Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Автотранспорт как источник загрязнения воздушной сре-ды городской территории 10
1.1. Загрязнение атмосферы городской среды автотранспортом 10
1.2. Состав выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах 15
1.3. Автотранспорт – как источник шумового загрязнения урбанизированной территории 22
1.4. Гигиенические критерии качества атмосферного воздуха
Выводы по первой главе 31
ГЛАВА 2. Подходы при расчете выброса загрязняющего вещества от автотранспорта и методы оценки загрязнений атмосферы автотранспорт – ным выбросом .32
2.1 Методы расчетов выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта в зарубежных странах 32
2.2 Методы расчетов выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта в России 38
2.3 Обзор современных моделей процессов рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере 40
2.4. Характеристика использованного материала 46
Выводы по второй главе 48
ГЛАВА 3. Оценка загрязнения атмосферы в зависимости от характеристик движения автотранспортных потоков и метеорологических условий 49
3.1. Анализ факторов влияния автотранспортных потоков на измене – ние уровня загрязнения атмосферы придорожной территории 49
3.2. Зависимость уровня загрязнения атмосферного воздуха город – ской территории от метеорологических условий 59
3.3 Обзор программ для моделирования нечтких систем 66
3.4 Обзор схем нечеткого вывода в информационных системах по определению концентрации вредных выбросов АТП 70
Выводы по третьей главе 76
ГЛАВА 4. Практическое применение и рекомендации по использованию разработанных методов для оценки загрязнения атмосферы придорожной территории 77
4.1 Когнитивное моделирование как инструмент анализа экологической безопасностью придорожной территории .77
4.2. Применение когнитивного моделирования при анализе факторов, влияющих на экологическую безопасность города 82
4.3. Достоверность оценки влияния АТС на экологическую безопасность городской территории в условиях нечеткой информации .87
4.4. Методика определения уровня воздействия автотранспорта на атмосферу придорожной территории в условиях нечеткой информации .105
Выводы по четвертой главе .118
Заключение 119
Список литературы
- Состав выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах
- Гигиенические критерии качества атмосферного воздуха
- Методы расчетов выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта в России
- Применение когнитивного моделирования при анализе факторов, влияющих на экологическую безопасность города
Состав выбросов загрязняющих веществ в отработавших газах
При эксплуатации автомобильного транспорта экологическая напряженность постоянно усиливается в связи с нарастанием количества автотранспортного парка, с ростом загруженности автодорог и снижения скорости, с которой движется транспортный поток на улично-дорожных сетях (УДС) городских территорий. По оценкам специалистов количество автомобилей в России с 2006 года по 2010 год выросло от 20 до 40 %, а к 2020 год численность автопарка вырастет приблизительно в два раза.
Основополагающей формой загрязнения от автомобильных транспортов является химические и шумовые влияния на окружающую среду. В нашей стране числятся более 200 городов с преобладающим вкладом загрязняющего вещества, выбрасываемыми передвижными источниками. Около 80% всего химического загрязнения приходится на долю автомобильного транспорта. Уровень шума от автомобильного транспорта может достигать 70-90 дБА, который вызывает у горожан заболевания различной степени тяжести. Примерно 40 миллион человек в Российской Федерации проживают в обстановке шумового дискомфорта, притом более половины из них испытывают воздействие шума свыше 65 дБА.
