Введение к работе
В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1987-2007 годах исследований в области создания методов и средств контроля экологического состояния автотранспорта и оценки воздействия автотранспорта на окружающую среду.
Актуальность темы. Одной из наиболее острых проблем современности является проблема экологического состояния окружающей среды крупных городов. В больших городах к числу основных объектов загрязнения окружающей среды относится загрязнение атмосферного воздуха автотранспортом.
В то же время автомобильный транспорт занимает важное место в единой транспортной системе страны. Он перевозит более 80% народнохозяйственных грузов, что обусловлено высокой маневренностью автомобильного транспорта, возможностью доставки грузов «от двери до двери» без дополнительных перегрузок в пути, а, следовательно, высокой скоростью доставки и сохранностью грузов.
Большая протяженность и производительность автомобильных дорог обеспечивает возможность их повсеместной эксплуатации.
Высокая мобильность, способность оперативно реагировать на изменения пассажиропотоков ставят автомобильный транспорт «вне конкуренции» при организации местных перевозок пассажиров. На его долю приходится почти половина пассажирооборота.
Автомобильный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей, в распространении дальнего туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. В то же время он вызвал и многие отрицательные явления: ежегодно с отработавшими газами в атмосферу поступают сотни миллионов тонн вредных веществ; автомобиль – один из главных факторов шумового загрязнения; дорожная сеть, особенно вблизи городских агломераций, «съедает» ценные сельскохозяйственные земли. Под влиянием вредного воздействия автомобильного транспорта ухудшается здоровье людей, отравляются почвы и водоёмы, страдает растительный и животный мир.
Отработавшие газы двигателей автотранспорта содержат сложную смесь из более двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов. Вредные вещества поступают в воздух практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к наиболее опасным источникам загрязнения атмосферного воздуха.
В настоящее время мировой автомобильный парк превысил 700 млн. единиц, из которых 83 - 85% приходится на легковые автомобили. По прогнозам, к 2010 году он достигнет 1 млрд. единиц.
Мировой ежегодный выброс вредных веществ от автомобилей составляет 50 млн.т. углеводородов, 200 млн.т. оксида углерода и 20 млн.т. оксидов азота.
Во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами стационарных источников. Так, например, в Москве вредное воздействие автотранспорта на атмосферу составляет 66% от суммарных выбросов вредных веществ от всех источников. Второе место после Москвы по количеству выбросов вредных веществ автотранспортом занимает Санкт-Петербург, в котором также уровень загрязнения воздуха от автотранспорта составил более 60% от суммарного загрязнения всех источников.
Таким образом, наиболее актуальной проблемой является максимальное снижение уровня экологической опасности автотранспорта, создание эффективных методов и средств контроля выхлопных газов, диагностика экологического состояния автотранспорта и контроль уровня загрязнения основных автомагистралей города.
Целью диссертационной работы является совершенствование методов средств контроля вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и создание научно обоснованных рекомендаций по снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха в мегаполисе.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- провести анализ современного состояния методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта;
- разработать эффективные лазерные методы и средства многопараметрового дистанционного контроля выхлопных газов автотранспорта;
- рассмотреть на основе теоретических и экспериментальных исследований условия, способствующие повышению загрязнения воздуха автотранспортом;
- обосновать возможность и представить схемы статистического прогноза загрязнения воздуха автотранспортом;
- провести анализ полей расчетных концентраций примесей на автомагистралях с различной интенсивностью движения автотранспорта;
- провести анализ эффективности мероприятий и разработать рекомендации по снижению выбросов автотранспорта с целью достижения нормативов качества атмосферного воздуха.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
- разработан лазерный метод дифференциального поглощения и индуцированной флуоресценции и устройство многопараметрового контроля выхлопных газов автотранспорта;
- установлена аналитическая зависимость, в которой концентрация контролируемого газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в пиках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому газу и молекулярному азоту, концентрация которого в атмосфере известна и постоянна.
- разработан метод диагностики и прогноза загрязнения воздуха автотранспортом для отдельных автомагистралей города;
- разработаны статистические схемы прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота методом множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и методом последовательной графической регрессии
- разработана методика обследования состава, интенсивности и расчета выбросов автотранспортного потока (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей);
- установлена доля выбросов индивидуального транспорта, которые в настоящее время не учитываются в статистической отчетности, что позволило уточнить общую информацию о состоянии выбросов в Санкт-Петербурге и показать на увеличение реальных автомобильных выбросов оксида углерода, диоксида азота и углеводородов в 1,5 - 2 раза.
