Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние методического и информационного обеспечения систем экологического мониторинга 12
1.1 Автотранспорт как источник химического и физического воздействия на атмосферный воздух 12
1.2 Состояние методического и информационного обеспечения систем экологического мониторинга воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов в РФ и ЕС
1.2.1 Состояние систем экологического мониторинга городов в РФ 17
1.2.2 Состояние систем экологического мониторинга в Западных странах 23
1.3 Современное приборное обеспечение для систем экологического мониторинга
загрязнения атмосферного воздуха и мониторинга уровней шумового воздействия 25
1.3.1 Приборное обеспечение мониторинга загрязнения атмосферного воздуха 25
1.3.2 Приборное обеспечение мониторинга уровней шумового воздействия 30
1.4 Современное состояние в сфере геоинформационных систем 32
Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2 Разработка методического обеспечения для систем экологического мониторинга 39
2.1 Методика проведения обследований автотранспортных источников на автомобильных дорогах с использованием геоинформационных систем 39
2.2 Разработка методики определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ с учетом особенностей автомобильного парка 47
2.3 Алгоритм проведения расчетов максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ, выбрасываемых автотранспортом 55
2.4 Алгоритм проведения расчетов уровней шума на автодорогах и разработки шумовых карт городов 59
2.5 Алгоритм анализа полей максимальных приземных концентраций и уровней шума от автотранспортных потоков 62
2.6 Использование данных расчетного мониторинга и геоинформационных систем для выбора мест размещения постов мониторинга 67
Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3 Разработка информационного обеспечения для систем экологического мониторинга 75
3.1 Представление информации о характеристиках автотранспортных потоков и их вредного воздействия с использованием современных геоинформационных систем 75
3.2 Обеспечение информации об интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автодорогах городов 78
3.3 Зависимости изменения концентраций и уровней шумового воздействия от характеристик автотранспортного потока и градостроительной ситуации 83
3.4 Использование ГИС и результатов модельных расчетов для оценки эффективности
мероприятий по снижению воздействия автотранспорта 90
Выводы по главе 3 98
ГЛАВА 4 Приборное и техническое обеспечение системы мониторинга качества атмосферного воздуха 100
4.1 Организационное и техническое обеспечение системы экологического мониторинга качества атмосферного воздуха 100
4.2 Приборное обеспечение химического контроля воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов 103
4.3 Приборное обеспечение физического контроля воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов 108
4.4 Приборы фиксации автотранспортного потока 110
Выводы по главе 4 114
Заключение 115
Список сокращений и условных обозначений 118
Словарь терминов 119
Список литературы 120
- Состояние систем экологического мониторинга городов в РФ
- Разработка методики определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ с учетом особенностей автомобильного парка
- Обеспечение информации об интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автодорогах городов
- Приборное обеспечение химического контроля воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов
Введение к работе
Актуальность исследования. Высокие темпы автомобилизации городов оказывают все большее влияние на качество окружающей среды, здоровье и благополучие населения, в связи с этим работы, связанные c развитием систем экологического мониторинга химического и физического воздействия автотранспорта на атмосферный воздух имеют большое значение.
Наблюдения за загрязнением атмосферы, проводятся в Российской Федерации (РФ) более 50 лет. Измеренные концентрации загрязняющих веществ (ЗВ) фиксируют повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха без выявления вкладов источников загрязнения атмосферы (ИЗА) (промышленных, автотранспортных и др.). Постоянного комплексного мониторинга воздействия шума различного происхождения в городах РФ не ведется.
В настоящее время остро встают вопросы модернизации сети мониторинга - применения на сети наблюдений новых технических средств измерений - автоматических пробоотборных устройств и газоанализаторов (ГА), автоматизированных станций и систем и т.д.
Степень разработанности. Работы по методическому и ин
формационному обеспечению систем экологического мониторинга ка
чества атмосферного воздуха городов в нашей стране проводили:
Э.Ю. Безуглая, В.К. Донченко, И.В. Смирнова, Н.И. Иванов,
И.С. Яновский, Н.С. Буренин, М.В. Волкодаева, В.Н. Ложкин, Ю.В. Пешков, В.Ф. Хватов, Е.Г. Цыплакова и др.
Проанализировав работы вышеперечисленных авторов можно сделать вывод, что основное внимание уделялось мониторингу загрязнения атмосферного воздуха ЗВ. Однако не реализован комплексный подход к методическому и информационному обеспечению систем экологического мониторинга как химического, так и физического воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов с учетом выявления вкладов автотранспортных источников загрязнения атмосферы (ИЗА).