По состоянию на 1 января 2012 года в России насчитывалось 35,06 млн. легковых автомобилей. Из них почти 14 млн. штук (40%) были выпущены на АвтоВАЗе. Еще порядка 5 млн. единиц (14%) - это в основном старая продукция других российских и советских автозаводов (ГАЗ, "Москвич", УАЗ, ЗАЗ, ИжАвто и др.). Такие данные содержатся в отчете агентства "Автостат". Центральный федеральный округ является лидером по количеству зарегистрированного автотранспорта (примерно 10 млн.шт.), меньше всего зарегистрировано автомобилей - в Дальнем Востоке (почти 2 млн.шт.). По среднему уровню автомобилизации Россия на конец 2010 года превысил 250 автомобиль на тысячу жителей, по легковому автомобилю - 215 шт. на тысячу жителей. А также наименьшее обеспечение жителей автомобилями (примерно 153 ед./тыс.чел.) зарегистрировано в СевероКавказском федеральном округе, максимальная обеспеченность (около 326 ед./тыс.чел.) - в Северо-Западном федеральном округе. Большие и крупнейшие города Российской Федерации обладают достаточно высокой обеспеченностью: в Москве на 1000 человек имеется в наличии свыше 300 автомобилей, причем легковых - около 280. Динамика количества автомобильного транспорта, которое зарегистрировано в Волгоградской области с 2000 по 2011 гг., показана
Количество автотранспорта, зарегистрированного в Волгоградской области с 2000 по 2011 гг. Мировой парк автотранспорта каждый год выбрасывает в атмосферу более 300 млн. тонн загрязняющего вещества, в том числе: оксида углерода -260 млн. т., летучего органического соединения - 40 млн. т., оксидов азота – 20 млн. т. [51]. В большинстве городов РФ выбросы автомобильного транспорта намного превышают выбросы стационарных источников. К примеру, в г. Москва в 2008 году автотранспорт выбросил 1093 тыс. т. вредного вещества в атмосферу. Роль автотранспорта в суммарных выбросах огромная и составляет 93,1%, в том числе: оксида углерода - 94,1%, оксидов азота – 85,3%, углеводородов – 90 %. Крупнейшие города со значительной ролью выбросов автомобильного транспорта - это, прежде всего: Екатеринбург, Санкт Петербург, Волгоград, Омск и т.д. Также необходимо отметить такие курортные города, как Сочи, Кисловодск, в которых автомобильный транспорт - основной источник загрязнения атмосферы. Выбросы автотранспорта в данных городах превышают 94,9 % от суммарного выброса.
В отчете, показанном Европейским Экологическим Агентством в 2010 году видно, что как раз автотранспорт – единственный и главный источник выброса оксидов азота, оксида углерода и нестойкого летучего органического соединения, вдобавок – второй по значительности источник выброса особо мелких частиц [124]. Из суммарного валового выброса вредного вещества в воздух в государствах Европейского Союза доля автотранспорта доходит до 41 % выброса оксидов углерода, до 45% выбросов NOx (во Франции и Германии до 65 %) и до 20% выброса не метановых летучих органических соединений.
Информация об уровнях загрязнения атмосферного воздуха и его динамике в целом по стране обычно публикуется в Ежегодниках состояния загрязнения воздуха на территории городов России, помещается ежегодно на сайте ГУ «ГГО» www.mgo.rssi.ru и содержится в Обзорах загрязнения природной среды в Российской Федерации. Основные данные и выводы о состоянии загрязнения атмосферного воздуха в городах включаются также в ежегодный Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации [26,92].
Суммарный выброс вредных веществ в атмосферный воздух в пределах РФ за 2010 г. составило 37 млн.т., в количестве: стационарные источники промышленных предприятий – 21 млн.т. (58 %), автотранспорт - 16 млн.т. (43%), железнодорожный транспорт - 0,21 млн.т. (0,62%) [26]. По данным Государственного доклада "О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2010 году" [18] доля автомобильного транспорта в суммарных выбросах всех средств передвижения составляет 95%. Такой удельный вес сохраняется фактически неизменным на протяжении последнего десятилетия.
Согласно проведенным исследованиям, невзирая на увеличение автопарка и объемов грузоперевозки в 2010 году, в первый раз за последнее 10 лет характеризуется абсолютным снижением количества выброса загрязняющего вещества - около 2% в отличие от предыдущего года. Это объясняется поэтапным возобновлением и совершенствованием экологических характеристик автопарка [2,3,44].
