Методика оценки экстремального загрязнения воздуха в окрестности автомагистрали

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Примечание. Принятые в табл. 1 сокращения обозначают следующее: Г - поражение зрительного нерва и сетчатки глаз, помутнение хрусталика, ожоги роговицы; КТ - яды, действующие на кроветворение (вызывают изменение количества лейкоцитов, эритроцитов и т.д.); КЯ - кровяные яды (вызывают непосредственное изменение состава крови); К - канцероген; М - мутаген; Н - наркотики; НС - поражение нервной системы; НЯ - нервные яды; О - общее токсическое действие; ПО - поражение почек; П - поражение печени; рс - раздражают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей; СС - поражение сосудистой системы; С - образование смога; У - удушающее действие.

На основании анализа специфики НС сделан вывод, что при решении конкретных задач, связанных с оздоровлением воздушной среды городов, в виду невозможности постановки экстремальных натурных экспериментов, физико-математические модели становятся единственным инструментом прогнозирования негативных последствий. При этом научное обоснование выбора методологического подхода является ключевым звеном достоверности численных результатов виртуальных исследований.

При анализе возможности использования, для решения поставленной цели, современных подходов математического моделирования диффузии веществ в атмосфере, применяемых в РФ и за рубежом: эмпирико-статистические; статистические; аналоговое моделирование; математическое моделирование (энергетические и гидродинамические модели, в частности, основанные на уравнениях Навье-Стокса), сделан вывод, что для моделирования НС на малых и средних расстояниях от автомагистралей, оказались более приемлемыми подходы на основе использования рассеивания веществ по формулам Гаусса или, - теории массопереноса по «градиентным» моделям, в частности, «К - модели», основанной на решении уравнений турбулентной диффузии.

Гауссовы модели официально рекомендованы ВМО, МАГАТЭ и метеослужбами ряда стран. Проанализированы различные версии гауссовых моделей - американские модели CALINE-4 (California Line Source Model), HIWAY-2, 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) и другие. Однако, гауссов подход, по сути, является сугубо эмпирическим, т. е. не универсальным, что могло бы препятствовать распространению результатов на практически важные случаи НС. Он рассматривает начальное состояние атмосферы как невозмущенное, а распределение температуры, давления, инверсии, влажности воздуха и других физических параметров по высоте сводит к соответствию с моделью Международной стандартной атмосферы, что в реальных условиях НС может не наблюдаться. Модель прогнозирует пространственно-временную картину загрязнения атмосферы, по сути, формально, не учитывая (не привязываясь) конкретно к рельефу местности и метеорологическим факторам. Не учитывает зависимость диффузионных коэффициентов от высоты магистрали, поэтому позволяет строго описать приземное поле концентраций преимущественно источников выбросов фиксированной высоты.

Анализ многочисленных исследований позволил сделать вывод о том, что метеорологические условия, являющиеся одними из самых важных факторов, влияющих на рассеивание и распределение концентраций вредных веществ в атмосфере, следует обязательно учитывать при моделировании НС загрязнения воздуха автотранспортом. Поэтому модели на основе К-теории, базирующиеся на уравнениях турбулентной диффузии и являющиеся наиболее проработанными в теоретическом плане, по которым Россия занимает лидирующее место в мире благодаря научной школе М.Е. Берлянда (ГГО им. А.И. Воейкова - методика ОНД-86), целесообразно использовать для решения поставленных в диссертации цели и задач.

Опасность техногенной ситуации оценивается по отношению к выполнению (невыполнению) действующих предельно допустимых гигиенических нормативов проживания (нахождения) людей вблизи автомагистрали. Эта ситуация складывается в результате одновременно действующего комплекса неблагоприятных процессов и факторов, а именно:

1) интенсивность эмиссии вредных веществ, определяемая:

- количеством ТС в конкретном месте автомагистрали и временем их эксплуатации;

- режимом работы двигателей ТС и их техническим состоянием;

2) распространение вредных веществ в атмосфере вблизи автомагистрали, определяемое процессами:

- химических превращений в атмосфере (фотосинтез, окисление, конденсация и т. п.);

- турбулентности нижних слоев атмосферы, зависящей в значительной мере от времени дня, облачности и топографии местности, наличия инверсии и стратификации; эти и другие факторы определяют накопление вредных веществ в определённых местах приземного слоя атмосферы и в почве;

- осаждения частиц с 1,0 < d < 100 мкм и вымывания мелкодисперсных частиц с d < 1,0 мкм в процессе переноса аэрозольного (газового) облака ОГ над подстилающей поверхностью;

- почвенно-биологических превращений веществ.