Цель и задачи исследования. Улучшение качества атмосферного воздуха городов на основе выбора оптимальных мероприятий по снижению вклада автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы, с учетом новых подходов к методическому и
информационному обеспечению систем экологического мониторинга химического и физического воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов, дополненных средствами измерения уровней шума и основанных на использовании возможностей современных геоинформационных систем (ГИС), модельных расчетов загрязнения атмосферного воздуха, шумовых карт городов, инвентаризации автотранспортных потоков (АТП) с учетом категорийности автотранспортных средств (АТС), определяемых датчиками фиксации характеристик АТП. В рамках реализации поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Провести анализ существующей системы мониторинга химического и шумового воздействия АТС; руководящие документы, используемые при размещении постов мониторинга качества окружающей среды.
-
Исследовать параметры АТП, градостроительную ситуацию, значения концентраций ЗВ и уровней шума в городах РФ с различными характеристиками АТП. Получить зависимости изменения концентраций и уровней шумового воздействия от интенсивности, скорости движения, а также структуры АТП в городах Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск.
-
Выполнить экспериментальные и теоретические исследования воздействия АТП на атмосферный воздух, построить карты полей распространения максимальных приземных концентраций и уровней шума с использованием возможностей ГИС для гг. Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск, дать предложения по размещения постов экологического мониторинга.
-
Разработать методику определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ.
Объектом исследования является система экологического мониторинга воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов.
Предметом исследования являются методы и приборы мониторинга воздействия автотранспорта на качество атмосферного воздуха городов. Зависимости уровней концентраций и шума от характеристик АТП, геоинформационная система.
Идея работы. Подход к оценке воздействия АТС на атмосферный воздух, основанный на информации о суммарных значениях вы-
бросов ЗВ (в т/год), который используется в настоящее время в РФ, недостаточен и обладает большой степенью неопределенности, т.к. не учитывает распределение по территории городов АТС, вклады в общее загрязнение атмосферного воздуха автотранспортных ИЗА. Совместное использование данных о концентрациях ЗВ, уровней шума, интенсивности, составе, структуры и скорости АТП, а также метеорологических характеристиках (температура, направление и скорость ветра) позволят снять неопределенность в оценке вкладов в загрязнения атмосферного воздуха стационарных и передвижных ИЗА. Снятие неопределенности при выявлении основных загрязнителей на территориях городов даст возможность принимать обоснованные решения при выборе оптимальных мероприятий по снижению вклада автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы и размещению стационарных постов мониторинга качества атмосферного воздуха.
Использование ГИС, обладающих возможностями объединения и отображения различной атрибутивной информации, в совокупности с данными результатов расчетной оценки химического и физического воздействия от АТП, позволят повысить информативность данных, эффективность анализа и получить наглядную картину воздействия автотранспорта на территории городов, а также определить места размещения постов экологического мониторинга. Моделирование различных ситуаций по изменению характеристик движения АТС (интенсивности, структуры, скорости движения), развитию улично-дорожной сети городов, экологизации АТС и проведение оценки воздействия на качество атмосферного воздуха и уровней шума (разработка полей концентраций ЗВ и шумовых карт) будут способствовать принятию своевременных, целесообразных, экономически эффективных и корректных управленческих решений по улучшению качества атмосферного воздуха городов.
Научная новизна:
1. Существующая система экологического мониторинга дополнена средствами измерения уровней шума, датчиками фиксации характеристик АТП, расчетным мониторингом химического и шумового воздействия с учетом вклада различных категорий автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферного воздуха, которые позволят с использованием современных геоинформационных систем сни-
зить неопределённости при выработке управленческих решений по уменьшению воздействия автотранспорта и выборе мест размещения постов экологического мониторинга.
-
Впервые получены результаты комплексной оценки воздействия АТП, которые говорят о зависимостях изменения концентраций ЗВ и уровней шумового воздействия от интенсивности, скорости движения, а также структуры АТП в городах Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск.
-
Впервые выполнены экспериментальные и теоретические исследования по определению вклада различных категорий АТС в суммарный уровень загрязнения атмосферы, построены карты полей распространения максимальных приземных концентраций и уровней шума для гг. Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск.
-
Разработана методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ, учитывающая региональные особенности автомобильного парка Республики Бурятия (возраст, структура, интенсивность и скорость движения АТП на автодорогах города), современные требования, действующие на территории РФ, на ограничение выбросов автотранспорта и к качеству моторных топлив, которая позволяет снять неопределенности по оценке вклада АТП в суммарное загрязнение атмосферного воздуха города.