Гигиенические критерии качества атмосферного воздуха
Отработавшие газы автотранспорта содержат такие загрязняющие компоненты, как: оксид углерода (СО), углеводород (СхНу), оксиды азота (NOx) и сажевые аэрозоли (рис. 1.2).
Данные об удельном выбросе единичного автотранспорта с разными видами двигателя требуются для разработок мероприятий по уменьшению выброса, того или иного вещества. Когда в городах и в районах рядом с магистралями наблюдаются повышенные концентрации сажи в атмосфере – мероприятия по уменьшению выброса сажи вначале касаются дизельного автотранспорта [35].
В двигателе, работающем с использованием природного газа, в отличие от традиционных видов топлива, содержатся минимальные количества не только оксидов азота, сажи и канцерогенного бенз(а)пирена, но и озонообразующего углеводорода. Интерпретация этого заключается в том, что выбросы такого двигателя внутреннего сгорания содержат, в большей мере, метан.
Состав выхлопных газов двигателей содержат помимо прочего еще пары воды, диоксид углерода, кислород, азот, водород – не представляющие токсическую угрозу для населения [33].
При рассмотрении механизмов возникновения токсичных компонент вследствие сгорания моторного топлива в двигателе, появляется возможность заключения следующих выводов касательно условия выделения вредного вещества [47, 48].
Оксид углерода (СО). На холостом ходу и при установившихся режимах работы двигателей, степень выбросов оксида углерода, при технически исправном бензиновом двигателе, при исправной системе питаний и зажиганий, выделяется около 1,1%. При разгоне автотранспорта, выбросы возрастают почти в 6 раз по сравнению с выбросом на установившемся режиме работы двигателя. Например, при медленном движении автотранспорта бензиновые двигатели выбрасывает в воздух около 14% оксида углерода (от суммарных выбросов), а с увеличением скорости выброс СО сокращается до 5%.
Выделение углеводорода в цилиндре двигателя внутреннего сгорания вызывается, прежде всего, нарушением в ходе горения топливной жидкости. Все дефекты систем зажигания, которые приводят к пропуску цикла, изменению при подаче искры, снижению характеристики, качества распыливания горючего приводят к мгновенному увеличению выброса углеводородов. Первостепенная роль при этом отводится составу смеси и качеству образования смеси в ДВС, при нарушении которого уровень несгоревшего топлива сразу возрастает, что приводит к увеличению выброса СхНу. При высокой скорости движения бензиновые двигатели выделяют 0,49% углеводорода (от суммарных выбросов), а на малой скорости - 1%.
Оксиды азота (NOх). Процесс выделения диоксида азота чрезвычайно непрост и зависит от такого факторного режима как – высокая температура в цилиндре и наличия переизбытка кислорода в топливовоздушных смесях. Приведенные выше факторы наблюдаются только при определнном режиме работ двигателей, при котором выброс оксидов азота оказывается достаточно чувствительным. При медленном движении автотранспорта и приостановке, выброс NOx в атмосферу минимальна.
К главным вредным выбросам автотранспорта относят: отработавшие газы (ОГ), картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, которых выбрасывает двигатель, содержит оксид углерода (СО), углеводород (СхНу), оксиды азота (NOx), бенз(а)пирен, альдегид и сажа. Картерные газы — это смесь части отработавших газов, проникшая через неплотности поршневых колец в картер двигателя с парами моторного масла. Топливные испарения поступают в окружающую среду из системы питания двигателя: стыков, шлангов и т.д. Сортировка главных составляющих выброса карбюраторного двигателя следующая: отработавший газ содержит около 96% СО, 55,1% СхНу и 97,9% NOx, картерный газ до – 5,1% СхНу, 2,2% NOx, а топливное испарение - до 41% СхНу [81].
