорожные: - ровность покрытия; - влажность покрытия (сухое, влажное, гололед); - ширина проезжей части и обочин; - количество полос движения; - наличие дорожной разметки; - продольный уклон; - длина подъема; - радиус кривой в плане; - расстояние видимости в плане и продольном профиле. 12 транспортные: интенсивность движения ТП; - состав ТП; скорость движения ТП; - плотность ТП; - объем движения; - занятость; - временной интервал; пространственный интервал; - удельное время поездки (темп движения); - удельное время задержки; - наличие методов и средств организации дорожного движения.
Практически все из перечисленных дорожных условий влияют на скорость движения одиночного автомобиля и соответственно ТП в целом. Степень косвенного влияния отдельных факторов, таких как состояние покрытия, ширина проезжей части и обочин, количество полос движения на скорость движения автомобиля показана в разделе моделирование скорости транспортного средства [22, 23].
Принятие решений по организации дорожного движения и перевозок, планированию работы транспортных систем, оценка эффективности функционирования улично-дорожной сети и ее экологическая безопасность возможны только на основе изучения параметров ТП и зависимостей между ними в конкретных условиях. Многолетний зарубежный и отечественный опыт научных исследований и практических наблюдений за ТП позволил выделить наиболее объективные показатели. К ним относятся: скорость движения, интенсивность, плотность и состав ТП.
Выброс ЗВ от автотранспорта имеет линейную зависимость от интенсивности и состава ТП. С увеличением скорости движения выделение продуктов неполного сгорания (СО и CnHm ) уменьшается, а выброс NOx увеличивается. Анализ скоростных режимов по критерию токсичности показывает на существование рациональных скоростей у автомобилей различного типа. Зависимости выбросов ЗВ от характеристик ТП показаны в разделе 2.
Другим фактором, определяющим количество выбросов ЗВ, являются характеристики транспортных средств. Вид топлива определяет количество и состав выбросов ЗВ. В основном легковой транспорт работает на бензине, грузовой транспорт и автобусы на дизельном топливе. Хотя в последнее время существует тенденция перехода на газобаллонное оборудование, а в отдельных странах в качестве альтернативного топлива применяется биодизель, биоэтанол и др. виды топлива.
Отечественными (ВНИИГАЗ, НАМИ, КамАЗ) и зарубежными (США, ФРГ, Франция) организациями был проведён комплекс дорожных и лабораторных сравнительных испытаний различных автомобилей при их работе на природном газе и нефтяных топливах. В таблице 1.1 приведены относительные выбросы, % токсичных веществ двигателями внутреннего сгорания (ДВС), полученные по результатам испытаний при работе на различных видах топлива. Для сопоставления значений данные таблицы пересчитаны к одному типу автомобилей - легковому с полной массой 1,5 т [24,25,26,27].
Рекомендации по проведению замеров интенсивности дорожного движения
Существующие методики оценки выбросов загрязняющих веществ рекомендуют проводить замеры интенсивности дорожного движения в часы «пик» не менее 4-6 раз. Для большинства городских магистралей наблюдается два максимума: утренний и вечерний (соответственно с 7-8 час до 10-11 час и с 16-17 час до 19-20 час). На примере улично-дорожной сети города Ростова-на-Дону отмечается «размазанный час пик». Основываясь на известных закономерностях изменения интенсивности движения во времени, предлагается замеры проводить в любой период времени с использованием коэффициентов неравномерности.
Для оценки необходимой продолжительности измерения при определении часовой или суточной интенсивности может быть использован график, представленный на рисунке 2.3 [89].
При замере интенсивности дорожного движения необходимо транспортный поток разбивать по составу.
Действующие Российские методики предлагают транспортный поток приводить к расчетным автомобилям. При этом расчетные автомобили делятся на следующие группы: I. Л - легковые; II. ГК 3 - грузовые карбюраторные грузоподъемностью менее 3 тонн и микроавтобусы (ГАЗ-51-53, УАЗы, «Газель», РАФ и др.); III. ГК 3 - грузовые карбюраторные грузоподъемностью более 3 тонн (ЗИЛы. Урал и др.): IV. АК - автобусы карбюраторные (ПАЗ, ЛАЗ. ЛИАЗ): V. ГД - грузовые дизельные (КРАЗ. КАМАЗ); VI. АД - автобусы дизельные («Икарус»); VII. ГГБ - грузовые газобаллонные, работающие на сжатом природном газе.