Приращение концентрации вредного (загрязняющего) вещества за счёт притока ОГ ТС в точке пространства с координатами x, y, z будет определяться по следующему выражению:

, (1)

где - концентрация вредного вещества (ВВ) в отработавших газах;

- снижение концентрации вредного вещества за счёт его вымывания или осаждения на подстилающую поверхность;

- снижение концентрации ВВ за счёт турбулентной диффузии;

- снижение (-) или увеличение (+) концентрации ВВ за счёт химических превращений в атмосфере;

- прирост концентрации вредного вещества над фоновым загрязнением атмосферы за счет АТС.

Таким образом, уровень техногенной нагрузки для точки с координатами x, y, z можно определить по выражению:

, (2)

где, - фоновая концентрация ВВ в точке с координатами x, y, z.

- предельно допустимая концентрация ВВ, например ПДК_МР.

В условиях реальной эксплуатации ТС имеют место только турбулентные потоки в атмосфере, когда количество движения переносится крупнообъёмными движущимися массами воздуха вблизи почвы. Теоретические закономерности распространения и пространственно-временного распределения загрязняющих примесей в атмосфере определяются путем решения уравнения атмосферной диффузии. Это уравнение (3) в частных производных, представляет собой математическую формализацию физического закона сохранения потока вещества и в этом смысле дает описание распространения атмосферных примесей.

, (3)

где: q - рассчитываемая примесь; x_i - координаты примеси, в дальнейшем обозначаются через х, у, z; u_i - скорость ветра по х, у, z; K_i - составляющие средней скорости перемещения примеси и коэффициента обмена, относящиеся к направлениям оси x_i (i = 1, 2, 3); - коэффициент, определяющий изменение концентрации за счёт атмосферного метаболизма (превращения примеси).

Использование данного подхода математического моделирования турбулентной диффузии, который называют К-теорией, совместно с обоснованными упрощениями и эмпирическими уточнениями, лежащими в основе нормативного документа по расчету рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе «ОНД-86», нашло выражение в математической модели (4). По данному выражению рассчитываются с применением унифицированной программы «Эколог» значения наибольшей суммарной концентрации вредной примеси С_м (мг/м³), которая устанавливается на некотором расстоянии (Х_м) от места выброса от транспортных средств как от близко расположенных друг к другу источников на отдельных участках магистралей.

, (4)

где 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 магистрали, как неорганизованного источника выброса, над уровнем земли.

Таким образом, транспортные потоки произвольных геометрической конфигурации и распределения интенсивности движения ТС по автомагистрали представляются в виде совокупности линейных источников вредных выбросов, в окрестностях которых определяется загрязнение воздушной городской среды. Использование такой расчетной схемы позволяет учитывать целый ряд важнейших для НС обстоятельств, а именно:

- степень не благоприятности местных климатических условий для устойчивого рассеивания примесей в воздухе, в частности, инверсионные («застойные») состояния атмосферы;

- влияние рельефа местности, качества подстилающей поверхности, геометрических параметров прилегающей к автодорогам застройки;

- фотохимический метаболизм веществ и, в частности, важнейший для автотранспортных выбросов процесс трансформации NO в NO_X;

- возможность оперирования с базой данных ПДК_МР, то есть, иметь экстремальную ситуационную картину загрязнения атмосферы вблизи автомагистрали, действующую на протяжении 20-ти минутного интервала в реальном масштабе времени. С учетом, таким образом, определенных граничных условий, рассчитываются значения концентрации по заданным координатам местности, в окрестности автомагистрали.

Сделаны выводы о том, что

- известные ограничения модели (применимость при условии, когда размер облака выброса больше, чем размер доминантной турбулентности; описания вертикальной диффузии у поверхности земли на расстояние, примерно, до 10 км от магистрали, и только для относительно слабых источников, не вносящих сильный перегрев газов в зоне автомагистрали, без мощного турбулентного перемешивания от перегрева; то есть перенос относительно холодных и стационарных во времени выбросов), оказываются приемлемыми для моделирования выбросов от магистрального потока ТС в «часы пик»;

- модель на основе уравнений турбулентной диффузии позволяет на единой основе решить практические задачи прогнозирования НС и при этом: учесть рельеф местности, застройку, времени осреднения (разовые, годовые), фотохимические реакции, метеоусловия (нормально неблагоприятные и аномально неблагоприятные). Также возможно рассмотрение различных видов стилизации автотранспортных источников: в конфигурациях точечного, линейного, площадного.

