Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ экологической опасности автотранспорта и современного состояния методов и средств контроля и мониторинга атмосферы
Глава 2 Лазерные методы и средства дистанционного контроля загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях
Глава 3 Организация контроля и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха .
Глава 4 Роль автотранспорта в загрязнении воздушной среды северных городов 150
Глава 5 Методы и средства контроля и мониторинг экологической опасности автотранспорта в зоне городской застройки
Глава 6 Экспериментальное и информационное обеспечение мониторинга атмосферного воздуха северных территорий
Глава 7 Методы и средства снижения экологической опасности автотранспорта при безгаражном хранении
Заключение .
Список литературы
Приложения
- Анализ экологической опасности автотранспорта и современного состояния методов и средств контроля и мониторинга атмосферы
- Лазерные методы и средства дистанционного контроля загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях
- Организация контроля и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха
- Роль автотранспорта в загрязнении воздушной среды северных городов
Введение к работе
В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1995-2014 годах исследований в области методов и средств контроля и мониторинга экологического состояния автотранспорта и оценки воздействия автотранспорта на окружающую среду в северных городах Санкт-Петербург и Магадан.
Актуальность темы
Значительная часть территории страны приходится на регионы с холодным климатом и районы крайнего Севера, отличающиеся суровыми климатическими условиями.
Окружающая среда в северных регионах имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при изучении последствий техногенных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Особенность северных районов заключается в том, что все биологические и химические процессы протекают малоактивно, а любое неумелое воздействие на природу приводит к негативным экологическим последствиям.
Наибольшей суровостью отличается северная климатическая зона России (к которой относится более 67% территории страны), где народное хозяйство обслуживается в основном автомобильным транспортом, являющимся в настоящее время одним из мощных источников загрязнения воздушной среды. Увеличение численности автотранспорта привело к резкому ухудшению санитарных условий проживания в городах, особенно в зимнее время при отрицательных температурах.
В связи с возрастающим количеством автомобилей и расширением улично-дорожной сети особую актуальность приобретают дополнительная оценка воздействия объектов автотранспортного комплекса на зону жилой застройки и разработка методов и средств контроля и мониторинга окружающей среды, направленных на снижение экологической опасности северных территорий.
Значительный интерес в качестве объектов исследований представляли такие расположенные на широте 60о крупные города, как Санкт-Петербург и Магадан.
В настоящее время в Санкт-Петербурге эксплуатируется более 2 млн. индивидуальных легковых автомобилей. При этом для постоянного хранения имеется 9 тыс. машиномест в капитальных гаражах, 372
тысячи временных гаражей-боксов и 188 тысяч машиномест на открытых охраняемых стоянках. Таким образом, почти 1,5 млн. автомобилей не обеспечены местами хранения.
В Магадане эксплуатируется более 30 тыс. транспортных средств, принадлежащих физическим лицам; при этом для постоянного хранения имеется 107 ГСК по 24 бокса, в 3-5 раз больше гаражей, а также 46 открытых охраняемых стоянок.
В условиях высокого уровня автомобилизации (350…400 автомобилей на 1 тыс. жителей, нормативный – 280…300 автомобилей на 1 тыс. жителей) значительная часть свободных пространств, в основном газонов и площадок, внутриквартальных проездов и дворовых территорий, загромождается припаркованными автомобилями. Даже вновь осваиваемые жилые районы, построенные по новым проектам, не удовлетворяют все возрастающим потребностям владельцев автомобилей.
Безгаражное хранение автотранспорта на площадках, не приспособленных для автостоянок, создает серьезную экологическую проблему, так как особенностью выбросов от открытой автостоянки является нестационарная работа двигателя при холодном пуске и разогреве двигателя, которая приводит к резкому (более чем в 10 раз) увеличению выброса токсичных веществ по сравнению с крейсерским режимом на магистрали.
Случай парковки автомобилей у стен жилых зданий - одна из основных причин формирования повышенных уровней загрязнения воздушной среды вблизи застроек. Замкнутость объемов «глухих» дворов и дворов-«колодцев» значительно ухудшает условия рассеяния выбросов автотранспорта. В условиях стесненной застройки образуются так называемые застойные зоны, где в безветренную погоду практически отсутствует вынужденный (ветровой) перенос примесей и рассеяние выбросов осуществляется только за счет естественной конвекции.
Вредные выбросы автотранспортных средств концентрируются в приземном слое атмосферы (до 2 м), в зоне наиболее плотного демографического обитания, и представляют особую опасность для здоровья людей.
В связи с этим в условиях все возрастающих автомобилизации и урбанизации необходим тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта, а также экологический мониторинг территорий, особенно северных. Анализ современной научно-технической литературы показывает, что рассматриваемая про-
блема слабо отражена в литературе; поэтому проблема мониторинга, контроля и управления загрязнением воздуха выбросами автотранспорта в зонах жилой застройки и анализ состояния загрязнения воздуха выбросами автотранспорта в Санкт-Петербурге и Магадане при безгаражном хранении в зимнее время является весьма актуальной.
Результаты данной диссертационной работы направлены на максимальное снижение уровня экологической опасности автотранспорта, создание эффективных методов и средств контроля выхлопных газов, диагностику экологического состояния автотранспорта и контроль уровня загрязнения в зоне жилой застройки города.