Предлагаемый метод основывается на европейской классификации транспортных средств по экологическим показателям и состоит из 85 групп, приведенных в таблице 1.4. Данное деление невозможно выполнить путем натурных наблюдений. Поэтому предлагается использование совместных данных натурных наблюдений с разбивкой по 7 группам с дальнейшей корректировкой согласно статистике муниципальных органов (ГИБДД, департамента организации дорожного движения, Госкомстата и др.). В случае использования метода для предприятий, имеющих на своем балансе АТС, дифференсация ТС должна быть более детальной согласно паспорта каждого АТС.
В последнее время важным фактором снижения количества выбросов ЗВ от автотранспорта является разработка технических средств снижения выбросов таких как доработка двигателя, установка нейтрализаторов отработавших газов и т.д. В связи с этим еще одним признаком классификации транспортных средств является выполнение экологических норм. 2.2.3 Прогноз скорости транспортного потока
Зная законы движения транспортных потоков, можно воспользоваться теоретическими зависимостями между интенсивностью, составом и его скоростью на автомагистралях, внегородских дорогах без потерь времени на проведение натурных исследований.
На внегородских дорогах средняя скорость потока автомобилей по однородному участку, в пределах которого не происходит изменения каких-либо характеристик дорожных условий определяется по формуле [90]: v = Gev0-aKaN4 (2.4) где G - коэффициент, учитывающий влияние состояния покрытия на среднюю скорость; 0- коэффициент, учитывающий влияние дорожных условий и состава транспортного потока на скорости движения; vo - средняя скорость свободного движения однородного потока, состоящего из легковых автомобилей, на прямолинейном горизонтальном участке дороги с проезжей частью 7,5 м, краевыми полосами 0,75 м, укрепленными обочинами шириной 3,5 м (принимается 80 км/ч);
а - коэффициент, зависящий от доли легковых автомобилей в составе транспортного потока (Таблица 2.2);
При определении 0по формуле (2.7) необходимо учитывать, что на участках со значительными уклонами влияние уклона на скорость движения будет преобладающим по сравнению с другими характеристиками дорожных условий. Поэтому при уклонах более 45%0 и при длине подъема более 200 м, при уклонах более 55%о и при длине подъема более 200 м, при уклонах более 65%о И при длине подъема более 100 м из значений г, -г3 принимают в качестве расчетного наименьшее, а все другие коэффициенты принимают равными 1.
Коэффициент Ка принимают по таблице 2.4 для кривых в плане и по таблице 2.11 для участков с продольными уклонами более 30%0 (при совпадении кривой в плане с подъемом в формулу подставляют большее из найденных значений Ка). Средняя скорость потока автомобилей для дороги или участка протяжением L: vcp= 7- (2.8) где п - число участков, однородных по дорожным условиям; п h - протяженность /-ого участка, км; L = ][]/,.; v,- - скорость потока для і-ого участка, рассчитанная по формуле (2.4)
Средняя скорость движения транспортного потока в каждом направлении (Vi 2) на автомобильных магистралях с 4 полосами проезжей части определяется из выражения: Ухл =(Уо Ч Ч +vo Ч qi)A-V N (2.9) где VQ - свободная скорость движения по правой полосе (105 км/ч); VQ - свободная скорость движения по левой полосе (117 км/ч); кі, к2 — коэффициенты, зависящие от числа легковых автомобилей на данной полосе проезжей части, определяются по таблице 2.13. qi - относительное количество автомобилей, движущихся по правой полосе при разной интенсивности движения в данном направлении, доли единицы (таблица 2.14); q2 - относительное количество автомобилей, движущихся по левой полосе, доли единицы: q2=l-q, (2.10) А - обобщающий коэффициент, учитывающий влияние на скорость движения элементов дороги, А = к, к4 к5 (2.11) где кз - коэффициент, учитывающий влияние продольного уклона при движении на подъем (табл.2.15); к4 - коэффициент, учитывающий влияние развязок в разных уровнях (таблица 2.17); к5 - коэффициент, учитывающий влияние больших мостов, равен 0,85; Ч - коэффициент, зависящий от числа грузовых автомобилей в транспортном потоке заданного направления движения (таблица 2.16); N— интенсивность движения в одном направлении, авт/ч, Таблица 2.12 Число легковых автомобилей на отдельных полосах