2. Усовершенствованная методика численной (экспериментально-расчетной) оценки экстремального загрязнения воздушной среды отработавшими газами АТС, движущимися в «часы пик» по автомагистрали.

Сущность концепции предлагаемого методического подхода состоит в том, что, с позиций обеспечения интересов здоровья населения в условиях НС, вопреки установившейся в РФ практики контроля, предлагается назначать уровень, то есть «жесткость» нормативов «токсичности отработавших газов» ТС, в прямой зависимости от соблюдения ПДК_МР в конкретных местах эксплуатации автотранспорта с учетом метеорологических факторов, особенностей градостроительства, потребных транспортных объемов движения, фоновых экологических нагрузок, характера отчуждения территории (промышленная, селитебная или рекреационная), состояния здоровья населения, социальной обстановки в регионе и так далее. Причем при экстремальных интенсивностях движения ТС на дорогах и неблагоприятных метеорологических условиях.

Ключевое значение, для решения задачи в такой постановке, приобретала сопоставимость оценок, что, в свою очередь, могло достигаться только единообразием установочных требований и допущений, в ущерб излишней детализации и «натурализации» анализа, которые бы потребовали существенных экономических затрат. В этой связи, во-первых, реальные выбросы автотранспорта, которые, в общем случае, определяются инструментальным мониторингом, заменялись гипотетическими выбросами, определяемыми расчетным путем на основе моделирования типажа, структуры и режима движения автомобилей;

во-вторых, из-за многообразия типов автомобилей, все ТС подразделялись на условные группы, характеризующиеся, в основном, принадлежностью к отечественным или зарубежным моделям; грузоподъемностью и классом (легковые, микроавтобусы и автофургоны, грузовые двух категорий и автобусы); способу организации рабочего процесса двигателей (с воспламенением от сжатия или от искры); вида применяемого топлива (бензин, дизельное топливо, природный и сжиженный нефтяной газ - для современных условий в РФ, в связи с ничтожно малым количеством газобаллонных АТС, - последнее, пока, не актуально).

в-третьих, для каждой группы выявлялся «унифицированный» (характерный по массовости использования на 2010-2011 года в РФ) тип автомобиля, выброс отработавших газов которого характеризовал средний выброс ОГ данной группы автомобилей.

Рабочий объем двигателей ТС необходимо было учитывать, поскольку он характеризует количество выбрасываемых отработавших газов; удельную мощность, - так как она, в основном, определяет режимы работы двигателя автомобиля; скорость ТС, - так как ею определяется тенденция изменения выбросов с ОГ продуктов неполного сгорания и окислов азота.

Моделирование в пределах унифицированных категорий осуществлялось на основе обработки данных многолетних экспериментальных исследований выбросов конкретных марок легковых автомобилей в НПО ЦНИТА, НАМИ, КЭТУКИ (Венгрия, автобусы ИКАРУС), АО КамАЗ, АО ЗИЛ и многих других организаций: для легковых и автофургонов - по «горячим» городским ездовым циклам на беговых барабанах; для двигателей большегрузных автомобилей и автобусов - по 13-ти ступенчатому циклу на динамометрических стендах. Для определения состава ОГ, в частности, использовалась комплексная ГС АСГАТ; оптической плотности ОГ - дымомер МК-3 «Hartridg». В табл. 2 представлены метрологические параметры ГА, используемого для оценки газообразных составляющих ОГ двигателей ТС.

Таблица 2

Значения основных погрешностей измерения компонентов ОГ

Подсчет ТС, реально непрерывно проезжающих по автомагистрали, для повышения точности обследования, осуществляется по усовершенствованной методике - ТС в потоке подсчитываются не наблюдателями (что вносит погрешность из-за субъективных особенностей, состояния, опыта наблюдателя и условий наблюдения), а определялись путем анализа материалов фильмирования потока ТС цифровой камерой. На выбранной магистрали производится экспериментальное обследование автотранспортного потока по отмеченным категориям (в одном и противоположном направлениях) в рабочие дни в «часы пик» (в период с 9-11 часов и с 16-19 часов) за 20-минутный интервал времени (не менее 4-6 раз на каждом участке).

