Научно-методические основы оценки воздействия автотранспорта на атмосферный воздух

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 25.00.36. Геоэкология по техническим наукам

Научно-методические основы оценки воздействия автотранспорта на атмосферный воздух

Волкодаева Марина Владимировна

Санкт-Петербург - 2009



Работа выполнена на кафедре "Приборы контроля и системы экологической безопасности" Северо-Западного государственного заочного технического университета (СЗТУ).

Научный консультант доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Воронцов Александр Михайлович

доктор географических наук, профессор Мазуров Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор, Заслуженный эколог Рогалев Виктор Антонович

Ведущая организация Научно-исследовательский институт проблем транспорта РАН

Ученый секретарь диссертационного совета Иванова И.В.



1. Общая характеристика работы

атмосферный воздух выброс автотранспорт

Актуальность работы

Быстрый рост численности автомобильного парка усиливает сопутствующие автомобилизации негативные процессы, особенно остро проявляющиеся в крупных городах. Во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами стационарных источников, к таким городам относятся, в первую очередь: Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Омск, Ростов-на-Дону и др. Опасность автотранспорта, как источника загрязнения атмосферы усугубляется еще и тем, что вредные вещества поступают в воздух практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к наиболее опасным источникам загрязнения, для оценки воздействия которого на атмосферный воздух необходим научно обоснованный подход.

Требования к качеству атмосферного воздуха отличаются от экологических требований ко многим другим компонентам среды обитания тем, что для большинства жителей городов выполнение этих требования в индивидуальном порядке практически невозможно. Атмосферный воздух, как никакой другой компонент среды обитания, требует управления действиями по его охране на уровне городов и других населенных пунктов.

Данная работа посвящена проблемам оценки выбросов и загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта и возможным путям решения данной проблемы. В работе проанализировано состояние загрязнения воздуха в различных городах, разработаны методы оценки выбросов автотранспорта, как суммарных годовых, так и максимальных; предложена методология оценки эффективности технических, организационно-градостроительных мероприятий по снижению выбросов автотранспорта для улучшения качества атмосферного воздуха.

В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1987-2008 годах исследований в области создания научно-методических основ оценки воздействия автотранспорта на атмосферный воздух.

Целью работы является повышение качества атмосферного воздуха путем разработки методологии и методов расчета выбросов автотранспорта и создание научно-методических основ оценки их воздействия на атмосферный воздух.

Задачи исследования:

- обоснование на основе теоретических и экспериментальных исследований использования методики расчета загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта;

- разработка методики расчета годовых выбросов вредных (загрязняющих) веществ (ЗВ) от автотранспорта и апробация ее на примере различных регионов РФ;

- совершенствование методики обследования структуры и интенсивности атранспортного потока и расчета выбросов ЗВ на городских автомагистралях различных городов;

- проведение натурных обследований состава и интенсивности автотранспортных потоков в городах РФ;

- расчет загрязнения атмосферного воздуха различными примесями, как вблизи отдельных магистралей, так и по городу в целом;

- анализ влияния выбросов автотранспорта на уровень загрязнения атмосферного воздуха вблизи отдельных автомагистралей;

- анализ полей расчетных концентраций примесей в городах с различной интенсивностью движения автотранспорта;

- анализ эффективности мероприятий по снижению выбросов автотранспорта с целью достижения нормативов качества атмосферного воздуха;

- разработка методики расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух;

- разработка методологии оценки эффективности технических и организационно-градостроительных мероприятий по снижению вклада автотранспорта в загрязнение атмосферного воздуха и обоснование применения данной методологии на конкретных примерах.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являются выбросы автотранспорта, загрязнение атмосферного воздуха в городах Российской Федерации. Оценка загрязнения атмосферного воздуха и выводы о необходимости разработки технических и организационно-технических мероприятий по снижению выбросов автотранспорта основываются на анализе концентраций примесей, полученных расчетным и инструментальным способами.

Нормативно-информационная база

Законодательные нормативные акты Российской Федерации, международные нормативные акты, стандарты качества атмосферного воздуха населенных мест, отчеты о выполнении научно-исследовательских и изыскательских работ, периодические издания, книги, статьи отечественных и зарубежных авторов, диссертации, материалы научных конференций и др.

Научная новизна диссертационной работы состоит в комплексном решении проблемы оценки воздействия автотранспорта на атмосферный воздух, включающее:

- создание научно-методических основ оценки эффективности технических и организационно-градостроительных мероприятий по снижению выбросов автотранспорта с целью достижения нормативов качества атмосферного воздуха;

- разработку методологии расчета максимальных выбросов вредных (загрязняющих) веществ от автотранспортных потоков на городских автомагистралях и перекрестках с учетом изменений экологических характеристик различных категорий автотранспортных средств в соответствии с действующими европейскими стандартами на территории РФ;

- обоснование на основе теоретических и экспериментальных исследований использования математической модели, лежащей в основе единственного утвержденного общесоюзного документа по расчету рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе «ОНД-86», для расчета загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта.

- разработку методика расчета годовых выбросов ЗВ в атмосферный воздух от автотранспорта с учетом возрастной структуры автомобильных парков регионов, среднегодовых пробегов различных категорий автотранспортных средств, площади территорий, густоты дорог с твердым покрытием, плотности населения.

- расчетные оценки и анализ воздействия выбросов автотранспорта на воздушный бассейн ряда городов РФ в условиях постоянно увеличивающейся интенсивности движения автотранспортных потоков и с учетом вводимых на территории РФ современных международных требований на ограничение выбросов автотранспорта.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Методология оценки эффективности технических и организационно-градостроительных мероприятий по снижению выбросов автотранспорта - необходимый инструмент для принятия управленческих решений с целью улучшения качества атмосферного воздуха, позволяющая спрогнозировать результаты тех или иным мероприятий и выбрать из них наиболее оптимальный.