Цель диссертационной работы – совершенствование методов и средств контроля, мониторинга вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и создание научно обоснованных рекомендаций по снижению на основе их результатов уровня загрязнения атмосферного воздуха в северных городах в условиях безгаражного хранения автотранспорта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать современное состояние методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта и выбрать наиболее перспективные направления контроля и мониторинга;
разработать эффективные лазерные методы и средства много-параметрового дистанционного контроля и мониторинга выхлопных газов автотранспорта;
- исследовать режим функционирования частного автотранс
порта в зонах жилой застройки;
исследовать суточный, недельный, сезонный ход концентраций вредных примесей, выбрасываемых автотранспортом при безгаражном хранении, в зависимости от интенсивности прибытия и отбытия автомобилей, для различных метеоусловий, особенно в зимнее время;
рассмотреть на основе теоретических и экспериментальных исследований условия, способствующие повышению загрязнения воздуха автотранспортом при безгаражном хранении на организованных и импровизированных стоянках;
разработать эффективные методики контроля, мониторинга, диагностики и управления уровнем вредных выбросов автомобильного транспорта на организованных и импровизированных стоянках;
- разработать перечень мероприятий по обеспечению безопас
ности и комфортности территорий жилых районов города, используе
мых для парковки и безгаражного хранения личного автомобильного
транспорта.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
- разработана модель оптического тракта лидара, в котором
полная мощность сигнала, получаемая детектором в момент после про
хождения лазерного импульса до мишени и обратно, выражена в виде
лидарного уравнения;
- разработан лазерный дистанционный метод контроля вредных
газов в атмосфере, основанный на комбинационном рассеянии лазерно
го излучения;
- получено лидарное уравнение для мощности сигнала; уста
новлено, что для улучшения характеристик КР-лидаров целесообразно
использовать лазеры, излучающие в УФ-области спектра, а для улуч
шения отношения «сигнал – шум» спектральную полосу приема заужи
вают с тем, чтобы регистрировать только наиболее узкую и интенсив
ную Q-ветвь, КР-полосы;
- предложено устройство для выявления автомобиля с
превышением вредных выбросов непосредственно в транспортном
потоке путем яркого обозначения транспортных средств, находящихся
в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых
превышает предельно допустимое значение, их задержание и принятие
соответствующих мер воздействия за нарушение нормативных актов;
разработаны методики контроля и прогноза загрязнения воздуха автотранспортом на дворовых территориях при безгаражном хранении автотранспорта;
установлено, что с понижением температуры окружающего воздуха наблюдается увеличение концентрации оксида углерода от 4 до 10 % при пуске и прогреве автомобиля, в зависимости от технического состояния автомобиля;
в результате контроля и мониторинга в зависимости от состава, интенсивности автотранспорта на импровизированной дворовой стоянке было установлено, что в процессе выезда – въезда автотранспорта наблюдается высокая загазованность дворовых территорий выхлопными газами автотранспорта - от 2 до 10 ПДК;
впервые была составлена карта загазованности дворовых территорий Василеостровского района г. Санкт-Петербург, г.г. Колпино и Магадан, выявлены наиболее экологически опасные дворовые территории, в которых уровень загрязнения атмосферного воздух превышает 10-12 ПДК;
установлена возможность снижения уровня загрязнения окружающей среды при отрицательных температурах посредством предпускового терморезисторного электроподогрева двигателей паркуемых автомобилей; предложены конструкции электроподогревателей из композиционных материалов для пуска двигателей автомобиля в зимнее время при отрицательных температурах.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Получено лидарное уравнение для мощности лазерного сигнала, в соответствии с которым для улучшения характеристик лидаров комбинационного рассеяния целесообразно использовать лазеры, излучающие в УФ-области спектра, а для улучшения отношения «сигнал – шум» спектральную полосу приема зауживают с тем, чтобы регистрировать только наиболее узкую и интенсивную Q-ветвь полосы комбинационного рассеяния.
-
Предложено устройство контроля вредных выбросов автотранспорта, обеспечивающее определение транспортных средств, находящихся в транспортном потоке, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение (заявка на патент №2012145758/08 - положительное решение).
-
Разработаны методики контроля и мониторинга загрязнения воздуха автотранспортом на дворовых территориях при безгаражном хранении автотранспорта, при экспериментальном применении которых было установлено, что в зависимости от состава и интенсивности автотранспорта на импровизированной дворовой стоянке в процессе выезда – въезда автотранспорта наблюдается высокая загазованность дворовых территорий выхлопными газами автотранспорта - от 2 до 10 ПДК, а с понижением температуры окружающего воздуха наблюдается увеличение концентрации оксида углерода от 4 до 10 % при пуске и прогреве автомобиля, в зависимости от технического состояния автомобиля.
-
На основе результатов мониторинга и расчетного моделирования, основанного на имеющейся априорной информации об экологических характеристиках транспортных средств, их техническом состоянии, условиях и режимах эксплуатации, а также данных учета движения
и транспортной работы, определены участки транспортной сети, характеризующиеся наибольшим уровнем воздействия на окружающую среду, составлены карты, на которых показана мощность выбросов загрязняющих веществ на этих участках и техногенная нагрузка.