За основу уточненной таким образом модели оценки выбросов загрязняющих веществ ТС, то есть оценки М, входящей в формулу (4), был взят расчетный алгоритм методики, разработанной в 1998 году ФГУП «НИИ АТМОСФЕРА» и утвержденной приказом Госкомэкологии России № 66 от 16 февраля 1999 года. Использование методики допускается в соответствии с дополнительным приказом Госкомэкологии России от 7 мая 1999 г. N 230. Изменения и уточнения касались обоснования новых учетных категорий ТС и их пробеговых выбросов для характерных режимов движения на участках автомагистрали. Это необходимо было сделать в связи с реальным существенным изменением структуры транспортного потока и характеристик выбросов вредных веществ (реально наблюдаемого в Санкт-Петербурге в связи с принятием Постановления Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года).

Таблица 3

Значения базовых пробеговых выбросов Мⁿ_к,i (г/км) для различных групп автомобилей

Удельный выброс i-ого загрязняющего вещества (г/с) движущимся автотранспортным потоком на соответствующем участке автомагистрали с фиксированной протяженностью L (км) определяется по формуле:

, (5)

где Мⁿ_к,i (г/км) - удельный выброс i-го вредного вещества автомобилями k-ой группы для городских условий эксплуатации, определяемый по табл.3;

k - количество групп автомобилей;

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

1/3600 - коэффициент пересчета часов в секунды;

L (км) - протяженность автомагистрали (участка автомагистрали).

r_{V k,i} - поправочный коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока (v_k, км/час) на выбранной автомагистрали определяемый по табл. 4.

Таблица 4

Значения коэффициентов r_{V k,i}, учитывающих изменения количества выбрасываемых вредных веществ в зависимости от скорости движения АТС

Для выполнения перспективных прогнозов ОС, связанных с экстремальным загрязнением атмосферы вблизи автомагистрали, необходимо учитывать внедрение на автомобильном транспорте природоохранных технологий, перспектива внедрения которых в РФ анализируется в этой связи. В табл. 5 представлены сводные результаты проведенных перспективных оценок в связи с ожидаемым, по Постановлению № 609 Правительства РФ, обновлением парка ТС в Санкт-Петербурге.

Таблица 5

Базовые (исходные) значения коэффициентов для СО, СН (аналогично, - для формальдегида и бенз(а)пирена), NO2 (как для NOх ) и сажи (как для частиц) определялись, в среднем для парка ТС, по отношению уровней EВРО-III (2014/2015 года) и EВРО-IV / EВРО-V (2018/2020 года) к EВРО-0 (Правила ЕЭК ООН 15-04, директива ЕС 88/77, ОСТ 37.001.054-86, ОСТ 37.001.234-86). Коррекция базовых значений коэффициентов осуществлялась с учетом Постановления Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 г. и в предположении сохранения наблюдаемой тенденции роста численности иномарок по отношению к численности отечественных автомобилей.

В качестве критерия качества атмосферного воздуха принимается значение предельно-допустимой концентрации (ПДК_МР) соответствующего опасного вещества в атмосферном воздухе, утвержденного Министерством здравоохранения. При этом для каждого j-го вещества, выбрасываемого ТС, назначается требование выполнения соотношения:

, (6)

где C_j - расчетная концентрация вредного вещества в приземном слое воздуха на уровне дыхания человека в окрестности автомагистрали, где расположены жилые застройки. На топологическую карту города в окрестности исследуемого участка автомагистрали наносятся изолинии значений превышения ПДК_МР. Превышение ПДК_МР квалифицировалось как медленная ЧС.

3. Закономерности изменения превышения концентраций вредных веществ, выделяемых с ОГ автотранспорта, над ПДК_МР вблизи жилых застроек на уровне дыхания человека при НС, на примере кольцевой автомобильной дороги (КАД) Санкт-Петербурга.