Результаты выполненных исследований представляют интерес для природоохранных органов; органов государственной власти; органов местного самоуправления; проектных организаций, разрабатывающих проекты транспортной инфраструктуры и генеральных планов развития городов; фирм, занимающихся оценкой воздействия хозяйственной деятельности на атмосферный воздух и экологическим мониторингом.

Результаты научных исследований послужили основой для разработки методических документов по охране атмосферного воздуха, в том числе "Методического пособия по расчету, нормированию и контролю выбросов", рекомендованному к применению на территории России. Ряд методик ("Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга", "Методика расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух Санкт-Петербурга", "Методика по проведению сводных расчётов на основе компьютерного банка данных о выбросах вредных (загрязняющих) веществ «Системы Эколог-город Санкт-Петербург»") утверждены распоряжением Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга.

Расчеты выбросов и полей приземных максимальных концентраций примесей послужили основанием для разработки комплекса мер по борьбе с загрязнением воздуха автотранспортом в гг. Санкт-Петербург, Сыктывкар, Астрахань, Архангельск и др. Результаты работы использовалась в сводных томах «Охрана атмосферы и нормативы ПДВ» для вышеперечисленных городов.

Достоверность результатов и выводов диссертации.

Достоверность полученных результатов подтверждается полнотой используемого фактического материала (данные наблюдений стационарных постов Государственной службы наблюдений за состоянием окружающей среды; данные экспедиционных измерений за концентрациями примесей вблизи отдельных автомагистралей; данные расчетных концентраций примесей, полученные на основании реальных обследований состава и интенсивности транспортных потоков в различных городах РФ; данные натурных обследований состава и интенсивности автотранспортных потоков в различных городах РФ; статистическая информация об автомобильных парках всех регионов Российской Федерации), а также высокими коэффициентами корреляции между расчетными и инструментальными значениями концентраций ЗВ.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на всероссийских и международных конференциях, семинарах, симпозиумах в 2000-2008 гг.: Третьей Международной Евроазиатской конференции по транспорту, (Санкт-Петербург, 12-15 сентября 2003 г.), Международной научно-технической конференции “Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей” (Санкт-Петербург, 22-24 марта 2005г.), семинаре "Современные проблемы нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в отраслях промышленности и транспорта" (Нижневартовск, декабрь, 2005), Международной конференции "Приборостроение в экологии и безопасности человека»" (Санкт-Петербург, 31.01-02.02.2007 г.), Международной научно-практической конференции «Информационные технологии как основа управления в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды» (Санкт-Петербург, 29-30 ноября 2007 г.), 11-й Всероссийской конференции "Нормативно-методическое, техническое и информационное обеспечение воздухоохранной деятельности "Атмосфера-2008" (Санкт-Петербург, февраль); II международном конгрессе "Безопасность на дорогах ради безопасности жизни" ( Санкт-Петербург, сентябрь); семинаре - слушании «Гигиеническое, технологическое и экологическое нормирование выбросов в атмосферу: область применения, система контроля и этапы внедрения» (Евпатория, сентябрь-октябрь), Втором Международном Невском конгрессе (Санкт-Петербург, декабрь).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 47 научных работ, из них 2 монографии, в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий - 10 статей.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений.

Основная часть диссертации изложена на 320 страницах машинописного текста, включая 75 рисунков, 87 таблиц.,4 приложения.



2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, анализируется предмет исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается характеристика автотранспорта с точки зрения загрязнения атмосферного воздуха, анализируются выбросы автотранспорта и тенденции их изменения. Средний уровень автомобилизации в нашей стране на конец 2007 г. достиг 250 автомобилей на 1000 жителей, по легковым автомобилям - 207 ед. на 1000 жителей. В крупных городах он значительно выше: в Москве на 1000 жителей приходится более 350 автомобилей, в том числе легковых - почти 300. Сравним эти показатели с данными ООН: в США - 800 машин на тысячу жителей, Франция и Германия - 600, Великобритания - 550, Нидерланды - более 500, Белоруссия - 200.

Мировым парком автомобилей ежегодно выбрасывается в атмосферу свыше 300 млн. тонн загрязняющих веществ, в том числе: оксида углерода - 260 млн. т; летучих органических соединений - 40 млн. т; оксидов азота - 20 млн. т.

В 2006 году выбросы ЗВ в атмосферный воздух от автотранспорта на территории Российской Федерации - 15,3 млн.т. Несмотря на рост автомобильного парка и объемы грузоперевозок в 2006 г., впервые за последние 15 лет имело место абсолютное снижение массы выбросов загрязняющих веществ - на 1,7% по сравнению с предыдущим годом. Это обусловлено постепенным обновлением и улучшением “экологической” структуры парка.

Во многих городах мира концентрации вредных веществ в воздухе, создаваемые выбросами автотранспорта, превышают стандарты качества атмосферного воздуха. Одним из самых грязных городов мира признан также Пекин, в атмосфере которого зафиксирована самая высокая концентрация диоксида азота и других вредных веществ. Самым чистым признан город Калгари в Канаде, на втором месте - Гонолулу, на третьем - Хельсинки.

К основным загрязняющим компонентам в отработавших газах (ОГ) автомобилей относятся: оксид углерода (СО), углеводороды (C_xH_y), оксиды азота (NО_x) и сажевый аэрозоль.

Наибольшее количество вредных примесей в отработавших газах содержится при режимах холостого хода и полных нагрузок. Наибольшее количество выбросов оксида углерода и углеводородов поступает в атмосферу при малых скоростях движения автомобиля. При достижении скорости 40 км/час выбросы углеводородов практически не меняются. Выбросы оксида углерода постепенно понижаются с увеличением скорости движения. Минимальное количество окислов азота автомобиль выбрасывает при скорости 60-70 км/час. Наименьшее количество оксида углерода, углеводородов и окислов азота выбрасывается автомобилями при температуре окружающей среды 20 ^оС.

