О. С. Егорова, Э. В. Гоголь, Р. Р. Шипилова, Ю. А. Тунакова
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕРЕДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ
НА КАЧЕСТВО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРОДОВ
Ключевые слова: автотранспорт, транспортная составляющая выбросов, тяжелые металлы.
Развитие дорожной инфраструктуры вызывает необходимость определения точного состава выбросов вредных веществ от передвижных источников загрязнения, вклада каждой примеси в общую картину загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха и специфики рассеяния. Источниками выбросов 17 наименований металлов, являются выхлопные газы, истирание тормозных колодок и шин, причем основной вклад в загрязнение (по валовым выбросам) вносят ванадий, медь, цинк, сурьма, марганец. Максимальный объем выбросов отмечается в режиме холостого хода, при торможении и разгоне. В связи с пространственно-временными, организационными и пр. сложностями реализации экспериментального экологического мониторинга качества атмосферного воздуха в зонах действия автомагистралей в настоящее время для определения вкладов автотранспортной составляющей в формируемый уровень загрязнения в основном используются расчетные методы.
Keywords: motor vehicles, transport component of emissions, heavy metals.
Development of road infrastructure causes of definition of exact structure of emissions of harmful substances from mobile sources of pollution, a contribution of each impurity to an overall picture of pollution of a ground layer of atmospheric air and specifics of dispersion. Sources of emissions of 17 names of metals, exhaust gases, abrasion of brake shoes and tires are, and the main contribution to pollution (on gross emissions) is made by vanadium, copper, zinc, antimony, manganese. The maximum volume of emissions is noted in an idling mode, during the braking and dispersal. In connection with existential, organizational and so forth difficulties of realization of experimental environmental monitoring of quality of atmospheric air in areas of coverage of highways for definition of deposits of a motor transportation component in formed level of pollution generally use now settlement methods.
Введение образованию кислотных дождей и «парниковому
эффекту» [8, 9].
Развитие дорожной инфраструктуры, планы
Летучие органические вещества – ансамбль
и программы развития территорий, основанные на вредных веществ антропогенного происхождения,
транспортной логистике [1, 2], вызывают кроме метана, способных, в присутствии оксидов
необходимость изучения факторов и показателей азота и света синтезировать фотохимические
эмиссии вредных веществ в атмосферный воздух и загрязнители. Как и СО, они образуются при
определения вклада каждого из них в общую неполном сгорании топлива. Также речь идет об
картину загрязнения. углеводородах, испаряющихся из бензобаков или во
Величины загрязнения в основном зависят время заправки автомобилей, растворителях от
от топографии местности, объема перевозок, нанесения лакокрасочных покрытий [10].
средней скорости движения транспортных средств,
Оксиды азота (NOx) – в городском воздухе
метеорологических и климатических условий [3-5]. включают монооксид азота (NO) и диоксид азота Состав отходящих газов автотранспорта зависит от
(NO2). Монооксид азота выбрасывается
ряда факторов: типа двигателя и топлива, режима непосредственно из выхлопной трубы и его
работы и нагрузки, технического состояния образование зависит от температуры: чем она выше,
автомобиля и качества топлива. тем значительнее количества образующегося
Из выхлопных труб машин при этом может монооксида азота. Этой особенностью объясняется
выбрасываться до 300 различных соединений, в том факт увеличения выбросов NO в пробках, когда
числе и металлов [6, 7]. температура двигателя повышается. Монооксид
Выбросы вредных веществ от азота под воздействием атмосферного воздуха
автотранспорта всех типов [4] включают оксид окисляется менее, чем за 2 минуты до диоксида
углерода (СО), летучие органические вещества, азота. Именно быстрота данной реакции относит
оксиды азота, диоксид углерода (СО2), взвешенные именно диоксид азота к приоритетным
вещества. загрязнителям атмосферы. Содержание диоксида
Оксид углерода (СО) – бесцветный газ без азота максимально вблизи высоконагруженных
запаха и вкуса, вредное вещество, образующееся автомагистралей и в центре города. Особенно
при неполном сгорании топлива (окислении высока его концентрация в условиях антициклонов
углерода при недостатке кислорода). Основная и зимней термической инверсии. Оксиды азота
эмиссия СО в атмосферный воздух происходит при играют значительную роль в образовании озона в
малых скоростях движения и при торможении. СО – нижних слоях атмосферы и в формировании
прекурсор образования озона в воздухе кислотных дождей [11, 12].
урбанизированных территорий, который, в свою очередь является фотооксидантом, способствует
Диоксид углерода (СО2 –бесцветный газ без
запаха, присутствующий в атмосферном воздухе
(объемная концентрация 0,0375%). Образуется при сгорании (окислении) органических соединений, имеет свойства вызывать «парниковый эффект» [13].