В таблице 1.2 представлен примерный состав отработавшего газа автотранспортных средств. Основные токсичные вещества - продукты неполного сгорания – сажа, оксид углерода, углеводород, альдегид. Выделение токсичного вещества — продукта неполного сгорания и оксидов азота внутри цилиндра двигателя в течение горения, происходит, безусловно, разными способами. Первую группу токсичного вещества связывают с химической реакцией окисления топливной жидкости, протекающего как в пред пламенном периоде, так и в течение сгорания - расширения. Токсичные вещества второй группы образуются вследствие соединения азота и избыточного кислорода в продукте горения. Как правило, реакции образования оксидов азота носят термическую характеристику и не связаны напрямую с реакцией окисления топлива.
Методы расчетов выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта в России
При расчете выброса от автотранспортных средств, располагающихся на территориях предприятий, на автомагистрали и на территории города в Российской Федерации используют разные методы. Набор данных методик расчетов выброса, согласно которым проводятся расчет эмиссий загрязняющих веществ, упоминаются далее.
Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными предприятиями (расчетным методом). М, 1998
Дополнения и изменения к Методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ, в атмосферу автотранспортными предприятиями (расчетным методом). М, 1999 [54]. Предназначены для расчетов выбросов автотранспортных средств, расположенных на территориях предприятий. Для автотранспортного средства ведется учет выбросов оксида углерода, углеводорода, оксида азота и сажа.
Дополнения к Методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для авторемонтного предприятия (расчетным методом). М, 1999 [55]. Предназначен для расчетов выброса от автотранспортных предприятий, включающих участок техобслуживания и текущий ремонт автомобиля. Мытье и очищение детали, узла и агрегата, испытания и ремонта топливных аппаратур и т.д. Ведется учет выбросов не только от автотранспортного средства, но и от ремонтного производства (керосина, натрия карбоната, соляной кислоты и др.).
Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М,1998 [56].
Дополнение к Методике проведения инвентаризации выброса загрязняющего вещества в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М, 1999 [56]. Данная методика определяет регламент расчетов выброса загрязняющего вещества от передвижного и стационарного источника существующих баз дорожной техники. Примененные методы основаны на расчетах материальных балансов технологического процесса и расчета с применением удельного показателя.
Методика определения массы выброса загрязняющего вещества автотранспортным средством в атмосферный воздух. М, 1993 [53]. Методики разработаны Научным исследовательским институтом автотранспорта (НИИАТ) и предназначены для оценок выброса загрязняющего вещества автотранспортом в атмосферу города целиком. Ведется учет выбросов следующего загрязняющего вещества: оксида углерода – CО; углеводородов – СхНy; оксидов азота – в пересчете NOx твердых частиц – С; сернистого ангидрида – SО2; соединений свинца - Рb (в регионах, использующих этилированного бензина)
Методики, оценивают выброс загрязняющего вещества от легкового, грузового автомобиля и автобуса с учетом результата типового испытания по показателю токсичность и топливная экономичность, скорректированного с учетом конструкций автотранспортного средства и условия их эксплуатирования. Методики предусматривают отдельный подсчет выброса при движениях автотранспортных средств по территориям населенного пункта и вне территорий населенных пунктов на основании пробегового выброса и суммарного пробега.
Методика, которую разработал НИИАТ в 90 – е гг. прошлого столетия описанная ранее, являлось актуальной тогда, а также и в то время она позволяла производить расчет выброса автотранспортного средства в основном только юридического лица. Для определения суммарного пробега, а также деления на пробег на городских территориях и вне населенных пунктов, для автотранспорта индивидуального владельца — проблема не разрешимая. С другой стороны на сегодняшний день в России возросли в количественном соотношении современные автомобили с улучшенной экологической характеристикой, которые не описаны в методике. По этой причине предстоит задача разработки методики, позволяющей оценивать выброс загрязняющего вещества при минимальном количестве исходных данных.