В качестве дорожного объекта исследования была выбрана самая крупная, и одновременно, мощная по интенсивности транспортных потоков в Санкт-Петербурге «кольцевая автомобильная дорога» (КАД) вокруг города (рис. 1). Рассматриваются параметры 11 характерных участков на южном, восточном и северном направлениях, необходимых для учета в модели. В качестве сценария виртуальной НС реализуется один из наиболее вероятных неблагоприятных исходов воздействия ТС на воздушную среду, а именно: «сочетание» реально регистрируемых максимальных интенсивностей движения ТС в «часы пик» с реально повторяемыми в регионе С.-Петербурга в течение календарного года, так называемых в гидрометеорологии, «нормально неблагоприятных метеорологических условий».

С введением КАД Санкт-Петербург оказался в «автомобильной экологической блокаде», которая при неблагоприятных транспортно-метеорологических условиях может привести к опасному загрязнению ОГ ТС воздушной среды примыкающих районов. Оценке опасности таких неблагоприятных ситуаций и была посвящена демонстрационная экспериментально-расчетная часть диссертационного исследования.

Экспериментальная часть исследования на КАД проводилась в марте-июне 2011 года на 11 перегонах. Южный участок КАД: от Московского шоссе до Софийской ул.; от Софийской ул. до пр. Обуховской обороны; Большой Обуховский мост - от пр. Обуховской обороны до Октябрьской наб.; от Октябрьской наб. до Мурманского шоссе. Восточный участок КАД: от Мурманского шоссе до Косыгина пр.); от пр. Косыгина до Шафировского пр.; от Шафировского пр. до Токсовского шоссе; от Токсовского шоссе до пр. Культуры. Северный участок КАД: от пр. Культуры до пр. Энгельса; от пр. Энгельса до Выборгского шоссе; от Выборгского шоссе до Приморского шоссе.

Рис. 1. Схема КАД вокруг Санкт-Петербурга

По результатам исследования интенсивности движения и структуры транспортного потока на КАД Санкт-Петербурга в период марта-июня 2011 сделаны следующие выводы.

Средняя интенсивность движения автотранспортного потока на Южных участках КАД в «часы пик» изменялась в диапазоне 3900-4500 авт/час. При этом максимальное значение интенсивности достигало 4500 авт/час на участке КАД от пр. Обуховской обороны до Октябрьской наб. - Большой Обуховский мост. На Восточных участках, - в диапазоне 3300-3700 авт/час. На Северных участках, - 1400-3200 авт/час. При этом минимальное значение интенсивности характерно для участка КАД от Выборгского шоссе до Приморского шоссе, - 1375 авт/час.

Основная роль в создании НС на КАД принадлежит легковым ТС, доля которых в общем потоке ТС изменялась в диапазоне 57-65 %. А в среднем составляла 61 %. Максимальная доля легкового автотранспорта была зафиксирована на Южном участке КАД (от Московского шоссе до Софийской ул.) и составляла 65 %, а минимальная доля (56,8 %) - на Восточном участке КАД (от Мурманское шоссе до пр. Косыгина).

Вклад грузового автотранспорта в общую интенсивность движения автотранспортных потоков в 2011 году составлял в среднем 38%. Максимальная доля грузового автотранспорта была зафиксирована на Северном участке КАД (от пр. Культуры до пр. Энгельса) 42 %, а минимальная доля (34 %) - на Южном участке КАД (от Московского шоссе до Софийской ул.). Дизельный грузовой автотранспорт составлял по отдельным участкам от 56 до 68 % от общего числа грузового автотранспорта.

Доля автобусов в общем потоке АТС в 2011 году не превышала 1,2 %. При этом максимальная доля автобусов (1,83 %) была зафиксирована на Южном участке КАД (от Октябрьской наб. до Мурманского шоссе), а минимальная (0,48%) - на Восточном участке КАД (от Токсовского шоссе до пр. Культуры). Дизельные автобусы составляли, в среднем, около 45% от общего числа автобусов.

На рис. 2, в качестве примера, представлены результаты расчетов по разработанной методике максимальных приземных концентраций диоксида азота, отнесённые к максимальной разовой ПДК_МР, равной 0,2 мг/м³, в расчётных точках вблизи характерных участков КАД. Признаками нормальной ситуации, в отличие от опасной, является соблюдение санитарных гигиенических критериев качества атмосферного воздуха в районе ближайшей жилой застройки, то есть, если значения расчетных максимально-разовых концентраций загрязняющих веществ не превышают значения ПДК_МР.

Рис. 2. Карта загрязнения атмосферы NО₂ в окрестности КАД Санкт-Петербурга