5. На основании анализа влияния на пуск двигателя различных
факторов, из которых можно выделить пять основных: температуру
масла, температуру топлива, температуру охлаждающей жидкости,
температуру всасываемого воздуха и температуру электролита аккуму
ляторных батарей - определены зоны и места подогрева узлов и агрега
тов автомобиля, разработаны и апробированы конструктивно-
технологические решения терморезисторной электронагревательной
аппаратуры из тонкослойных композиционно-волокнистых материалов
для разогрева и подогрева агрегатов и двигателя автомобиля в холодное
время года, позволяющие снизить концентрацию вредных веществ в
отработавших газах автомобилей.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Результаты работы использовались для оперативного проведения различных природоохранных мероприятий, направленных на снижение выбросов вредных веществ автотранспортом на организованных и импровизированных автостоянках в Санкт-Петербурге и Магадане.
Для Санкт-Петербурга и Магадана были проведены расчеты выбросов и моделирование рассеяния примесей, создаваемых автотранспортом на организованных и импровизированных автостоянках, которые послужили обоснованием для разработки комплекса мер по борьбе с загрязнением воздуха автотранспортом и оценки их эффективности.
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 и Магадана.
С использованием полученных данных о выбросах автотранспорта на городских магистралях проведены расчеты территориального распределения концентрации вредных веществ в городах с различной интенсивностью движения.
Результаты экспериментальных исследований использованы при оценке степени загрязнения основных магистралей и дворовых тер-
риторий Санкт-Петербурга, Колпино и Магадана, при разработке рекомендаций по защите атмосферы от загрязнений.
Разработанные методики по экспресс-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.
Личный вклад автора в работу. Диссертация является итогом двадцатилетней работы автора по тематике, связанной с проблемой комплексного, в том числе дистанционного, контроля и мониторинга качества атмосферного воздуха, загрязненного автотранспортом, а также контролем и мониторингом воздействия автотранспорта при его хранении на внутриквартальных и дворовых территориях. Автор диссертации осуществлял постановку задач исследований, планирование и проведение экспериментальных исследований, непосредственно участвовал в разработке карт загрязнения автомагистралей и дворовых территорий в Санкт-Петербурге и Магадане, постановке задач расчетов, разработке методик экспериментов, проведении измерений, интерпретации полученных результатов контроля, научном обосновании, выборе и разработке средств измерения и методик их применения.
Реализация (внедрение) результатов работы. Результаты диссертационной работы были переданы Управлению технадзора Администрации Ленинградской области для определения уровня загрязнения атмосферного воздуха сельхозтехникой и автотранспортом; методики контроля и загрязнения воздуха в местах парковок автотранспорта используются на ведущих предприятиях Санкт-Петербурга - таких, как ОАО «Спецтранс Автопарк № 6».
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих монографиях: «Контроль и мониторинг воздействия стационарных и нестационарных энергетических установок на окружающую среду северных территорий» ( Цыплакова Е.Г. – СПб: Нестор-история, 2011, - 560 с.), «Приборы и методы мониторинга и контроля качества атмосферного воздуха» (Цыплакова Е.Г., Потапов И.А. – СПб: Нестор-история, 2012, - 496 с), « Оценка состояния и управление качеством атмосферного воздуха» (Цыплакова Е.Г., Потапов А.И. – СПб: Нестор-история, 2012, - 580 с.), «Лазерные методы и средства экологического дистанционного контроля атмосферы» (Цыплакова Е.Г., Потапов А.И., Поляков В.Е. – СПб:
Нестор-история, 2013.– 360 с.), «Пути решения экологических проблем автотранспорта» (Потапов А.И. Хватов В.Ф., Цыплакова Е.Г., Николаев С.Н., Журкович В.В., Волкодаева М.В., Потапов И.А., Денисов В.Н. – СПб: Гуманистика, 2006.- 650 с.), а также докладывались на II 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.), III Международной Евроазиатской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 12-15 сентября 2003 г.), Международной конференции «Научное и кадровое обеспечение развития транспортного комплекса. Безопасность на транспорте» (Санкт-Петербург, 2-6 июля 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие и устойчивое развитие территории» (Санкт-Петербург, 30-31 марта 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие: человек и окружающая среда» (Санкт-Петербург, 25-26 октября 2012 года), ХIХ Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011), 1 Международной конференции » ( США, Чикаго), 17-18 декабря 2013 г., Международной конференции «»( Германия, Мюнхен, 27-28 декабря 2013 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе в изданиях по перечню ВАК – 12, книг, монографий, брошюр – 7, статей в отечественных журналах и докладов и тезисов докладов на научно-технических семинарах и конференциях – 41.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка литературы.
Основная часть диссертации изложена на 347 страницах машинописного текста. Работа содержит 153 рисунка, 65 таблиц, 227 источников.
Анализ экологической опасности автотранспорта и современного состояния методов и средств контроля и мониторинга атмосферы
Проблема взаимодействия общества и природы в последние годы обострилась в связи с резко возросшей производственной активностью человека. Ее следствием явились повышенные нагрузки на окружающую природную среду и ее загрязнение. Усиливается также лимитирующая роль ресурсов топлива и минерального сырья. Интенсивностъ антропогенного воздействия стала превосходить восстановительные способности биосферы: изменения, вызванные промышленной деятельностью, затронули все ее компоненты и экосистемы, в связи с чем оказались ослаблены механизмы саморегуляции и компенсации.