Информация об удельных выбросах единичного автомобиля с различными типами двигателей необходима для разработки мероприятий по снижению выбросов, тех либо иных веществ. Если в городе или в районе магистралей наблюдается повышенное содержание сажи в воздухе, мероприятия по снижению выбросов должны, в первую очередь, касаться дизельных автомобилей. Оснащение бензиновых двигателей катализаторами значительно уменьшает выбросы углеводородов и оксидов азота. Следовательно, в городах с большими уровнями загрязнения воздуха этими веществами, как одну из мер снижения выбросов автотранспорта, можно предложить - оснащение катализаторами карбюраторных автомобилей.

Длительное вдыхание загрязненного воздуха оказывает отрицательное воздействие на здоровье населения. Воздействие СО на центральную нервную систему проявляется в изменении цветовой чувствительности глаз - возрастает вероятность аварий. На организм человека NO₂ действует как раздражитель (концентрация до 15 мг/м³) и может вызывать отёк лёгких при концентрации 200-300 мг/м³. Токсичность газообразных низкомолекулярных углеводородов проявляется в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность ДТП. Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах двигателей, являются канцерогенными (вызывают рак лёгких), из которых наибольшей активностью обладает бенз(а)пирен. Оксиды серы при малом содержании (0,001%) вызывают раздражение дыхательных путей, при содержании 0,01% происходит отравление людей за несколько минут. Смесь SO₂ и CO при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма.

В РФ используются следующие гигиенические нормативы содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе:

предельно допустимая максимальная разовая концентрация загрязняющего вещества (ПДК_МР) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, не вызывающая при вдыхании в течение 20 минут рефлекторных реакций в организме человека;

предельно допустимая среднесуточная концентрация (ПДК_СС) - концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного воздействия при неограниченно долгом (годы) вдыхании;

ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ) - срок действия которого установлен постановлением Главного государственного врача Российской Федерации.

Приводятся ПДК для атмосферного воздуха населённых мест вредных (загрязняющих) веществ, выбрасываемых автотранспортом. Также даны существующие и вступающие в силу стандарты качества атмосферного воздуха Европейского союза (ЕС). В европейских стандартах используется часовое осреднение концентраций, а не 20-ти минутное, как в России. Соответственно и модели расчета загрязнения атмосферного воздуха, использующиеся в ЕС, ориентированы на предсказание часовых концентраций. При расчете среднегодовых концентраций это не существенное различие, однако, при оценке высоких процентилей они могут быть несколько заниженными по сравнению с соответствующими результатами российских моделей.

Во второй главе анализируются современные подходы к расчету выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта и методам оценок загрязнения атмосферного воздуха, описывается методика исследования.

Для расчета годовых выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в Европейском союзе действует единый подход, который развивается под руководством Европейского Агентства по Окружающей Среде.

Расчет выбросов проводиться для 12-16 категорий автомашин. Движение распределяется на три вида: в городских условиях, в сельских районах и на автострадах. Методология включает расчет выбросов от выхлопных систем по следующим загрязняющим веществам (ЗВ): CO, NО_x, НМЛОС, CH₄, CO₂, N₂O, NH₃, SО_x, твердых частиц, содержащихся в выбросах дизельных двигателей (PM), ПАУ и СОЗ, диоксины и фураны, а также тяжелые металлы, содержащиеся в топливе (свинец, кадмий, медь, хром, никель, селен, цинк).

Даются удельные коэффициенты выбросов для различных стран Европы, парк автомашин по странам Европы, среднегодовые пробеги по каждой категории автомашин.

Для расчета выбросов автотранспорта, находящегося на территории предприятия, на автомагистралях и по городу в целом в РФ используются различные методики.

Методика, разработанная Научно-исследовательским институтом автомобильного транспорта (НИИАТ) в 1993 г., предназначена для оценки выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух по городу в целом. Учитывается выброс: оксида углерода - СО; углеводородов - C_xH_y; оксидов азота - в пересчете NO_x, твердых частиц - С (сажа); диоксида серы - SO₂; соединений свинца - Рb (только для регионов, где используется этилированный бензин).

Методика оценивает выбросы загрязняющих веществ от легковых, грузовых автомобилей и автобусов. Методика предусматривает отдельные подсчеты выбросов при движении АТС по территории населенных пунктов и вне территории населенного пункта на основе пробеговых выбросов и суммарном пробеге. Приводятся пробеговые выбросы ЗВ всеми группами автомобилей при различных режимах движения.

Делается вывод, что данная методика требует уточнения с учетом изменений, прошедших в нашей стране за эти годы в составе парков автомобилей.

К настоящему времени разработано большое число моделей, отличающихся друг от друга как подробностью описания загрязнения воздуха, так и объёмом используемой метеорологической, орографической и др. информации, а также информации, характеризующей выбросы вредных веществ. Общим для всех обсуждаемых ниже методов является то, что в качестве источника выбросов загрязняющих веществ, параметры которого используются в расчетных схемах, рассматриваются не отдельные автомобили с работающими двигателями (движущиеся или стоящие на месте), а совокупности автомобилей, движущихся или располагающихся на некоторой территории. Ни одна из этих моделей не рассматривает автомобиль как источник выброса с изменяющимся со временем положением на местности.