Программный комплекс
В соответствии с основными результатами теоретических исследований (гл. 2), нами проведена производственная апробация с целью проверки метода и внедрения созданной на его базе инженерной методики оценки количества выбросов ЗВ для автомобильных дорог и автотранспортных предприятий (гл. 3). Апробация методики оценки массовых выбросов предусматривает ее использование на стадиях проектирования и эксплуатации автомобильных дорог, а также при инвентаризации выбросов в АТП. В связи с разноплановой возможностью применения предлагаемой методики оценки количества выбросов ЗВ в атмосферу от передвижных источников основные ее положения использовались в следующих программах: - В «Программе развития городского пассажирского транспорта и транспортной инфраструктуры г. Ростова-на-Дону на период 2007 - 2010 г.г.». Заказчиком являлся департамент транспорта администрации г.Ростова-на-Дону. - Разработка целевой программы «Оздоровление воздушного бассейна г. Ростова-на-Дону». В качестве заказчика выступал комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Ростова-на-Дону. Объем и основные результаты апробации предлагаемой методики сведены в таблицу 4.1.
В результате в каждом из рассмотренных случаев использования методики произведен расчет по предлагаемой методике.
При разработке целевой программы «Оздоровление воздушного бассейна г. Ростова-на-Дону» в качестве заказчика выступал комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов г. Ростова-на-Дону (приложениеД). Положения предлагаемой методики были применены при оценке выбросов ЗВ от автотранспортных средств города Ростова-на-Дону с перспективой улучшения качества атмосферного воздуха.
Разработка мероприятий по снижению загрязнения воздушного бассейна была выполнена на основе их предварительного разделения на три основные группы: градостроительные (организационные) мероприятия, конструктивные (технические) и комплексные мероприятия.
В современных условиях высокую экологическую эффективность имеют мероприятия по организации дорожного движения. В зависимости от масштаба и сложности этих мероприятий можно добиться снижения выбросов на 10 -25%.
Предлагаемая методика была применена при оценке проектов по организации дорожного движения как на локальном, так и на сетевом уровнях. На локальном уровне при использовании кругового движения (таблица 4.2), рациональном ограничении использования околотротуарных стоянок, выборе алгоритма адаптивного регулирования и оптимизации управляющих параметров. На сетевом уровне при внедрении системы адаптивного регулирования дорожного движения «Старт-Ростов».
На примере примыкания двух магистральных ул. Нариманова и пр. Нагибина, где предлагается реконструкция узла со строительством развязки в разных уровнях - по типу труба были посчитаны выбросы ЗВ до и после мероприятий.
При рассмотрении конструктивных мероприятий прежде всего обращалось внимание на перевод части легкового и грузового автопарка на газобаллонное оборудование. Был использован метод прогнозной оценки. Уровень снижения выбросов загрязняющих веществ при переводе 20% легкового парка на газ и грузового карбюраторного транспорта показан в таблице 4.3. Дальнейший перевод парка на газовое топливо даст еще более ощутимый результат.
При разработке «Программы развития городского пассажирского транспорта и транспортной инфраструктуры г. Ростова-на-Дону на период 2007 -2010 г.г.» заказчиком являлся департамент транспорта администрации г. Ростова-на-Дону (приложение В).
В связи с тем, что средний возраст автобусного парка по г. Ростову-на-Дону составляет 14 лет, общего снижения выбросов ЗВ можно достичь путем перехода автобусного парка на модели, соответствующие более жестким экологическим требованиям EURO II и выше. С 12 апреля 2006 г. утвержден Федеральный закон о введении нормативов EURO II для производимых и ввозимых на территорию РФ транспортных средств, в то время как в странах Европейского Сообщества введены нормы выбросов EURO IV. Снижение выбросов загрязняющих веществ от автобусного парка при ужесточении экологических нормативов с EURO 0 до EURO IV показано на рисунке 4.1,4.2.