Особенности природных условий, хозяйственной специализации и систем расселения обусловливают существование региональной специфики во взаимодействии общества и среды обитания. Тип, характер и интенсивность этих отношений различаются в урбанизированных зонах, в сельской местности и вахтово-экспедиционных поселениях. Поэтому проблема оптимизации взаимодействия общества и природы является региональной: в одних районах преодоление противоречий в системе «общество - среда» связано с замедлением темпов роста производства, ограничением роста крупных городов, в других с перестройкой территориальной или отраслевой структуры, в третьих — с внедрением новых природозащитных мер, и т.д. Природная среда в различных регионах имеет свои специфические особенности, которые должны учитываться при анализе взаимозависимостей между человеком и средой его обитания. [60,77, 93, 100, 105, 111, 135, 138] Значительная часть потенциальных запасов природных ресурсов страны приходится на территорию с холодным климатом и районы крайнего Севера, отличающиеся экстремальными климатическими условиями. Наибольшей суровостью отличается северная климатическая зона России. К ней относятся все районы, ограниченные с юга изотермой января, равной (-)20С, т.е. районы, в которых средняя температура этого месяца не выше (-)20С. В соответствии с ГОСТ 16350-80 к этой зоне относится более 67% территории страны, где народное хозяйство обслуживается в основном автомобильным транспортом. [60,77, 93, 100, 111, 138]
Экосистемы Севера, в отличие от биоценозов южных и центральных районов России, обладают малой мощностью биологически активного слоя, низкой продуктивностью, замедленностью процессов обмена, что сказывается на их способности выдерживать лишь небольшую антропогенную нагрузку. Короткий вегетационный период, небольшое количество солнечных дней и неспособность растений вырабатывать зимой кислород снижают и замедляют очистку воздуха и повышают его загрязненность промышленными выбросами. Позднее высвобождение рек ото льда, их преимущественная ориентация на север приводят к последовательному упрощению речных экосистем, снижению их устойчивости и способности к самоочищению. Существующее между почвой и замерзшим грунтом термодинамическое равновесие крайне неустойчиво и легко уязвимо при антропогенном воздействии. Все эти особенности природной среды северных районов требуют тщательного согласования человеческой деятельности с природными закономерностями. Они проявляются здесь жестче и определеннее, чем на других территориях, и выдвигают ограничения на некоторые виды хозяйственной деятельности и размеры поселений. [60,77, 93, 100, 111, 138]
Роль северных регионов уникальна в связи со специфичным хозяйственным ритмом, особой традицией освоения и своеобразным стереотипом жизни населения. Российские северные территории в основном являются высоко урбанизированными, а освоение и использование любой территории невозможны без соответствующей инфраструктуры совокупности сооружений, зданий, систем и служб, обеспечивающих условия для нормальной работы различных отраслей экономики и жизни населения. При этом чем лучше освоена территория, тем больше на ней разнообразных инфраструктурных сооружений. Например, в одном из наиболее развитых районов страны Северо-Западном инфраструктурой занято 10% его территории, а на Дальнем Востоке только 0,5% территории. Инфраструктурный комплекс подразделяется на две относительно самостоятельные части: сферу обслуживания торговля, общественное питание, культуру, искусство, науку, образование и пр. и коммуникационную систему связь и транспорт. Без транспорта невозможно развитие народного хозяйства. Основная задача транспорта надежно связывать между собой отдельные звенья хозяйства и районы страны или региона. Однако как следствие функционирования промышленности и транспорта в непосредственной близости от городской черты происходит накопление огромных масс токсичных отходов (особую опасность представляет урановая промышленность), снижается плодородие почв, случаются сильные геодинамические события (техногенные землетрясения), формируются терриконы, развиваются эрозионные процессы (оползни, овраги), изменяется состав почв, растет запыленность атмосферы, повышается частота заболеваемости населения, происходит значительное загрязнение гидросферы сточными водами. В пределах городской черты актуально шумовое, световое и электромагнитное загрязнение окружающей среды. [60,77, 93, 100, 111, 133, 138]
В целом, исходя из изложенных выше критериев оценки остроты экологических ситуаций, экологическую обстановку на северных территориях России можно определить как неоднородную. На европейском севере и на севере Западной Сибири она характеризуется как критическая, имеющая тенденцию к ухудшению. На северо-востоке Сибири и на севере Дальнего Востока экологическая обстановка в целом менее напряжена, однако и здесь выделяются ареалы с крайне неблагоприятной экологической ситуацией, площади и количество которых постоянно увеличиваются. Особая проблема зоны Севера формирование в субъектах Северного, Северо-Западного и Восточно-Сибирского экономических районов кислотных осадков. В то же время отметим, что указанные районы сами в значительной степени страдают от трансграничных переносов загрязняющих веществ из стран Восточной и Западной Европы. Наиболее благополучным представляется район п-ова Таймыр, где на значительных пространствах еще сохраняются естественные ландшафты. [60,77, 93, 100, 111, 138]