Теоретическое и практическое значение работы. Выдвинута идея, разработана методика, теоретически обосновано и предложено комплексное развитие систем экологического мониторинга воздействия АТП на загрязнение атмосферного воздуха. Впервые предложен алгоритм по использованию ГИС и результатов расчетного мониторинга для определения местоположения размещения новых станций мониторинга и контролируемых ЗВ. Результаты диссертационной работы используются экологическими структурами органов власти субъектов и городов РФ (г. Улан-Удэ, г. Архангельск, г. Иркутск, г. Санкт-Петербург) при планировании мероприятий по защите населения от чрезмерных негативных воздействий АТП. Разработанная методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ утверждена приказом Министерства природных ресурсов Республики Бурятия от 19.02.2014 № 57-ПР. На основе проведенных исследований, предложенных подходов и
алгоритмов проводится оценка эффективности мероприятий, с выделением приоритетных к реализации, первоочередных и наиболее эффективных задач.
Методология и методы исследований. Исследования проводились с использованием современных методов и средств научного поиска, опираясь на базовые положения науки, методов химического, акустического контроля и статистических методов обработки экспериментальных данных. Расчетные программные модули реализованы на основе действующих нормативно правовых актов и методов расчета.
В работе использован системный подход с применением методов планирования, моделирования, анализа и обработки информации.
При решении поставленных в работе задач проводились экспериментальные исследования по определению характеристик АТП, расчетные и инструментальные оценки максимальных приземных концентраций ЗВ, а также шумовых характеристик.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ с учетом региональных особенностей автомобильного парка Республики Бурятия, а именно наличие грузовых «праворульных» АТС, легких коммерческих микроавтобусов и грузовых автофургонов иностранного производства возрастом более 10 лет, интенсивности и скорости движения АТП, современных требований, действующих на территории РФ на ограничение выбросов автотранспорта и к качеству моторных топ-лив, которая позволяет снять неопределенности по оценке вклада АТП в суммарное загрязнение атмосферного воздуха города.
-
Дополнение существующей системы экологического мониторинга средствами измерения уровней шума, датчиками фиксации характеристик АТП и расчетным мониторингом химического и шумового воздействия, которые в совокупности с современными геоинформационными системами позволяют снизить неопределённости при выработке управленческих решений по выбору оптимальных мероприятий по уменьшению воздействия автотранспорта на окружающую среду и размещению стационарных постов мониторинга качества атмосферного воздуха.
3. Зависимости изменения концентраций и уровней шума от характеристик АТП, позволяющие снизить неопределенности в отношении количественных, качественных характеристик и достаточности мероприятий по уменьшению воздействия АТС на атмосферный воздух в городах Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск.
Соответствие паспорту специальности: работа соответствует паспорту специальности 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий:
1) в части формулы специальности – «…созданием научных
основ методов … контроля природной среды, … внедрением приборов,
… и систем экологического, … контроля указанных объектов с улуч
шенными характеристиками»;
2) в части области исследования – п. 4: «Разработка методиче
ского, …и информационного обеспечения для локальных, … систем
экологического мониторинга природных и техногенных объектов».
Достоверность научных результатов (защищаемых положений) подтверждается сходимостью результатов инструментальных измерений и расчетных методов на основании данных, полученных в городах РФ; большим объемом используемого фактического материала; экспериментальных наблюдений; данных натурных обследований АТП; статистической информацией о структуре автомобильных парков городов РФ.
Личный вклад автора: проведение натурных обследований структуры, интенсивности и скорости движения АТП, участие в измерениях концентраций ЗВ в атмосферном воздухе и уровней шума вблизи автодорог г. Санкт-Петербурга, г. Улан-Удэ и др. Автор лично участвовал в разработке «Методики определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ». Автором лично предложен метод оценки эффективности мероприятий по снижению негативного воздействия автотранспорта с использованием ГИС и проведена его апробация. Все представленные расчеты по определению выбросов ЗВ и применению ГИС при оценке загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом и изложенные результаты расчетов получены автором лично.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции
«Информационные технологии как основа управления в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы безопасности и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций» в рамках республиканского форума «Безопасность – 2011» и «Безопасность – 2012» (г. Уфа, 2011, 2012 гг.); на III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); на научно-практической конференции «Экология больших городов и промышленных зон» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); на научно-практической конференции «Экологические проблемы Подмосковья и пути решения» (г. Дубна, 2012 г.); на международном форуме «Экология большого города» (г. Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2015 гг.), на всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации» (г. Санкт-Петербург, 2013, 2015 гг.), на региональной межвузовской научно-практической конференции «Инновационные системы планирования и управления на транспорте и в машиностроении» (г. Санкт-Петербург, 2013, 2014, 2015 гг.).
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 154 страницах машинописного текста, включая 67 рисунков, 28 таблиц и список литературы из 129 наименований.