Для расчета загрязнения воздуха выбросами автотранспорта за рубежом используются различные версии гауссовских моделей: американские модели HIWAY-2, CALINE-4 (California Line Source Model), GM (General Motors), GFLSM (General Finite Line Source Model), финская модель - CAR-FMI (Contaninants in the Air from a Road, by the Finnish Meteorological Institute) шведский программный комплекс AIRVIRO; словацкая модель - AUTOMOD венгерские модели - HNS-ROAD, HNS-ISAQ эстонская AEROPOL, польская EK 100W и др.

Гауссовский подход по сути является сугубо эмпирическим, что препятствует обобщению его результатов в целом ряде практически важных случаев. Также в гауссовской модели не учитывается зависимость диффузионных коэффициентов от высоты источника, поэтому она позволяет описывать приземное поле концентраций примеси от источника только фиксированной высоты.

Классическая гауссова модель для приземной концентрации может быть записана в виде:

(1)

где M - мощность выброса, x, y, z - координаты расчетной точки в системе координат с началом в точке проекции источника на поверхность и ориентированной по среднему ветру;

u - средняя скорость ветра (обычно часовое осреднение);

Н - эффективная высота источника;

_y(x), _z(x) - средние квадратические отклонения в поперечном направлении и по вертикали.

Другой подход уже много лет практикуется в России и считается более устойчивым по отношению к ошибкам исходных данных. Расчеты загрязнения атмосферного воздуха, как от промышленных, так и от автотранспортных источников выбросов проводятся по математической модели, лежащей в основе единственного утвержденного общесоюзного документа по расчету рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе «ОНД-86». Использование этой расчетной схемы позволяет учесть степень неблагоприятности местных климатических условий рассеивания атмосферных примесей, влияние рельефа местности и прилегающей застройки.

В России также был разработан экологический программный комплекс «ZONE». В данный программный комплекс в виде модулей вошли: модель расчета концентраций примеси на заданной высоте (или концентраций в произвольной точке пространстве) по методике EPA-US, основанной на гауссовском распределении концентраций; модель расчета факела приземной концентрации примеси (или концентраций в произвольной точке пространстве) по методике ОНД-86; стохастическая модель расчета концентрации примеси в трехмерной области с учетом застройки методом Монте-Карло - диффузии частиц, основанной на использовании лагранжевого подхода к описанию динамики атмосферной турбулентности.

Далее показаны подход к выполнению исследования и характеристика использованного материала. Описываются существующие методы оценок характеристик атмосферного воздуха выбросами автотранспорта, к которым относятся: натурные измерения; моделирование в аэродинамических трубах; расчетные. Каждый из этих методов обладает рядом как достоинств, так и недостатков.

Натурные измерения широко используются для диагноза влияния на качество атмосферного воздуха выбросов различных веществ и позволяют получать оценки значений изучаемых показателей загрязнения воздуха непосредственно в конкретных условиях рассматриваемой местности. Приводятся сведения о специальных наблюдениях за уровнем загрязнения атмосферного воздуха вблизи наиболее загруженных перекрестков и автомагистралей, которые были проведены в основном в Санкт-Петербурге и Архангельске. Максимальные приземные концентрации диоксида азота во всех точках измерения в г.Санкт-Петербурге достигали более 3 ПДК, оксида углерода - более 5 ПДК. Наибольшее значение концентрации по диоксиду азота вблизи перекрестков г.Архангельска составляло 1,1 ПДК, по оксиду азота - 2,5 ПДК, по оксида углероду достигало 6,6 ПДК.

Проанализированы зависимости значений концентраций оксида азота, диоксида азота, диоксида серы и оксида углерода, полученных в результате инструментальных измерений в районе перекрестков, от длины очереди автотранспорта, образующейся перед перекрестком в ожидании разрешающего сигнала светофора и от интенсивности движения на линейных участках автомагистралей. С увеличением очереди автотранспорта перед перекрестком длиной более 50 м, значения концентрации оксида углерода заметно увеличиваются, зачастую превышая значение 1 ПДК. При длине очереди около 200-250 м концентрации оксида углерода в 50% случаев превышают 1 ПДК, достигая значений 2-2,5 ПДК. С увеличением интенсивности движения, концентрации диоксида азота и оксида углерода также пропорционально увеличиваются.

Натурные измерения позволяют создать базу для развития других методов и являются единственным средством их объективной верификации. Наиболее существенным недостатком является тот, что натурные измерения не позволяют дать прогноз изменения качества воздуха в результате воздействия на выбросы.

Методы моделирования загрязнения атмосферы в аэродинамических трубах обладают большей гибкостью по сравнению с натурными измерениями и могут быть использованы не только для диагноза состояния загрязнения атмосферы, но и для моделирования его изменения в результате изменения воздействий на воздушный бассейн, в частности, в результате изменения планировки территории.

Основным недостатком этих методов являются трудности, связанные с применением результатов, полученных в аэродинамических трубах, для описания реальной атмосферы, ввиду невозможности всеобъемлющего моделирования сложных атмосферных процессов, в частности, атмосферной турбулентности в ограниченном пространстве аэродинамических труб.

К сожалению, в нашей стране практически не поставлены работы по сертификации методов аэродинамического моделирования при оценках качества атмосферного воздуха, и нет нормативно защищенных методов этого типа.

Расчетные методы оценки показателей загрязнения атмосферы и их связей с совокупностями влияющих на них факторов получили наибольшее распространение в силу своей доступности, гибкости и универсальности.

Как уже говорилось выше, на Западе применяются схемы расчета полей актуальных концентраций веществ, которые включают в себя многостороннее математическое моделирование гидротермодинамических процессов и процессов рассеивания примесей в пограничном слое атмосферы.