Из наиболее загрязненных (в самом широком смысле) российских городов следует назвать все города-миллионеры, например, Санкт-Петербург, и подавляющее большинство административных центров. Однако преобладают здесь центры энергетики, металлургии, горнодобывающей (мировая тенденция сдвиг добычи полезных ископаемых на Север на фоне повсеместно увеличивающейся глубины горных работ), лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной отраслей. Учитывая отсутствие единого мнения об определении южной границы зоны Севера в России, к неблагополучным городам, таким образом, могут быть отнесены, например, Архангельск, Новодвинск, Красноярск, Норильск, Мончегорск, Никель, Новокузнецк, Магнитогорск, Череповец, Нижний Тагил и другие. Самая неблагополучная ситуация складывается в промышленной зоне Урала, а Норильск в Восточной Сибири занимает одно из первых мест в России по выбросам вредных веществ в атмосферу. [60,77, 93, 100, 111, 138] Прогрессирующее обострение экологической обстановки в северных районах России связано главным образом с активным наращиванием промышленного потенциала, интенсивным развитием горнодобывающей промышленности, транспорта и жилищного строительства в этих крайне уязвимых северных ландшафтах, в условиях легко дестабилизируемой природной среды с низким потенциалом самовосстановления. Одним из основных источников загрязнения окружающей природной среды все в большей степени становится транспортный комплекс. Благодаря развитой транспортной сети стало возможным быстрое перемещение грузов и пассажиров в нужном направлении в самые отдаленные уголки планеты. Автомобильный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей и распространении дальнего туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. Однако достижения и успехи в развитии транспортного комплекса сопровождается резким ухудшением экологической ситуации, а негативное влияние на окружающую природную среду и население оказывают все виды транспорта. К экологическим проблемам относят: 1) истощение природных ресурсов (полезные ископаемые: металлические руды, металлы, углеводородное сырье; пресные природные воды); 2) загрязнение атмосферного воздуха отработавшими газами, резиновой и асфальтной пылью; 3) загрязнение природных вод (мойка автотранспорта); 4) образование и необходимость утилизации отходов (аккумуляторы, электролит, авторезина, металлолом, пластмассы, бытовой мусор и другое); 5) шумовое загрязнение. [60,77, 93, 99, 100, 111, 133,138]
Лазерные методы и средства дистанционного контроля загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях
Современный автотранспорт представляет огромную опасность для окружающей среды и здоровья человека. Как показал проведенный анализ, уровень воздействия автотранспорта определяется интенсивностью движения, экологическим и техническим состоянием, условиями эксплуатации, степенью аварийности автотранспорта и климатическими условиями в данной конкретной местности. В связи с этим необходим тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта и прилегающих территорий с использованием современных методов. В связи с этим возникла острая потребность в детальных сведениях о загрязняющих веществах, различных столкновительных, фотохимических и радиационных процессах, протекающих в атмосфере.
При создании систем контроля за состоянием воздушных бассейнов крупных промышленных центров все большее внимание стали уделять дистанционности, чувствительности и информативности измерений. Применение контактных методов, основанных на заборе проб аэрозоля в определенных точках пространства, не приводит к достижению этих критериев и наталкивается на определенные трудности. Сюда же следует отнести необходимость обеспечения достаточно густой сети одновременных наблюдений (причем на различных высотах), длительность и трудоемкость обработки результатов замеров, недостаточная в ряде случаев чувствительность. Изобретение лазеров позволило в значительной степени разрешить эти трудности.
Появление лазеров привело к созданию лидаров. В лидарных измерениях оказалась возможной непосредственная детекция эффектов флуоресценции и ослабления света. Это явилось крупным шагом по пути осуществления дистанционного контроля качества воздуха, диагностики параметров атмосферы. В связи с этим приобрели огромное значение вопросы взаимодействия лазерного излучения с атмосферным веществом. [2,5,6,12,19,20,28,42,43,48-51,70-73,79-81,87,92,94-97,104,110,126,127,134,136,155]
Лидары можно использовать в любой точке Земли и получать при зондировании разрезы атмосферы за небольшие промежутки времени, когда состояние основных атмосферных параметров не успевает измениться. Использование волн оптического диапазона позволяет создать малогабаритную приемно-передающую аппаратуру. Значительная энергия излучения современных лазеров позволяет принимать обратный сигнал от удаленных слоев атмосферы. Большая частота посылок зондирующих импульсов делает возможным прослеживание быстро меняющихся вариаций исследуемых параметров атмосферы, способствует повышению оперативности измерений. Пространственное разрешение позволяет детализировать структуру атмосферных образований, локализовать область газовых загрязнений. Спектр принимаемого сигнала помогает идентифицировать их состав и количественное содержание.
Как правило, анализ спектра проводится в тех случаях, когда состав загрязняющих веществ неизвестен и должен быть исследован. В большинстве практических случаев этот состав или бывает известен, или необходимо устанавливать присутствие и количественно определять концентрации ограниченного числа веществ, часто только одного вещества. При таких исходных ограничениях аппаратура и методика могут быть существенно упрощены, так как измеряется только интенсивность отдельных, заранее известных линий или участка спектра.
Для задач лазерного зондирования, как правило, требуется разделить сигнал рассеяния на молекулярном атмосферном веществе и на ансамбле взвешенных частиц в воздухе. Рассмотрим основные закономерности аэрозольного рассеяния. Теория Ми дает строгие результаты для частиц сферической формы, однако в аналитическом виде решение доступно только в единичных простейших случаях. В реальной ситуации аэрозоль вдоль трассы зондирования не является однородным, в его состав, как правило, входят частицы разной формы и размера; так что использовать аппарат теории Ми затруднительно. Лидарное отношение для аэрозольного рассеяния зависит от показателя преломления частиц аэрозоля, их распределения по размеру, форме, составу. Обычно bd лежит в пределах от 0,1ср–1. Анализ результатов измерений прозрачности приземного слоя атмосферы позволил выделить несколько различных типов оптического состояния атмосферы: дымка, для которой типична дальность видимости V 3 км; туманная дымка 1 V 3 км облака и туманы V 1 км. Состояние дымки и туманной дымки, в которых приземной слой находится около 90% времени, является наиболее естественной ситуацией для применения оптических локационных устройств.