Состояние систем экологического мониторинга городов в РФ
Качество атмосферного воздуха в городах определяется выбросами ЗВ от предприятий, расположенных на территории города, АТС и других ИЗА. Основным негативным фактором, определяющим возрастающее загрязнение всех сред и обеспокоенность горожан, является загрязнение воздуха выбросами от автомобильного транспорта. Этот фактор останется доминирующим в оценке экологической ситуации таких крупных мегаполисов как Санкт-Петербург, Москва, Иркутск, Улан-Удэ и др. [82, 83, 85].
Легковой автомобиль стал одним из необходимых атрибутов повседневной жизни. По состоянию на 1 января 2014 года, российский парк автомобильной техники насчитывал без учета прицепов и полуприцепов более 47 млн АТС и по прогнозам к 2016 году может увеличиться на 11 млн единиц. Обеспеченность АТС в целом по РФ по данным на 1 января 2014 г., составила 274 единицы на 1000 жителей, а по крупным городам это значение даже выше. Например, в Санкт-Петербурге обеспеченность АТС составила 308 единиц, в Москве более 311 единиц, в Архангельской, Иркутской области и Республики Бурятия обеспеченность АТС составила 201 – 285 единиц на 1000 жителей [1, 2].
В Европейском Союзе (ЕС) начиная с 2007 года, когда было зарегистрировано 15,5 млн автомобилей, количество регистрируемых новых легковых автомобилей постоянно сокращалось. В 2013 году зарегистрировано 11,8 млн автомобилей, что на 200000 меньше, чем в 2012 г. Количество регистрируемых автомобилей в 2013 г. сократилось по сравнению с 2012 г. примерно в половине стран ЕС, в то время как он вырос в другой половине. Сокращение регистрируемых новых АТС наблюдалось на Кипре (– 37%), Нидерландах (– 17%) и Румынии (– 14%), тогда как наибольший рост данного показателя был отмечен в Великобритании (11%), Португалия (10%) и Болгарии (9,7%). По сравнению с 2007 г. число регистрируемых новых АТС снизилось на 24%. Вклад в данное снижение в значительной степени оказали страны ЕС, где данный показатель снизился, например, в Греции на 80%, на 54% в Испании, 48% в Португалии и 48% в Италии по сравнению с 2007 годом [94].
По количеству транспорта на альтернативном топливе в 2013 году лидировала Италия (в основном, на сжиженном газе). Количество электрических АТС в ЕС увеличилось за последние четыре года с 700 в 2010 г. до 25000 в 2013 г. Франция (более 8900 автомобилей) и Германия (около 6000 автомобилей), являются странами, для которых рост был самым высоким за последние четыре года. Около 2500 электромобилей было зарегистрировано в Нидерландах и в Соединенном Королевстве. Количество гибридных автомобилей сопоставимо с числом электромобилей: более 31000 единиц.
Автомобильные дороги с движущимися по ним АТС являются ИЗА с нестационарными (непостоянными) по времени выбросами и излучаемому уровню шума в атмосферный воздух. В зависимости от интенсивности, структуры (легковые АТС, грузовые АТС и т.п.), скорости движения АТС на автодорогах, в атмосферный воздух поступают различные ЗВ, формирующие поля концентраций ЗВ, АТС также является источником шумового воздействия (ИШ) [72-74, 93].
Загрязнение атмосферного воздуха вблизи автодорог с интенсивным движением характеризуется высокими значениями приземных концентраций ЗВ и повышенным уровнем шума, часто превышающие предельно допустимые уровни воздействия [10, 46, 47, 57]. В настоящее время накоплено немало данных о существовании зависимости между состоянием здоровья населения и степенью загрязнения атмосферного воздуха.
Неблагоприятное влияние загрязнения атмосферного воздуха на здоровье населения можно оценить по увеличению общей заболеваемости и острых инфекций верхних дыхательных путей. Загрязняющие воздух вещества проникают в организм человека преимущественно через органы дыхания. Вдыхаемый воздух через трахею и бронхи попадает во внутреннюю часть легких (альвеолы), где происходит газообмен с кровью и лимфой. Грубая пыль диаметром более 1 мкм оседает частично уже в носу и во рту, а частично в трахее и бронхах. Газообразные загрязнения воздуха поглощаются частично уже слизистой оболочкой рта и носа, а частично бронхами. Малорастворимые в воде газы (оксиды углерода и азота) проникают в альвеолы. Пребывание человека в течение дня (8 часов) на автомобильном шоссе при средней интенсивности движения выключает из дыхательной функции 15% гемоглобина, что равносильно потере 0.5 л крови [49].
Действие токсичных компонентов автомобильных выбросов на человеческий организм разнообразно: от незначительных неприятных ощущений до раковых заболеваний. Степень воздействия зависит от их концентраций в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей [62, 63].