Для того чтобы можно было во всей полноте использовать возможные достоинства таких моделей: полноту и точность описания ситуации, в них нужно вводить в качестве исходной достаточно полную и точную информацию о состоянии погранслоя атмосферы. Регулярные наблюдения такого сорта ведутся буквально в считанных местах на территории РФ (Обнинск, Останкино). Типизация исходной информации, необходимо приводит к ее огрублению, т.е. делает бессмысленным применение сложной модели по сравнению с более простыми проверенными методами. Таким образом, использование моделей указанного типа нецелесообразно, т.к. предполагаемее достоинства невозможно использовать в силу недостаточности имеющихся метеонаблюдений для использования в качестве исходных данных и проверки моделей.

Оценка характеристик качества воздуха является одной из важных составных частей схемы установления нормативов предельно-допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, т.к. именно по результатам сравнения таких оценок с критериями качества воздуха можно проверить соответствие нормируемых характеристик выбросов требованиям экологической допустимости их воздействия на окружающую среду. Для того, чтобы установленные нормативы выбросов имели статус обязательных к выполнению, в процессе их разработки должны быть использованы не только нормативные критерии качества воздуха, но и методы оценок загрязнения атмосферы, имеющие статус нормативных.

В РФ при нормировании выбросов загрязняющих веществ в атмосферу используется методика расчета "ОНД-86" в сочетании с методами натурных измерений концентраций веществ. Использование методики "ОНД-86" для оценки загрязнения воздуха выбросами автотранспорта позволяют проводить совместные расчеты влияния на качество приземного слоя воздуха выбросов автотранспорта и промышленности.

В целях изучения закономерностей распространения примесей, проверки и уточнения формул для расчета рассеивания примесей от автомагистралей проводились специальные эксперименты. Диссертант принимала участие в ряде экспериментов (советско-американский «Автоэкс-88», «Автоэкс-89», комплексный Ленинградский эксперимент), а также в обработке и анализе материалов, в том числе и других экспедиций.

В таблице 1 представлены нормированные на выброс максимальные значения концентраций оксида углерода q/м (с/м²) в зависимости от расстояния до магистрали, полученные в результате численного эксперимента и экспедиционных наблюдений. Как видно из таблицы расчетные значения максимальных концентраций хорошо согласуются с экспериментом. Наибольшие значения концентраций соответствуют наименьшему расстоянию от магистрали. При численных экспериментах параметры магистралей, интенсивность движения и метеоусловия соответствовали натурным исследованиям вблизи магистралей Донецк - Мариуполь и Донецк - Макеевка.

Таблица 1. Зависимость максимальных нормированных на выброс концентраций оксида углерода от расстояния до магистрали при направлении ветра вдоль магистрали скоростью до 1 м/с

Магистраль		Расстояние (х)
		5	10	20	40	60
Донецк -	эксперимент	0,29	0,26	0,21	0,14	0,09
Мариуполь	Расчет	0,22	0,20	0,18	0,14	0,10
Донецк -	Эксперимент	0,17	0,15	0,12	0,08	0,05
Макеевка	Расчет	0,18	0,17	0,16	0,12	0,08

Также было отмечено удовлетворительное согласование концентраций диоксида азота и оксида углерода вблизи автомагистралей в Санкт-Петербурге, рассчитанных по "ОНД-86" и измеренных на постах наблюдений (табл.2). Коэффициент корреляции между рассчитанными и измеренными концентрациями составил R=0,7.

Таблица 2. Значения максимальных концентраций СО (мг/м³), полученные при расчете и эксперименте в районе магистралей Санкт-Петербурга (ПДК_СО = 5 мг/м³)

	Значения концентраций СО, мг/м3
Расчет	5-10	11-15	16-20	21-25	26-55
Эксперимент	3,8-8,1	8,2-18,7	5,0-12,1	5,2-9,3	5,5-32,5

В целях дополнительной проверки возможности использования формул расчетной схемы ОНД-86 для расчета загрязнения воздуха выбросами автотранспорта автором на примере г. Санкт-Петербурга была проведена работа по сравнению значений концентраций, полученных в ходе инструментального мониторинга за 2003 год на автоматических станциях измерения загрязнения воздуха (АСИЗВ) г. Санкт-Петербурга, предусматривающих непрерывный контроль за уровнем концентраций основных примесей в атмосферном воздухе, и расчетных значений максимальных концентраций диоксида азота в расчетных точках, характеризующих место расположения автоматических станций при соответствующих метеоусловиях. Коэффициент корреляции между расчетными и инструментальными значениями концентраций диоксида азота на АСИЗВ-3 составил R=0,69 на АСИЗВ-4 R=0,72.

Таким образом, использование расчетной схемы "ОНД-86" позволяет проводить оценку влияния выбросов автотранспорта на загрязнение атмосферного воздуха с достаточно высокой степенью достоверности. В данной работе автор предлагает для оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта использовать математическую модель, лежащую в основе единственного утвержденного общесоюзного документа по расчету рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе «ОНД-86».

В соответствии с этой моделью уровень загрязнения воздуха выбросами вредных веществ из непрерывно действующих источников определяется по наибольшему рассчитанному значению разовой приземной концентрации (С_м), которая устанавливается на некотором расстоянии (Х_м) от места выброса при неблагоприятных метеорологических условиях, когда скорость ветра достигает опасного значения (U_м) (для низких и холодных источников, какими являются автомобили, U_м составляет 0,5-1 м/с) и в приземном слое происходит интенсивный турбулентный обмен. Наибольшая суммарная концентрация вредной примеси С_м (мг/м³) от близко расположенных друг к другу на площадке одинаковых источников (например, при учете выбросов автотранспортных средств на отдельных участках автомагистралей) при T0 определяется по формуле:

, (2)

где T - разность между температурой выбрасываемой газовоздушной смеси Т_г и температурой окружающего атмосферного воздуха Т_в, в случае автотранспортных выбросов T0;

А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;

М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (г/с), в случае автотранспортного потока - масса вещества, выбрасываемого группой автомобилей, образующих поток;

F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость гравитационного оседания твердых частиц (пыли) в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность, при расчете рассеивания в атмосфере сажи при работе двигателей передвижных транспортных средств рекомендуется принимать значения параметра F = 1;

m' - безразмерный коэффициент, равный 0,9;

- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, = 1;

Н - высота неорганизованного источника выброса над уровнем земли.