В практике лазерного зондирования представляют интерес коэффициенты и . В отсутствии резонансных эффектов доминирующую роль в упругом рассеянии для приземного слоя атмосферы играет взаимодействие лазерного излучения с аэрозолем. Оно же является и основным фактором ослабления излучения в отсутствии поглощения. В дальнейшем для оценочных расчетов мы принимаем = d. Что касается коэффициента обратного рассеяния, то в зависимости от рассматриваемого примера оно считается изотопным, и тогда = d/4, либо = d/100.
Комбинационное рассеяние Эффект комбинационного рассеяния (КР) заключается в том, что в спектре рассеянного света кроме линии, характеризующей падающий свет, наблюдаются добавочные линии, сопровождающие каждую из линий падающего излучения. [42,48-51,68,70-73,79-81,94,97,106,108,109,110,134,136]. Различие в частотах возбуждающей первичной и появляющихся в спектре добавочных линий характерно для каждого рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний молекул (рисунок 7). Наблюдаются две системы линий, симметрично лежащих по обе стороны от возбуждающей линии (стоксовы и антистоксовы компоненты). КР сопровождается обменом энергией электромагнитной волны с собственными энергетическими уровнями молекул или атомов. Его можно рассматривать как неупругое столкновение фотона hv0 с молекулой, находящейся на начальном энергетическом уровне Е(. М(Е,) + hvo М{Е)+ hv (2.12) В приведенной на рисунке 7 схеме энергетических уровней промежуточное состояния системы Еv= ЕІ + hv0 в процессе рассеяния часто рассматривается как виртуальный уровень, который не совпадает с реальным стационарным состоянием молекул. В результате мгновенного взаимодействия появляется фотон hv с меньшей энергией (стоксова компонента рассеяния). Если начальное состояние молекулы является возбужденным, то в рассеянном излучении появляются такие фотоны с большей энергией (антистоксова компонента рассеяния). Индуцированная флуоресценция Другой разновидностью фотонных реакций с атмосферой является индуцированная флуоресценция (ИФ). [42,48-51,68,70-73,79-81,94,97,106,108,109,110,134,136]. Рассмотрим физические процессы, лежащие в основе этого явления. ИФ представляет собой двухступенчатый процесс, на первой стадии которого молекула переходит в одно из разрешенных возбужденных состояний под действием излучения частоты, равной частоте перехода, а затем, возвращаясь в одно из нижележащих разрешенных состояний, излучает на частоте соответствующего перехода.
Организация контроля и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха
В крупных промышленных центрах степень загрязнения атмосферного воздуха может в ряде случаев превысить санитарно-гигиенические нормативы. Характер временной и пространственной изменчивости концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе определяется большим числом разнообразных факторов. Знание закономерностей формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, тенденций их изменений является крайне необходимым для обеспечения требуемой чистоты воздушного бассейна. Основой для выявления закономерностей служат наблюдения за состоянием загрязнения воздушного бассейна. [25,26,32,44,55,62,77,78,101,114,117,135] От возможностей и качества проводимых наблюдений зависит эффективность всех воздухоохранных мероприятий. Служба мониторинга и контроля за состоянием атмосферного воздуха, как следует из названия, состоит из двух частей, или систем: мониторинга и контроля. Первая система обеспечивает наблюдение за качеством атмосферного воздуха в городах, населенных пунктах и территориях, расположенных вне зоны влияния конкретных источников загрязнения. Вторая система обеспечивает контроль источников загрязнения и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу. Мониторинг состояния атмосферного воздуха проводится в районах интенсивного антропогенного воздействия (в городах, промышленных и агропромышленных центрах и т.д.) и в районах, удаленных от источников загрязнения (в фоновых районах). Мониторинг в районах, значительно удаленных от источников загрязнения, позволяет выявить особенности отклика биоты на воздействие фоновых концентраций загрязняющих веществ. [25,26,32,44,55,62,77,78,101,114,117,135]
Как правило, фоновые наблюдения по специальной программе фонового экологического мониторинга проводятся в биосферных заповедниках и заповедных территориях. Ранее биосферные заповедники были расположены по всей территории СССР. В биосферных заповедниках осуществляется оценка и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха путем анализа содержания в нем взвешенных частиц, свинца, кадмия, мышьяка, ртути, бенз(а)пирена, сульфатов, диоксида серы, оксида азота, диоксида углерода, озона, ДДТ и других хлорорганических соединений. Программа фонового экологического мониторинга включает также определение фонового уровня загрязняющих веществ антропогенного происхождения во всех средах, включая биоты. Кроме измерения состояния загрязнения атмосферного воздуха, на фоновых станциях производятся также метеорологические измерения.
Сеть фоновых станций, расположенная на территории нашей страны, включена в Глобальную систему мониторинга окружающей среды (ГСМОС), функционирующую в соответствии с программой ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) под эгидой ЮНЕП. Информация, получаемая с фоновых станций, позволяет оценивать состояние и тенденции глобальных изменений загрязнения атмосферного воздуха. Фоновые наблюдения проводятся также с помощью научно-исследовательских судов в морях и океанах.