Отработавшие газы (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) представляют собой смесь газообразных, твёрдых и жидких соединений органического и неорганического происхождения. Состав и концентрация ЗВ зависят от типа применяемого топлива, типа двигателя, условий и режима его эксплуатации (Таблица 1.1) [72]. Таблица 1.1 – Состав отработавших газов двигателей АТС
Шумовое загрязнение – это форма физического загрязнения, проявляющегося в увеличении уровня шума сверх природного, и вызывающего при кратковременной продолжительности беспокойство, а при длительной – повреждение воспринимающих его органов или гибель организмов [18]. Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБА) на слух человека приводит к его частичной или полной потере. В зависимости от длительности и интенсивности воздействия шума происходит большее или меньшее снижение чувствительности органов слуха, выражающееся временным смещением порога слышимости, которое исчезает после окончания воздействия шума, а при большой длительности и (или) интенсивности шума происходят необратимые потери слуха (тугоухость), характеризуемые постоянным изменением порога слышимости. Действие шума на организм человека не ограничивается воздействием на органы слуха. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения. При импульсных и нерегулярных шумах степень воздействия шума повышается. Шумовое загрязнение является растущей проблемой состояния окружающей среды. Это обусловлено разнообразным количеством ИШ широко представленными не только в оживленной городской среде, но также в природной среде. Ключевые выводы Европейского Агентства по окружающей среде (ЕАОС) являющегося агентством Европейского Союза относительно шумового загрязнения заключаться в [94]:
Разработка методики определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы г. Улан-Удэ с учетом особенностей автомобильного парка
На основании анализа проведенного на начальном этапе составляется перечень приоритетных автодорог и их участков, для которых в дальнейшем необходимо провести специальные натурные обследования состава и интенсивности АТП, а также измерения концентраций ЗВ и уровней шума.
Характеризуя пропускную способность существующей городской УДС и отдельных автодорог, делается вывод о: нагрузках в часы пик рассматриваемой УДС, пропускной способности, сложностях проезда (незавершенность сети дорог, запрещающие знаки, плохое качество покрытий), вынуждающих транспорт, по возможности, использовать для движения альтернативные пути следования. Протяженные автодороги, для которых характеристика АТП изменяется в значительной степени, разделяются на участки [64-66].
Инструментальные измерения загрязнения атмосферного воздуха вблизи автодорог проводятся в соответствии с характером метеорологических условий на момент измерения. Наиболее важными метеорологическими параметрами являются направление и скорость ветра, также измеряется температура воздуха и атмосферное давление. Измерения концентраций ЗВ в атмосферном воздухе проводятся в первую очередь по основным ЗВ, поступающим в атмосферу с отработавшими газами автомобилей: оксид углерода (СО); оксид азота (NO), диоксид азота (NO2), а также, при возможности: углеводороды (СxНy), сажа (C), диоксид серы (SO2), формальдегид (HCHO), бенз(а)пирен.
Для получения достоверных данных при проведении инструментальных измерений концентраций ЗВ в атмосферном воздухе, приоритетный перечень автодорог, классифицируются на группы в зависимости по расположению относительно направлений сторон света (север, юг, запад, восток). Это необходимо для определения места установки лабораторного оборудования, с учетом направления ветра на момент проведения инструментальных измерений. Повторяемость направлений ветров того или иного направления анализируют по итогам многолетних наблюдений выполняемых метеорологами. По результатам данных наблюдений строиться векторная диаграмма, характеризующая направление ветра в конкретном месте именуемая роза ветров (Рисунок 13).
М.Е. Берлянда была разработана специальная модель [8, 9]. При расчете загрязнения воздуха выбросами автотранспорта отдельный участок автодороги стилизуется в виде узкой полосы шириной d0 и длиной L.
В простейшем случае автодороги большой длины, ориентированной перпендикулярно направлению ветра, концентрация примеси q на расстоянии х от наветренного края автодороги выражается соотношением: Здесь М„ - мощность выброса рассматриваемой примеси с единицы длины автодороги; zA высота слоя осреднения концентрации = 2 м, , где к1 и щ - соответственно значения коэффициента турбулентности и скорости ветра на высоте ц = 1 м над подстилающей поверхностью, d0 - ширина автодороги. При ветре вдоль автодороги выражение для концентрации линейного источника длиной L в точке с координатами (х, у) в случае, когда х L имеет вид:
В общем случае АТП с произвольной конфигурацией и распределением интенсивности движения по автодороге представляются в виде совокупности точечных, линейных и площадных источников, от которых рассчитывается суммарное загрязнение воздуха.
Вблизи автодороги опасным (соответствующим максимальным значениям концентрации) является направление ветра вдоль автодороги), по мере удаления от автодороги неблагоприятное направление ветра приближается к поперечному (90). Однако, на подветренной обочине концентрации q слабо зависят от направления ветра. При ветрах, направленных примерно вдоль автодороги, концентрации убывают с удалением от источника наиболее интенсивно. Опасные скорости ветра во всех узлах расчетной сетки составили 0,5 м/с. На основе формул 2.1 и 2.2 проводились численные эксперименты по исследованию уровней загрязнения воздуха вблизи автодорог разной длины, ширины, при различных скоростях ветра [9].