В третьей главе представлена методика расчета годовых выбросов автотранспорта в регионах РФ. Предлагается рассчитывать выбросы ЗВ от основных категорий автотранспорта (легковых, грузовых, автобусов) с учетом регионального распределения автомобильных парков по территории Российской Федерации и использованием соответствующих значений пробеговых показателей выбросов загрязняющих веществ и значений среднегодовых пробегов основных категорий автотранспортных средств (АТС).

Показано, что в среднем по РФ основной вклад в суммарное количество автотранспорта вносят легковые автомобили (79%). Вклад грузовых автомобилей составляет 18%, из которых 58% - грузовые автомобили с бензиновым типом двигателя. Вклад автобусов в среднем составляет 3%, из которых 78% - автобусы с бензиновым типом двигателя. Возрастная структура легкового, грузового и автобусного автомобильных парков Российской Федерации выглядит следующим образом. Количество легковых автомобилей с возрастом старше 10 лет в среднем по РФ составляет 54% от общего количества легковых автомобилей, количество легковых автомобилей с возрастом от 10 до 5 лет составляет 27%, количество легковых автомобилей с возрастом меньше 5 лет - 18%. Количество грузовых автомобилей с возрастом старше 10 лет в среднем по Российской Федерации составляет 64% от общего количества грузовых автомобилей, количество грузовых автомобилей с возрастом от 10 до 5 лет составляет 23%, количество грузовых автомобилей с возрастом меньше 5 лет - 12%.

Далее описывается методика расчета суммарных годовых выбросов ЗВ. Предлагается выполнять расчет для веществ: SO₂ - диоксид серы; NO_x- оксиды азота (в пересчете на NO₂); ЛОСНМ - неметановые летучие органические соединения; СО - оксид углерода; C- твердые частицы в пересчете на углерод (сажа).

Суммарные выбросы i-го загрязняющего вещества от легковых автомобилей, грузовых автомобилей и автобусов при эксплуатации на территории k-го региона Российской Федерации М^Л_ik, М^Г_ik и М^А_ik рассчитываются с учетом удельного пробегового выброса i-го ЗВ (г/км) и среднегодового пробега соответствующей категории АТС (тыс.км).

Определены и представлены значения пробеговых выбросов i-го загрязняющего вещества для легковых, грузовых автомобилей и автобусов для каждого региона Российской Федерации, исходя из возрастной структуры автомобильного парка каждого региона и соответствия автомобилей международным экологическим стандартам качества, действующим на территории Российской Федерации.

Для определения среднегодовых пробегов легковых автомобилей, грузовых и автобусов использовались "Методическое руководство по определению стоимости автотранспортных средств с учетом естественного износа и технического состояния на момент предъявления (РД 37.009.015-98, также учитывалась площадь территорий, густота дорог с твердым покрытием, плотность населения. Для сравнительной оценки величин среднегодовых пробегов была использована информация о среднегодовом пробеге различных категорий АТС в странах ЕС.

Для определения среднегодового пробега легковых автомобилей в каждом k-ом регионе вся территория Российской Федерации, в связи с различием дорожно-климатических условий, условно разделена на три зоны по степени интенсивности эксплуатации легковых автомобилей. Определены и приведены значения среднегодовых пробегов легковых автомобилей для каждого региона Российской Федерации.

Для определения значений среднегодового пробега грузовых автомобилей каждого региона все регионы Российской Федерации были условно разделены на 3 группы в зависимости от плотностью дорог с твердым покрытием и площади территорий. Определены и представлены значения среднегодовых пробегов грузовых автомобилей для каждого региона Российской Федерации.

Для определения значений среднегодового пробега автобусов каждого региона все регионы Российской Федерации условно разделены на 4 группы в зависимости от плотности населения и плотности дорог с твердым покрытием. Определены и представлены значения среднегодовых пробегов автобусов для каждого региона Российской Федерации.

Автор приводит оценку выбросов автотранспорта в различных регионах РФ, оосновываясь на вышеизложенном подходе. Суммарный выброс основных загрязняющих веществ за 2005 год в целом по стране составил около 15 млн.тонн, из которых около 10 млн.тонн - оксида углерода; 3,1 млн.тонн - оксидов азота - в пересчете NO₂; около 1,6 млн.тонн - летучих органических соединений; 170 тыс.тонн - диоксида серы и 50 тыс. тонн - твердых частиц в пересчете на углерод (сажа). Наибольшие вклады в суммарные годовые выбросы вносят Центральный ФО (27%) и Приволжский ФО (20%), наименьшие вклады - Уральский ФО (9%) и Дальневосточный ФО (5%). (рис. 11). Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспорта распределены следующим образом: оксид углерода - 67,3%, оксиды азота - 20,3%, летучие органические соединения (ЛОС) - 11,0%, диоксид серы - 1,1%), %, твердые вещества - 0,3 % (рис. 12).



Рис. 1. Распределение суммарных годовых выбросов автотранспорта за 2005 г. по федеральным округам РФ

Рис. 2. Вклады основных загрязняющих веществ в суммарные выбросы от автотранспорта регионов РФ

Значительный вклад выбросов от автотранспорта в валовые выбросы по региону отмечались в Москве, Краснодарском крае, Московской, Ростовской областях и др. Приоритетный список городов с наибольшими выбросами ЗВ от автотранспорта, превышающими 100 тыс.т/год, показан в таблице 3.