При наблюдении за фоновыми уровнями загрязнения атмосферного воздуха разрабатываются модели переноса примесей и определяется роль в процессах переноса гидрометеорологических и техногенных факторов. На фоновых станциях исследуются и уточняются критерии создания сети наблюдений, перечни контролируемых примесей, методики контроля и обработки данных измерений, способы обмена информацией и приборами, методы международного сотрудничества. Так, например, по международным соглашениям станция базисного и регионального мониторинга должна размещаться на расстоянии 40-60 км от крупных источников загрязнения с подветренной стороны. На территориях, примыкающих к станции, в радиусе 40-400 км не должен изменяться характер деятельности человека. Было также установлено, что пробы воздуха должны отбираться на высоте не менее 10 м над поверхностью растительности. На станциях фонового мониторинга наблюдение за качеством атмосферного воздуха осуществляется по физическим, химическим и биологическим показателям.
Необходимость организации контроля загрязнения атмосферного воздуха в зоне интенсивного антропогенного воздействия определяется предварительными экспериментальными (в течение 1-2 лет) и теоретическими исследованиями с использованием методов математического и физического моделирования. Такой подход позволяет оценить степень загрязнения той или иной примесью атмосферного воздуха в городе или любом другом населенном пункте, где имеются стационарные и передвижные источники выбросов вредных веществ. [25,26,32,44,55,62,77,78,101,114,117,135] Обычно расположение источников выбросов и их параметры известны или их можно определить. Зная метеорологические параметры, в том числе «розу ветров» , с использованием математических и физических моделей можно рассчитать поля концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для любой ситуации. Но адекватность принятых моделей реальным ситуациям все равно должна проверяться экспериментально. Для получения репрезентативной информации о пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха нужно предварительно провести обследование метеорологических условий и характера пространственной и временной изменчивости загрязнения воздуха с помощью передвижных средств. Для этого чаще всего используется передвижная лаборатория, производящая отбор, а иногда и анализ проб воздуха во время остановок. Такой метод обследования называется р е к о г н о с ц и р о в о ч н ы м . Он находит достаточно широкое применение за рубежом. [77,78,101,114,117,135]
На карту-схему города (населенного пункта, района) наносится регулярная сетка с шагом 0,1; 0,5 или 1,0 км. На местности по специально разработанной программе случайного отбора проб отбираются и анализируются пробы в точках, совпадающих с узлами сетки, наложенной на карту-схему. Для получения статистически достоверных средних значений измеренных концентраций проводится анализ комбинаций точек на сетке, объединенных в квадраты, например, площадью (2-4) км2, с учетом направлений ветра по направлениям. Такой метод позволяет выявить как границы промышленных комплексов и узлов, так и зоны их влияния. При этом обеспечивается возможность сравнения полученных результатов с расчетными данными математических моделей. Использование методов моделирования в этих работах является обязательным.
Если обнаруживается, что существует вероятность роста концентрации примеси выше установленных нормативов, то за содержанием такой примеси в выявленной зоне следует установить наблюдение. Если же такой вероятности нет и отсутствуют перспективы развития промышленности, энергетики и автотранспорта, установление стационарных постов наблюдений за состоянием атмосферного воздуха нецелесообразно. Такой вывод не распространяется на организацию наблюдений за фоновым уровнем загрязнения воздуха вне населенных пунктов.
Установив степень загрязнения атмосферного воздуха всеми примесями, выбрасываемыми существующими и намечаемыми к строительству и пуску источниками, а также характер изменения полей концентрации примесей по территории и во времени с учетом карт загрязнения воздуха, построенных по результатам математического и физического моделирования, можно приступить к разработке схемы размещения стационарных постов наблюдений на территории города и программы их работ. Программа разрабатывается исходя из задач каждого измерительного пункта и особенностей изменчивости концентрации каждой примеси в атмосферном воздухе. Пост наблюдений может давать информацию об общем состоянии воздушного бассейна, если пост находится вне зоны влияния отдельных источников выбросов, и осуществлять контроль за источниками выбросов, если пост находится в зоне влияния источников выбросов. [25,26,32,44,55,62,77,78,101,114,117,135]
Роль автотранспорта в загрязнении воздушной среды северных городов
Развитие автомобильного транспорта стало одним из выдающихся событий минувшего века. Вместе с тем оно породило массу новых серьезных проблем, к числу которых относится создание дискомфортных сред в зоне обитания человека. Последнее событие особенно важно, так как присутствие все возрастающего количества автотранспортных средств, особенно в зоне жилой застройки, и невнимание к местам хранения и парковок лишает человека последнего рубежа экологической защищенности и, по сути дела, не дает ему возможности другого выбора.