В связи с вышеизложенными положениями оптимальным условием при проведении инструментальных измерений концентраций ЗВ в атмосферном воздухе вблизи автодорог является направление ветра ориентированное под углом 30о по отношению к линейному участку автодороги, обеспечивающее регистрацию максимальных концентраций ЗВ выделяемых автотранспортными источниками по отношению к установленному прибору.
Расстояние расположения приборов регистрации концентраций ЗВ следует выбирать исходя из дальнейшего сопоставления с данными расчетных методов. Так, согласно ОНД-86 [84] расстояние от линейного источника хм, на котором достигается максимальная приземная концентрация ЗВ см, определяется по формуле:
При организации инструментальных измерений качества атмосферного воздуха вблизи автодорог, в первую очередь в день эксперимента уточняется прогноз метеопараметров в территориальном управлении Росгидромета. Далее с учетом прогнозируемых направлений ветра отбираются те автодороги, для которых данное направление ветра является неблагоприятным с точки зрения создания максимальных приземных концентраций. Например, при прогнозе западного или восточного ветра, в этот день измерения следует проводить на автодорогах 3-ей группы. Перед проведением отбора проб или проведения измерений с помощью автоматических газоанализаторов необходимо уточнить направление и скорость ветра непосредственно в точке проведения наблюдений.
Учет направления и скорости ветра и организация проведения измерений качества атмосферного воздуха с учетом выше описанного подхода позволит получить данные о максимальных концентрациях ЗВ, создаваемых движущимся автотранспортом по конкретной автодороге, что особенно важно для фиксации концентраций диоксидов азота, оксида углерода, бенз(а)пирена, т.к. в каждом городе присутствует довольно большое количество других ИЗА, выбрасываемых эти ЗВ, и учесть вклад автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы.
Обеспечение информации об интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автодорогах городов
Таким образом результаты сводных расчётов загрязнения атмосферного воздуха позволяют получить детальную картину распределения полей максимальных концентраций по всему спектру ЗВ по всей территории города. Данная информация может быть использована, как для совершенствования существующей системы инструментального мониторинга, так и сами результаты расчетов, могут служить основой расчетного мониторинга по всей совокупности примесей, которые выбрасываются в атмосферный воздух всеми ИЗА конкретного города.
Автоматизация системы мониторинга на базе современных информационных технологий с применением средств программно-технического комплекса позволяет реализовать ее эффективное функционирование за счет: - повышения полноты, достоверности и качества информации при ее сборе, архивировании и использовании в процессе управления дорожным движением при принятии решений по экологической безопасности; - расширения диапазона обработки и получения статистической информации при построении экологических прогнозов; - лучшей организации комплекса работ по всему циклу проведения мониторинга и других факторов. При этом обеспечивается выполнение следующих общих задач: - сбор и предварительную обработку первичной экологической информации о состоянии концентрации ЗВ и акустической составляющей от АТП; - передачу, упорядочение и архивирование экологической информации в базе данных на сервере экологической службы; - обработку и выдачу информации административным органам муниципалитетов и районов.
Станции должны давать максимально достоверную информацию об уровне концентраций на репрезентативных участках в местах максимально возможного загрязнения атмосферного воздуха. В противном случае будут приниматься необоснованно дорогостоящие природоохранные мероприятия, которые в лучшем случае будут бесполезны, а в худшем -усугубят экологическую обстановку.
При обосновании мест установки стационарных автоматизированных постов наблюдения наряду с общими характеристиками территории прохождения автодорог необходимо учитывать природные условия - климат, рельеф местности и розу ветров. Выводы по главе 2
Предложены основные принципы организации проведения обследований влияния АТП на качество атмосферного воздуха c использованием геоинформационных систем, включающие: анализ информации интернет-сервисов Яндекс.Пробки, 2Gis, Google.Пробки и др., классификацию автодорог с учетом неблагоприятных направлений ветра с точки зрения создания максимальных приземных концентраций ЗВ, выбор точки наблюдения, определение протяженности, ширины автодороги, обязательный учет при проведении измерений метеоусловий (направления и скорости ветра), фиксацию характеристик АТП (скорость, интенсивность АТС по категориям), количества полос движения, расстояний до ближайших зданий, высотность зданий с одновременными инструментальными измерениями концентраций ЗВ и уровней шума.