Проведено сравнение значений суммарных выбросов ЗВ автотранспорта, полученные различными методами.

В главе четыре развита методология оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта, которая включает:

- проведение натурных обследований состава, интенсивности, скорости автотранспортных потоков, как на отдельных автомагистралях и перекрестках, так и по городу в целом;

- определение качественного и количественного состава автомобильных выбросов;

- проведение расчетов загрязнения атмосферного воздуха примесями, содержащимися в выбросах автотранспорта;

- анализ результатов расчетов загрязнения атмосферного воздуха с точки зрения соответствия гигиеническим критериям качества атмосферного воздуха.

Таблица 3. Список городов с выбросами от автотранспорта более 100 тыс. т/год

N			В том числе
п/п	Город	Всего	оксид углерода	оксиды азота	ЛОС
1.	Москва	1233,0	811,5	252,8	151,8
2.	Санкт-Петербург	500,9	333,4	100,3	60,7
3.	Екатеринбург	201,2	127,5	25,3	30,6
4.	Волгоград	186,5	123,5	39,5	20,4
5.	Уфа	146,7	96,8	30,0	17,7
6.	Нижний Новгород	144,2	99,8	27,1	15,4
7.	Омск	142,15	107,2	18,9	15,1
8.	Самара	136,2	28,7	89,9	15,4
9.	Ростов-на-Дону	119,8	80,3	24,2	13,5
10.	Челябинск	119,7	79,7	24,8	13,4
11.	Краснодар	113,1	79,0	20,3	12,6
12.	Воронеж	102,4	73,7	16,8	11,1
13.	Красноярск	102,0	67,6	21,0	11,9

Целью нормирования выбросов загрязняющих веществ от объекта, от которого они поступают в атмосферу, является обеспечение соблюдения критериев качества атмосферного воздуха, регламентирующих предельно допустимое содержание в нем вредных (загрязняющих) веществ для здоровья населения и основных составляющих экологической системы, а также условия непревышения показателей предельно допустимых (критических) нагрузок на экологическую систему и других экологических нормативов. При нормировании выбросов учитываются технические нормативы выбросов и фоновое загрязнение атмосферного воздуха. Нормативы ПДВ (ВСВ) устанавливаются для каждого вредного вещества, поступающего в атмосферу из источников данного предприятия.

Базовой основой работ по нормированию выбросов, как и всей воздухоохранной деятельности являются результаты инвентаризации выбросов вредных веществ и их источников, обязательность которой узаконена ст.22 Федерального Закона "Об охране атмосферного воздуха". Однако, статья 22 говорит об обязательной инвентаризации источников выбросов только юридических лиц. Каким образом оценить воздействие на атмосферный воздух личного автотранспорта, количество которого ежегодно растет на всей территории РФ, выбросы которого вносят существенный вклад в фоновое загрязнение атмосферного воздуха? Как учесть вклад в общее загрязнение атмосферного воздуха выбросы транзитного автотранспорта? Подходы к оценке выбросов автотранспорта, движущегося по автомагистралям городов, в том числе и личного автотранспорта, предлагаются ниже.

Обосновывается и описывается методика обследовани структуры и интенсивности атранспортного потока и расчета выбросов на городских автомагистралях различных городов.

При расчетах загрязнения атмосферного воздуха необходим учет нестационарности (нестабильности во времени) мощностей выброса ЗВ в атмосферу, характерной практически для всех источников, в том числе и для автотранспортных. Для учета эффектов нестационарности требуется проводить расчеты по "ОНД-86" с использованием мощностей и других параметров, соответствующих нормальным неблагоприятным условиям выброса загрязняющих веществ в атмосферу (ННУВ). Неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ) для автомагистралей являются ситуации «застоя», в тоже время расчеты по формулам "ОНД-86" предусматривают, что в приземном слое воздуха происходит интенсивный турбулентный обмен. Однако, если исходить из того, что количество автотранспортных средств днем значительно увеличивается, поэтому именно в дневное время суток могут наблюдаться наибольшие концентрации загрязняющих веществ, несмотря на то, что для наземного источника неблагоприятная стратификация является инверсионной, большей частью соответствующей ночному времени. Следовательно, для автомагистралей параметры, необходимые для расчета максимальных концентраций соответствуют дневным "часам пик" в сезоны и дни недели с наибольшей интенсивностью автотранспортных потоков (АТП).

Методика предусматривает подсчет количества проходящих АТС по шести категориям (легковые, грузовые карбюраторные с грузоподьемностью до 3 т, грузовые карбюраторные с грузоподьемностью более 3 т, автобусы карбюраторные, грузовые дизельные, автобусы дизельные) на автомагистралях в течение 20 мин. в периоды наибольшей интенсивности движения. Расчет выбросов в атмосферу выполняется по соответствующим удельным пробеговым выбросам по основным загрязняющим веществам: оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, сажа, диоксид серы, формальдегид, бенз(а)пирен.

Осреднение расчетных концентраций за стандартный период т = 20
минут обусловлено тем, что к этому же времени осреднения относятся максимальные разовые гигиенические нормативы качества атмосферного воздуха населенных мест (ПДК_м.р., ОБУВ). Одинаковое время осреднения рассчитанных по "ОНД-86" концентраций и ПДК_м._р. (ОБУВ) обеспечивает возможность использования гигиенических ограничений на содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.

Для оценки величин выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками на городских магистралях г. Санкт-Петербурга была разработана при участии автора специальная методика, учитывающая изменение структуры автотранспорта г.Санкт-Петербурга, существенное сближение ее со структурой, характерной для городов в странах дальнего зарубежья, изменение технических нормативов выбросов автотранспорта отечественного и зарубежного производства по отношению и изменение качества моторного топлива.