Природная среда в различных регионах имеет свои специфические особенности, которые должны учитываться при анализе взаимозависимостей между человеком и средой его обитания. Особенности природной среды северных районов требуют тщательного согласования человеческой деятельности с природными закономерностями. Они проявляются здесь жестче и определеннее, чем на других территориях, и выдвигают ограничения на некоторые виды хозяйственной деятельности и размеры поселений. Особенность северных районов состоит в том, что в условиях многолетней мерзлоты, повышенной сейсмичности, низких температур и их резких колебаний все биологические и химические процессы протекают малоактивно, а любое неумелое воздействие на природу приводит к негативным экологическим последствиям. [60,77,100,133]
Начало XXI столетия ознаменовалось интенсивным процессом автомобилизации общества, в том числе и северных регионов. Развитие автомобильного транспорта предопределило две четко выраженные и противоречивые тенденции. С одной стороны, достигнутый уровень автомобилизации отражает технико-экономический потенциал развития общества и степень удовлетворения социальных потребностей населения в транспортных услугах, а с другой он обусловливает увеличение масштаба негативного воздействия на общество, окружающую среду и нарушение экологического равновесия. Возникла новая угроза жизненно важным интересам личности и общества реальная экологическая опасность для жизнедеятельности, связанная с все возрастающей автомобилизацией. [1,21,35,63,77, 99,105, 125,133,135,153,155,169,176] Как показал анализ, проведенный в первой главе, российские северные города крупнейшие на Севере планеты. Нигде от Аляски до Финской Лапландии нет столь крупных городских поселений; а проблема экологии городских территорий приобретает в настоящее время большую актуальность. По экспертным оценкам, уже около половины человечества проживает в городах, а к 2050 г. этот показатель возрастет до 70% и превысит 80% в промышленно развитых странах. В России численность городского населения составляет 74%, а на северо-западе страны, где из-за природных условий практически невозможно заниматься сельским хозяйством, достигает 92%. Постоянной экологической проблемой городских территорий является загрязнение атмосферного воздуха. Ее первостепенное значение определяется тем, что чистота воздуха — фактор, непосредственно влияющий на здоровье населения. Атмосфера оказывает интенсивное воздействие на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. [30,85,105,115,122,128, 133,156,158] Загрязнение атмосферного воздуха происходит как от стационарных, так и от подвижных источников вредных веществ. Основной вклад в общий объем атмосферных выбросов от стационарных источников вносят энергетика 38,9%, топливная 35,4%, химическая и нефтехимическая промышленность 8,2%. Однако в последние десятилетия в связи с быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих в атмосферу от подвижных источников: грузовых и легковых автомобилей, тракторов, тепловозов и самолетов. В городах на долю автотранспорта приходится от 30 до 70% общей массы выбросов. В США до 40% общей массы основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников. Степень загрязнения воздуха определяется массой выбрасываемых автомобилями продуктов сгорания топлива и зависит от конструкции двигателя (бензиновый, с катализатором или без него, дизельный), условий движения (ускорение, торможение, холостая работа), вида используемого топлива. Как показал анализ литературы[30,33,34,85,105,115,122,128, 133,156,158], в Российской Федерации насчитывается более 150 городов с превалирующим вкладом выбросов автотранспорта в валовые выбросы (более 50%). Более 75% городского населения находятся в зоне действия высокого и очень высокого загрязнения в Москве и Санкт-Петербурге, в Камчатской, Новосибирской, Омской, Оренбургской областях и Таймырском АО. Москва и Санкт-Петербург на карте видны как точки в областях (рисунок 42, таблица 37). В большинстве городов определяются концентрации основных веществ, встречающихся в атмосферном воздухе каждого города: взвешенные вещества, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота. Измеряются также концентрации многих специфических веществ: аммиак, бенз(а)пирен, сероуглерод, сероводород, фенол, формальдегид, фторид водорода, более 10 металлов. По количеству выбросов от автотранспорта Санкт-Петербург входит в число 12 городов России с выбросами более 100 тыс. т/год и уступает по этому показателю только Москве.Наибольший вклад (84%) в загрязнение воздуха на сегодняшний день вносят передвижные источники загрязнения автотранспорт. В г. Магадан доля автотранспорта в суммарных выбросах в атмосферу составляют 45%, в пос. Палатка, находящемся на самом оживленном участке Колымской трассы более 60%.[105,115,122,128, 133]
Наибольший вклад в загрязнение воздуха Санкт-Петербурга на сегодняшний день вносят передвижные источники загрязнения автотранспорт. На его долю приходится 84%. В г.Магадане доля автотранспорта в суммарных выбросах в атмосферу составляют 45%, в пос.Палатка, находящемся на самом оживленном участке Колымской трассы более 60%.[105,115,122,128, 133] Как указано в работах[1,21,35,63,77, 99,105, 125,133,135,153,155,169,176], в городах, особенно крупных, автомобиль стал основным источником загрязнения атмосферного воздуха. Он выделяет в воздух более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота. В атмосферный воздух от автотранспорта поступают канцерогены (бензол, формальдегид, бенз(а)пирен, ацетальдегид и др.) и опасные вещества (толуол, кислоты, 1,3-бутадиен, тяжелые металлы и др.), вызывающие различные заболевания . К особенностям автомобильного транспорта, влияющим на ухудшение санитарных условий проживания в крупных городах, относятся следующие: 1) высокие темпы роста численности автомобилей (численность автомобилей в городе за последние 10 лет возросла в 2,9 раза и продолжает расти) по сравнению с ростом количества стационарных автостоянок (особенно следует отметить резкий прирост индивидуального транспорта, в основном, за счет ввоза автомобилей из-за границы); 2) пространственная рассредоточенность (автомобили распределяются по территории, занимают до 50% площадей города, в Санкт-Петербурге более 27 млн м2 и создают общий повышенный фон загрязнения); 3) непосредственная близость к жилым районам (автомобили заполняют все местные проезды, дворы жилой застройки, детские площадки, газоны); 4) более высокая токсичность выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами на стационарных автостоянках; 5) сложность технической реализации средств защиты от загрязнений на автомобилях; 6) низкое расположение источника загрязнения от земной поверхности и малой высотой выброса, составляющей в среднем 0,5-0,7 м от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей и слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и выбросами от стационарных автостоянок, которые, как правило, имеют дымовые и вентиляционные трубы значительной высоты [1,21,27,35,63,77, 99,105, 125,133,135,153,155,169,176].