Разработана «Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы города Улан-Удэ», позволяющая учесть особенности структуры автопарка г. Улан-Удэ, а именно возраст автопарка и наличие легких коммерческих микроавтобусов и грузовых автофургонов иностранного производства с дизельными двигателями, в отличие от других исследуемых городов РФ. Предложено каждый автотранспортный ИЗА кодировать тремя цифрами, первая из которых означает номер автодороги, вторая – номер прямолинейного участка, третья используется для учета вклада категорий АТС в суммарные выбросы участка.
Разработан и предложен алгоритм проведения расчетов максимальных приземных концентраций от выбросов автотранспорта, состоящий из 9 основных этапов: составление перечня основных автодорог; проведение натурных наблюдения АТП; подготовка электронной топографической карты города с использованием ГИС; определение количества автотранспортных источников загрязнения атмосферы в зависимости от конфигурации автодорог; проведение расчетов выбросов; привязки источников к топографической основе; формирование электронной базы данных; выполнение расчетов загрязнения атмосферного воздуха; анализа результатов расчетов с точки зрения соблюдения гигиенических критериев качества атмосферного воздуха.
Разработан и предложен алгоритм разработки шумовых карт городов. Предлагается, в отличие от традиционного подхода, учитывающего данные инструментальных измерений уровней звука, использовать данные специальных исследований интенсивности и структуры АТП для описания источников шума. Обязательным условием при разработке шумовых карт городов является необходимость учета информации о высотах и конфигурации зданий городов или наличия трехмерных моделей городов. Разработан и предложен алгоритм анализа полей максимальных приземных концентраций и уровней шума от АТП, состоящий из 4-х этапов. Проанализированы с учетом разработанного алгоритма уровни загрязнений и шума в городах Архангельск, Иркутск, Улан-Удэ. Сделан вывод, что выбросы диоксида азота, поступающие от АТС, создают общегородские зоны с повышенным сверх нормативного уровнем загрязнения атмосферного воздуха во всех городах. АТП создают повышенные уровни шума на территориях вблизи первого эшелона жилых зданий, которые превышают санитарные нормы по уровням эквивалентных уровней звука для дневного времени суток на 11 – 18 дБА. В условиях сложившийся застройки, шум, возникающий на проезжей части автодороги, распространяется, в том числе и вглубь жилой застройки.
Предложено использовать ГИС и результаты сводных расчетов загрязнения атмосферы и шумовые карты городов для определения местоположения размещения новых станций мониторинга и контролируемых ЗВ. Обоснованы и определены местоположения дополнительных станций мониторинга в Архангельске (3 станции) и в Улан-Удэ (4 станции). Дополнительно данные станции предлагается оснастить приборами для контроля уровней
В последние 10 лет в связи с активным развитием кроссплатформенных геоинформационных систем (ГИС) в т.ч. свободно распространяемых, появилась возможность проведения исследований и оценки вредного воздействия автомобильного транспорта на новом системном и техническом уровне.
С помощью ГИС можно моделировать влияние и распространение ЗВ от источников выбросов, уровней звукового давления от источников шума, в т. ч. с учетом наличия препятствий на пути распространения звуковой волны и рельефа. Результаты модельных расчетов можно совмещать с цифровыми картографическими материалами, такими как топографические карты жилых массивов города, спутниковыми и аэрофотоснимками, расширяющие область анализа полученных данных.
Возможности ГИС позволяют создавать атрибутивные таблицы, содержащие различную информацию об объектах, например, данные о интенсивности и скорости движения АТП на автодорогах города, значений концентраций и уровней шума. Визуализация и отображение данной информации в виде отдельных слоев в ГИС, позволяет совмещать пространственную информацию и установить взаимосвязь между изменениями характеристик АТП, концентрациями ЗВ и уровнями шума, создаваемых вблизи автодорог.
Приборное обеспечение химического контроля воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов
В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников, существующих методов и выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача – с учетом новых подходов к методическому и информационному обеспечению систем экологического мониторинга химического и физического воздействия автотранспорта на атмосферный воздух городов, основанных на использовании возможностей современных геоинформационных систем (ГИС), модельных расчетов загрязнения атмосферного воздуха, шумовых карт городов, инвентаризации АТП с учетом категорийности АТС, уменьшена неопределенность при выборе оптимальных мероприятий по снижению вклада автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы, что будет способствовать улучшению качества атмосферного воздуха городов.
На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты работы:
1. Сделан вывод, что поход, который используется в настоящее время в РФ, к оценке воздействия АТС на атмосферный воздух, основанный на информации о суммарных значениях выбросов ЗВ (в т/год) в атмосферный воздух городов, которые рассчитываются исходя из количестве АТС, зарегистрированных в конкретном городе, среднегодовом пробеге АТС и усредненных удельных показателях выбросов ЗВ на 1 км пробега, недостаточен и обладает большой степенью неопределенности, т.к. органы статистики и ГБДД не ведут учет пробега отдельного АТС; удельные показатели не учитывают экологический класс АТС, не учитывается распределение по территории города АТС, вклады в общее загрязнение атмосферного воздуха автотранспортных ИЗА.