В настоящее время выработано огромное количество моделей, отличающихся друг от друга как детальностью описаний загрязнений воздушной среды, так и объмами применяемых метеорологических, орографических и других данных, а также информаций, которые характеризуют выброс вредного вещества. Общепринятым для всех обсуждаемых далее методов является то, что в качестве источников выброса загрязняющего вещества, параметры которых используют в расчетной схеме, рассматривается не отдельный автомобиль с работающим двигателем (движущегося или стоящего на месте), а совокупность автотранспортных средств, двигающихся или располагающихся на определенной территории. Точность таких методов зависят от соотношений таких факторов, как: - степень развернутости и корректности описаний загрязнений воздушного бассейна автотранспортным средством, которую должна обеспечивать модель; - интенсивность движения и плотность распределения автомобилей, и распределение величины параметра их выброса; - метеоусловия (прежде всего, скорость ветра), при которых оцениваются загрязнения атмосферы;
Данные о метеорологическом процессе в пограничных слоях атмосферы и процессе распространения примеси применяется при разработках схемы расчетов характеристики загрязнений воздушной среды, в виде математической модели этого процесса [3].
Разные методики расчетов различаются друг от друга как по полноте моделирований процесса, влияющего на рассеивания примеси в атмосферном воздухе, так и по содержанию самой модели, вернее сказать, подбором физической гипотезы или предположения, используемого при построении модели.
Огромный диапазон моделируемого процесса и большая подробность моделирований не является сама по себе достоинством соответствующего расчетного метода, так как чем на более полную и подробную описанию процессов в пограничных слоях атмосферного воздуха претендуют модели, тем большее число гипотез о весьма существенной характеристике процесса, вынуждены они использовать. Проверка справедливости большинства из таких гипотез неосуществима на современных уровнях наблюдения за характеристикой пограничных слоев атмосферного воздуха.
Однако, отказ от применения моделирований процесса, влияющего на перенос примесей, приводит к потерям больших объмов информаций, накопленных наукой о пограничных слоях атмосферы и, как следствие, к обеднениям возможности методов, созданных без учета этих данных, к их минимальной надежности и полноте [7,8]. Как показывают исследования, в наибольшей степени удачными из расчетных методов оценки показателя загрязнений атмосферного воздуха оказались те, при разработках которых достигнут целесообразный компромисс между желаемыми и возможными точностями, и полнотой описания ситуации, а также доступностью при использовании в расчетной схеме и проверке данных о метеоусловиях и характеристике выброса [50].
В зарубежных странах масштабно используется различная версия гауссовой модели. К такой модели относится – американская модель HIWАУ-2, САLINE-4 (Califоrnia Linе Sourсe Mоdel), GМ (Gеnеrаl Motоrs), GFLSM (Genеrаl Finitе Line Sourсе Modеl), финляндская модель – САR-FМI (Contaninаnts in thе Аir frоm a rоаd, Bу thе Finnish Metеоrоlogical Institute). В моделяx HIWАУ-2 и САLINE-4 концентрация рассчитывается для конечных линейных источников при произвольных направлениях ветров; в процессах расчета источники делятся на серию элементов, от которого рассчитывается концентрация, которая затем суммируется. Модель GFLSM базируется на формуле для бесконечных линейных источников [114,115].
Применение когнитивного моделирования при анализе факторов, влияющих на экологическую безопасность города
При обеспечении взаимодействий этих 2 – х видов вводятся нечеткие системы с так называемым фазификатором (преобразователями множества входного данного в нечеткое множество) на входе и дефазификатором (nреобра3ователем нечеткого множества в конкретные значения выходных переменных) на выходе.
Фаззификатор преобразовывает точные множества входного данного в нечеткие множества, определенные при помощи функций принадлежностей, а дефаззификатор занимается решением обратных задач – формированием однозначных решений относительно входных переменных на базе большого количества нечеткого вывода, вырабатываемого исполнительными модулями нечетких систем.