С целью использования результатов диссертационной работы и расширения области применения методики она была апробирована в учебном процессе в виде методических указаний к экологическому разделу дипломного проектирования для инженеров специальности 190702 «Организация и безопасность дорожного движения», при чтении материалов лекций по курсу «Общество - среда - транспорт», «Организация дорожного движения» (приложение Г).
Использование методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта при разработке «Программы развития городского пассажирского транспорта»
1. Результаты апробации методики оценки количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспорта подтвердили правильность положенной в ее основу методологии расчета.
2. Представленные примеры практического применения методики и реализующего ее программного комплекса свидетельствуют о возможности их использования: в организациях, имеющих на своем балансе автомобильный транспорт при составлении экологических форм отчетности 2-ТП «Воздух»; в организациях, осуществляющих контроль за качеством воздушного бассейна; в учебном процессе.
В результате в каждом из рассмотренных случаев обеспечена объективная оценка количества массовых выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, что позволяет уточнить реальные величины массовых выбросов и размеров платежей за загрязнение воздушной среды от передвижных источников.
1. Разработана адекватная математическая модель и программное обеспечение, позволяющие оценивать уровень негативного воздействия на атмосферу от 85 категорий автотранспортных средств, который определяется массовым выбросом зафязняющих веществ. Научная новизна модели заключается в определении суммарного массового выброса, который включает прогрев двигателя («пусковой выброс»), движение на холодном двигателе («холодный выброс»), движение на горячем двигателе («горячий выброс»); введены поправочные коэффициенты на уклон дороги, степень загрузки транспорта, температуру окружающей среды, экологические требования в рамках стандарта EURO и износ нейтрализаторов отработавших газов; дополнительно учтены «нетрадиционные» виды загрязняющих веществ, такие как метан, закись азота, аммиак. Последствия негативного воздействия на атмосферу от автотранспорта базируются на оценке рассеивания выбросов (для участка УДС) и расчете платы за загрязнение воздушной среды (для АТП) через массовый выброс ЗВ. 2. Расчеты по модели показали что:
2.1 в зависимости от времени года и температурных показателей региона эксплуатации транспортных средств процентное соотношение «пускового», «холодного» и «горячего» выбросов от автотранспорта могут находиться в различных соотношениях. Для Ростовской области при расчетах были получены следующие соотношения: в теплый период: 2 - 3 - 95%; в холодный период 10-15-75%.
2.2 дополнительный выброс ЗВ, который дают придорожные парковки, связан с работой двигателя на холостом ходу. Количество дополнительных выбросов ЗВ от одной парковки легковых автомобилей в количестве двадцати машиномест составляет: СО - 317,5 кг/год; CnHm- 22 кг/год; NOx - 5,5 кг/год.
2.3 дополнительный выброс СО при «холодном старте» автомобилей в зимний период на отдельных участках улично-дорожной сети городов юга России составляет до 15 % от суммы дополнительного выброса при «холодном старте» и традиционно учитываемого «горячего выброса». При более жестких климатических условиях вклад от «холодного старта» будет еще больше.
3. Разработанная методика может применяться при оценке количества выбросов ЗВ от автотранспорта на стадиях проектирования и эксплуатации автомобильных дорог, а также при инвентаризации выбросов в АТП и отдельном регионе.
4. Использование предложенной методики при оценке количества массовых выбросов ЗВ от автотранспорта позволило дать прогнозную оценку экологической ситуации в г. Ростове-на-Дону и разработать ряд мер, в частности (перевод 20% легкового и грузового автопарка на газовое топливо, даны рекомендации по изменению объемов пассажирских перевозок в сторону увеличения перевозок автобусами большей вместимости и электротранспортом), направленных на соблюдение экологических нормативов качества воздуха.
Похожие диссертации на Совершенствование оценки массовых выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах автомобильного транспорта