Методика содержит требования к организации и проведению натурных обследований структуры и интенсивности автотранспортных потоков. Предлагается для определения характеристик автотранспортных потоков на выбранных участках улично-дорожной сети проводить учет проходящих АТС по следующим группам: легковые автомобили, отдельно, «отечественные» (Ло) и «зарубежные» (Лз), микроавтобусы (МА) и автофургоны (АФ), автобусы бензиновые (АК), автобусы дизельные, грузовые бензиновые свыше 3,5 т (ГК >3,5), грузовые дизельные до 12 т. (ГД<12), грузовые дизельные свыше 12 т. (ГД>12).

Выброс i-того загрязняющего вещества (г/с) движущимся автотранспортным потоком на автомагистрали (или ее участке) с фиксированной протяженностью L (км) определяется по формуле:

M_L1= М^п_к,1 G_k r_vk,1, г/мин (3)

М^п_к,1 (г/км) - пробеговый выброс i-го вредного вещества автомобилями k-й группы для городских условий эксплуатации;

k - количество групп автомобилей;

G_k (1/час) - фактическая наибольшая интенсивность движения, т.е. количество автомобилей каждой из К групп, проходящих через фиксированное сечение выбранного участка автомагистрали в единицу времени в обоих направлениях по всем полосам движения;

r_vk,1 - поправочный коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока (v_к (км/час) на выбранной автомагистрали (или ее участке).



1/3600 коэффициент пересчета "час" в "сек";

L (км) - протяженность автомагистрали (или ее участка) из которого исключена протяженность очереди автомобилей перед запрещающем сигналом светофора и длина соответствующей зоны перекрестка (для перекрестков, на которых проводились дополнительные обследования).

В третьем разделе обосновывается использование сводных (комплексных) расчетов для оценки вкладов выбросов автотранспотрта в суммарное загрязнение атмосферного воздуха городов. Сводные расчёты с использованием данных о характеристиках выбросов вредных (загрязняющих) веществ от всех объектов, расположенных на территории города, позволяют реализовать системный и комплексный подход к охране атмосферного воздуха, необходимость которого устанавливается статьёй 3 Закона "Об охране атмосферного воздуха" в качестве одного из основных принципов государственного управления в области охраны атмосферного воздуха.

При расчетах загрязнения атмосферы автомагистрали моделируются, как неорганизованные источники с высотой выброса 2 м и реальной шириной автомагистрали, определенной при натурных обследованиях или из картографических материалов, в том числе и электронных карт. Длина магистрали и координаты противоположных сторон, данных неорганизованных источников, определяются из картографических материалов. При таком подходе автомагистрали выступают, как источники выбросов с нестационарными по времени выбросами, а автомобили, движущиеся по этим магистралям, являются источниками выделения.

Анализируется влияния выбросов автотранспорта на уровень загрязнения атмосферного воздуха вблизи отдельных автомагистралей при использовании вышеописанной методологии на примере Санкт-Петербурга.

В табл. 4 представлены характеристики автотранспортного потока на некоторых автомагистралях г. Санкт-Петербурга.

Таблица 4. Характеристики автотранспортного потока на автомагистралях г. Санкт-Петербурга ^*)

№ п/п	Наименование магистрали	Характеристики автотранспортного потока	Интенсивность движения авт/час
		Легковые	Грузовые	Автобусы
		Л (%)	Г (%)	Гд/Г (%)	А (%)	Ад/А, (%)
1996 год
1	Московский пр.	89,8	8,7	3,5	1,5	3,8	2871
2	Невский пр.	96,5	1,4	0,0	2,1	42,2	3357
2001 год
1	Московский пр.	89,3	9,5	2,2	1,2	14,1	3635
2	Невский пр.	94,7	4,5	1,7	0,8	0,0	3841
2006 год
1	Московский пр.	86,6	13,1	0,2	0,3	16,7	4229
2	Невский пр.	94,8	3,6	0,3	1,6	34,5	4113

^*) Примечание:

Л (%) - процентное содержание легковых автомобилей в общем автотранспортном потоке;

Г (%) - процентное содержание грузовых автомобилей в общем автотранспортном потоке;

Гд (%) - процентное содержание грузовых дизельных автомобилей от общего числа грузовых автомобилей в автотранспортном потоке;

А (%) - процентное содержание автобусов в общем автотранспортном потоке;

Ад (%) - процентное содержание дизельных автобусов от общего числа автобусов в автотранспортном потоке.

Результаты расчетов показывают, что выбросы диоксида азота в 2001 году, по сравнению со значениями выбросов в 1996 году, увеличились в 1,3 раза на Московском проспекте, в 1,2 раза - на Невском проспекте вследствие увеличения интенсивности движения автотранспортных потоков. В 2006 году, несмотря на продолжающееся увеличение интенсивности движения, выбросы диоксида азота сократились, благодаря улучшению экологических показателей некоторых категорий легковых автомобилей.

В 2001 году, по сравнению с 1996 годом, в связи с увеличением автотранспортных потоков, концентрации диоксида азота вблизи магистралей увеличились в 1,2-1,4 раза и составили более 7 ПДК_мр. В 2006 году значение концентрации диоксида азота, равное 1 ПДК м.р., достигается на расстоянии 400- 500 м от автомагистралей при интенсивности движения около 4000 авт/час.

Автором была смоделирована ситуация, согласно которой всеми категориями автотранспорта, движущимися по Московскому и Невскому проспектам, соблюдаются европейские требования, соответствующие экологическому стандарту Евро-2, при этом, несмотря на увеличение интенсивности движения автотранспортных потоков на выбранных автомагистралях Санкт-Петербурга, значения выбросов диоксида азота могли бы быть в 2,9 раза ниже относительно реальных выбросов 2006 года на Московском проспекте и в 5 раз ниже - на Невском проспекте.

...