Дефаззификатор преобразовывает эти диапазоны в одно четкое 3начение, принимаемых в образе выходных сигналов текущих систем.
Наибольшую популярность получили 5 схем нечетких выводов, которые уточняются до оператора нечеткой импликации [113]:
1. Схема нечеткогo вывода по Мамдани – формирует импликацию минимумом, а агрегацию максимумом. Ввиду того, что данная схема является первой – ее называют базовой для всех других.
2. Алгоритм Ларсена применяется в тех же случаях, что и алгоритм Мамдани. В ряде случаев оказывается точнее алгоритма Мамдани (при немонотонных входных нечтких множествах), но требует больше операций умножения.
3. В схеме Сугено, в отличие от алгоритма Мамдани, не используются правила, содержащие дизъюнкции в левых частях импликаций. В алгоритме Сугено наиболее часто применяется вероятностное ИЛИ как s-норма и произведение как t-норма.
4. Схемы Цукам0то представляют из себя модификации схем Мамданu, но предназначается лишь для монотонной функции принадлежностей, следовательно вычисление выходных переменных сводится к усреднениям значения, полученного с использованием разных правил; 5. Упрощенные схемы нечеткого вывода (модификации схем Сугено), где правая часть правила задается конкретно, как результат нечеткого вывода получаются дискретные множества решения для отдельных элементов, у которых заданы определенные уровни уверенности. Как правило, значением выходного переменного является значения с максимальными уверенностями.
"Синглетон" значится то, что каждая из правил привносит свою лепту в образование значений выходных переменных, и, вследствие этого, происходит их суммирование при дефазификации, что повышает риск появления ошибки. С целью реализации информационной системы при нечтких параметрах была использована система нечткого вывода Сугено.
При детерминистском методе обучений пошагово осуществляется процедура корректировки долей сети, основанная на применении их текущего значения, а также величины входа, фактического выхода и желаемого выхода.
При стохастическом методе обучений выполняется псевдослучайное изменение параметров весов, при сохранении тех изменений, которые приводят к улучшению.
Вес выбирается случайно, и корректируется на небольшие случайные числа. Предъявление множества входов и вычисление получающихся выходов.
1. Полученный выход сравнивается с желаемым выходом и вычисляется величина их разностей. Общепринятые методы состоят в нахождениях разностей между фактическими и желаемыми выходами для всех элементов обучаемых пар, возведения полученной разности в квадрат и вычисление сумм полученных квадратов. Основная цель при обучении - это минимизация полученной разности, которую еще называют целевая функция.
2. Стохастический выбор веса и его корректировка на небольшие случайные значения. В случае если корректировка помогла (произошло уменьшение целевой функции), тогда она сохраняется, иначе возвратится к первоначальным значениям весов.
3. Производим повторение шагов с 1 по 3, пока сеть не обучится в достаточной мере.
Типовая процедура обучения нейронной сети может быть применена для настроек ANF1S-сети т. к., там используется только дифференцируемая функция. Как правило, используют комбинацию градиентных спусков в виде алгоритмов обратного распространения ошибки и методов наименьшего квадрата. При алгоритме обратных распространений ошибок настраивается параметр антецедента правила, т.е. функция принадлежности. А при методе наименьшего квадрата оценивается коэффициент заключения правила, т. к. они имеют линейную связь с выходами нейронной сети. При каждой итерации процедура настроек выполняются в 2 этапа. Первый этап – на вход подаются обучающие выборки, и по невязкам между желаемыми и действительными поведениями сети итерационными методами наименьшего квадратов вычисляется оптимальный параметр узла четвертых слоев. Второй этап представляет собой, остаточную невязку передаваемого с выходов сети на входы, и с использованием метода "обратное распространение ошибки" модифицируется параметр узла первых слоев. Притом найденный на первых этапах коэффициент заключения правила не меняется. Итерационные процедуры настроек продолжаются до тех пор, пока невязка выше ранее установленных значений [113].