- с использованием реальных данных о выбросах автотранспорта, представлены
расчеты полей концентраций диоксида азота, оксида углерода, углеводородов, сажи и свинца для отдельных районов Санкт-Петербурга;
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработан метод прогноза загрязнения воздуха для автотрасс различных типов. Метод основан на результатах математического моделирования загрязнения атмосферы и предполагает разделение магистралей на группы с одинаковыми комплексами НМУ с учетом интенсивности транспортного потока, ширины автомагистралей, расчетных концентраций примесей. Метод предусматривает установление указанных комплексов и составление предупреждений отдельно для каждой из выделенных групп. Для обеспечения чистоты воздуха в городе наибольшее значение имеет составление предупреждений 3-х степеней опасности для самых напряженных автотрасс (1-я группа).
- разработаны статистические схемы прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота методом множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и методом последовательной графической регрессии. Оправдываемость прогнозов высоких уровней загрязнения воздуха диоксидом азота в г. Санкт-Петербурге, составленных по методу множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей, составила 75%.
- рассмотрены основные показатели оценки экологического состояния автотранспорта. Впервые проведена оценка выбросов индивидуального транспорта (на примере Санкт-Петербурга), которые в настоящее время не учитываются в статистической отчетности. Полученные результаты свидетельствуют о том, учет выбросов индивидуального транспорта значительно уточняет общую информацию о состоянии выбросов в городах и регионах РФ. При этом автомобильные выбросы оксида углерода, диоксида азота и углеводородов увеличиваются в 1,5 - 2 раза.
- представлены методические принципы перспективного прогнозирования загрязнения воздуха автотранспортом с учетом планируемых мероприятий по снижению транспортной нагрузки на атмосферный воздух.
- представлена методика обследования состава, интенсивности автотранспортного потока и расчета выбросов (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей). Проведены расчеты выбросов автотранспорта по пяти веществам: диоксиду азота, оксиду углерода, углеводородами, саже и свинцу на основных магистралях Санкт-Петербурга.
- с использованием полученных данных о выбросах автотранспорта на городских магистралях, проведены расчеты территориального распределения концентрации вредных веществ в городах с различной интенсивностью движения.
- результаты диссертационной работы использованы при разработке карты загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом в Санкт-Петербурге.
Результаты экспериментальных исследований использованы при оценке степени загрязнения основных магистралей Санкт-Петербурга и разработке рекомендаций по защите атмосферы от загрязнений.
Разработанные методики по эскпресс-контролю концентрации загрязняющих газов в атмосфере позволяют обеспечить постоянный контроль и диагностику атмосферного воздуха вдоль наиболее оживленных автомобильных магистралей, обеспечить экологический контроль автотранспорта и автотранспортных предприятий.
На защиту выносится комплексное решение проблемы контроля экологического состояния автотранспорта и его воздействия на окружающую среду в Санкт-Петербурге включающей в себя:
1. Теоретическое обоснование контактных и дистанционных лазерно-оптических методов и средств контроля вредных веществ в ОГ автотранспорта.
2. Расчетные зависимости, в которых концентрация контролируемого газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в пиках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому газу и молекулярному азоту, концентрация которого в атмосфере известна и постоянна.
3. Методики контроля оксида углерода, углеводородов (бензина) и сажи (дымность) в ОГ автотранспорта при работе в условиях передвижной экологической диагностической лаборатории.
4. Решение задачи краткосрочного прогнозирования загрязнения воздуха выбросами автотранспорта, который основывается на учете физических закономерностей распространения в атмосфере выбросов от низких и холодных источников, которыми являются автомобили, и особенностей влияния метеорологических условий на содержание вредных веществ в воздухе городов. Принятый подход включает разработку и составление двух видов прогнозов - по городу в целом и вблизи отдельных магистралей.
5. Обоснование возможности использования статистических схем прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота и оксидом углерода в городе для предотвращения опасных уровней, создаваемых выбросами автотранспорта.
6. Результаты экспериментальных исследований загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом на Васильевском острове и Центральной части Санкт-Петербурга.
7. Карты загрязнения атмосферного воздуха в наиболее неблагополучных районах города – Центрального и на Васильевском острове, а также карта загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом в городе Санкт-Петербурге.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Технические системы и социально-правовые принципы экологической безопасности" (Ленинград, 1990г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля материалов, изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 1993г.), Международной НТК "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" (Череповец, 1997г.), 2 Международной Евроазиатской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 2001 г), Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада" (Санкт-Петербург, 2002 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре «Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды» (Санкт-Петербург, 2003г.), Третьей Международной Евроазиатской конференции по транспорту, 12-15 сентября 2003 г. (Санкт-Петербург), Международной конференции «Научное и кадровое обеспечение развития транспортного комплекса. Безопасность на транспорте. 2-6 июля 2007 г. (Санкт-Петербург).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе книг, монографий, брошюр – 3, изданиях по перечню ВАК – 5, статей в отечественных журналах и докладов и тезисов докладов на научно-технических семинарах и конференциях – 19, методические рекомендации и инструкции – 3.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка литературы.
Основная часть диссертации изложена на 371 страницах машинописного текста. Работа содержит 75 рисунков, 25 таблиц.