Существующая система экологического мониторинга дополнена средствами измерения уровней шума, датчиками фиксации характеристик АТП, расчетным мониторингом химического и шумового воздействия с учетом вклада различных категорий автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферного воздуха, которые позволят с использованием современных геоинформационных систем снизить неопределённости и повысить информативность при выработке управленческих решений по уменьшению воздействия автотранспорта и выборе мест размещения постов мониторинга химических (в т.ч. с определением контролируемых примесей) и физических уровней воздействия. Предложен алгоритм, позволяющий на основе модельных расчетов выбрать наиболее эффективное мероприятие для снижения вклада различных категорий автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы. В качестве критерия предлагается использовать разницу в площадях города с различными уровнями загрязнения атмосферы, в долях предельно допустимой концентрации с шагом в 0,1 ПДК. Обоснованы и определены местоположения дополнительных станций мониторинга в Архангельске (3 станции) и в Улан-Удэ (4 станции), которые предлагается оснастить приборами для контроля уровней звука, и фиксаторами интенсивности АТП. Описаны основные требования к средствам измерения: суммарная погрешность измерения концентраций ЗВ не должна превышать 25%; погрешность измерения уровней звука ± 1 дБА; точность подсчета АТС не менее 90%; погрешность измерения скорости АПТ ± 5,0 км/час.
2. Впервые получены результаты, которые говорят о зависимостях изменения концентраций и уровней шумового воздействия от интенсивности, скорости движения, а также структуры АТП в городах Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск. АТП с интенсивностью движения около 1800 авт./час создает повышенные уровни загрязнение атмосферного воздуха и шума вблизи жилой застройки на расстоянии 40-50 м. Увеличение вклада грузовых и дизельных АТС, а также интенсивности АТП на 1000 единиц, уплотнение прилегающей к автодороги застройки приводит к увеличению максимальных приземных концентраций по диоксиду азота более чем в 3 раза, оксиду углерода более чем 6 раз, эквивалентных уровней звука от 3 до 13 дБА. Скорость АПТ 50-60 км/ч является оптимальной с точки зрения соблюдения гигиенических критериев качества атмосферного воздуха. При малых скоростях движения АТП (менее 10 км/ч) значения максимальных приземных концентраций оксида углерода могут достигать более 2-х ПДК при интенсивности движения 3 800 авт./час.
3. Впервые выполнены экспериментальные и теоретические исследования по вкладу автотранспорта в суммарный уровень загрязнения атмосферы и построены карты полей распространения максимальных приземных концентраций и уровней шума для гг. Улан-Удэ, Архангельск, Иркутск. Рассчитаны коэффициенты корреляции между расчетными и измеренными значениями концентраций оксид углерода, оксидов азота на линейных участках автодорог, которые составили R = 0,61 и R = 0,46 соответственно, что говорит о положительной умеренной связи. Получены зависимости измеренных эквивалентных уровней звука от интенсивности АТП на линейных участках автодорог - связь между данными параметрами оценивается как слабая, коэффициент корреляции составил R = 0,49. Сделан вывод, что выбросы диоксида азота, поступающие от АТС, создают общегородские зоны с повышенным сверх нормативного уровнем загрязнения атмосферного воздуха во всех исследуемых городах. На территориях вблизи первого эшелона жилых зданий АТП создают повышенные уровни шума, которые превышают санитарные нормы по уровням эквивалентных уровней звука для дневного времени суток на 11 – 18 дБА. В условиях сложившийся застройки, шум, возникающий на проезжей части автодороги, распространяется, в том числе и вглубь жилой территории.
4. Разработана «Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы города Улан-Удэ», учитывающая особенности автомобильного парка (возраст, структуру, интенсивность и скорость движения АТП на автодорогах г. Улан-Удэ), современные требования на ограничение выбросов автотранспорта, требования к качеству моторных топлив, действующих на территории РФ. Разработанная методика позволяет снять неопределенности о вкладе автотранспорта в суммарное загрязнение атмосферного воздуха г. Улан-Удэ, учитывает региональные особенности автопарка Республики Бурятия, и именно наличие грузовых «праворульных» АТС, а также легких коммерческих микроавтобусов и грузовых автофургонов иностранного производства возрастом более 10 лет в отличие от «Методики определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов», утвержденной приказом Госкомэкологии России № 66 от 16 февраля 1999 года. Использование разработанной методики в практике атмосфероохранной деятельности позволит повысит информативность при выработке решений по улучшению качества атмосферного воздуха.