Диоксид серы (SО2) – образуется при работе дизельных двигателей, что обусловлено содержанием серы в топливе. Сера, содержащаяся в дизельном топливе,окисляется до SО2 и сульфатов (SO42-)в процессе сгорания с дальнейшим образованием серной кислоты(H2SO4) исолей металлов. Сульфаты занимают 5–10% от суммы твердых частиц в отработанных газах дизельных двигателей [14].
Взвешенные вещества – их образование связано со сгоранием нефтепродуктов, истиранием шин и тормозных колодок. Их обнаруживают, главным образом, в центре города, и они сочетают в себе высокую степень эмиссии и слабую дисперсию загрязнителей. В состав взвешенных веществ от выбросов автомобильного транспорта входит широкий перечень металлов, который показан в табл. 1 с указанием типа эмиссии [15, 16].
Таблица 1 - Типы эмиссии металлов от передвижных источников (0 означает отсутствие эмиссии)
| 
| 
| 
| 
|
| Мышьяк (As) | + | + | + | |
| Кадмий (Cd) | + | + | + | |
| Хром (Cr) | + | + | + | |
| Медь (Cu) | + | + | + | |
| Ртуть (Hg) | + | |||
| Никель (Ni) | + | + | + | |
| Свинец (Pb) | + | + | ||
| Цинк (Zn) | + | + | + | |
| Сурьма (Sb) | + | + | ||
| Кобальт (Co) | + | + | ||
| Марганец (Mn) | + | + | + | |
| Ванадий (V) | + | + | + | |
| Барий (Ba) | + | + | ||
| Селен (Se) | + | + | + |
Поступление металлов As, Cd, Ni, Pb, Hg, Cr, Mn, Co с выбросами передвижных источников загрязнения меньше по валовому количеству, чем от стационарных источников, о чем свидетельствуют данные, представленные в табл. 2 и на рис. 1. Однако, поступление металлов с выбросами автотранспорта происходит на малой высоте, с небольшой скоростью выхода и компоненты выбросов сразу оказываются в приземном слое воздуха, на уровне дыхания человека. А по Cu, Zn, V, Ba, Se, Sb доминирует поступление с выбросами передвижных источников загрязнения.
Таблица 2 - Валовые выбросы тяжелых металлов от секторов экономики и передвижных источников (кг/год)
| 
| 
| 
| 
|
| As | – | |||
| Cd | – | |||
| Ni | – | |||
| Pb | – | |||
| Hg | 0,5 | – | 359,5 | |
| Cr | – | |||
| Cu | ||||
| Zn | – | |||
| Mn | – | |||
| Co | – | |||
| V | – | |||
| Ba | – | |||
| CrVI | – | – | ||
| Se | – | |||
| Sb | – |
Рис. 1 - Распределение эмиссии металлов от секторов экономики и передвижных источников
Согласно результатам исследования рассеивания отработанных газов автомобилей в атмосфере, максимальные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе отмечаются в зонах, непосредственно примыкающих к проезжей части магистрали и быстро убывают с увеличением расстояния от нее. Вместе с тем, масштабы загрязнения почвы на придорожной территории оценивается неоднозначно. Одни исследователи отмечают вблизи дорог полосу загрязнения 150-300 м, другие - всего лишь 30-50 м [17-25]. Поэтому, вопрос об оценке протяженности полосы загрязнения остается актуальным.
Транспортные потоки в городах носят импульсивный характер, при котором движение с постоянной скоростью может прерываться или тормозиться, после чего следует набор скорости. Максимальные выбросы вредных веществ отмечаются в режиме холостого хода, немного меньше при торможении и разгоне, а в процессе равномерного движения они в 5-10 раз меньше. На перекрестках загрязнение выше, т.к. при движении автомобиля происходит быстрое рассеивание струи отработавших газов, а при работающем двигателе стоящего автомобиля процесс разбавления воздухом и рассеивание вредных веществ происходит при менее благоприятных условиях [26-33]
Опасность загрязнения атмосферы городов выбросами автотранспорта усугубляется тем, что систематические наблюдения за качеством воздуха в районе действия автомагистралей не проводятся вообще или эпизодичны, данные стационарных постов наблюдения не позволяют выделить вклад автотранспортной составляющей в формируемый уровень загрязнения. В связи с рядом сложностей организационного, методического экономического характера и другими в настоящее время невозможно организовать сеть мониторинга за качеством атмосферного воздуха в зонах интенсивного движения автотранспорта. Поэтому представляется целесообразным использовать расчетные методы
[19, 26, 34-38].
Специфика рассеяния выбросов от автотранспорта накладывает дополнительные ограничения на методологию исследований и точность получаемых расчетных данных:
- определение величины выброса от передвижных источников возможно с довольно значительной погрешностью. Строго говоря, определение величины выброса от автомобильной магистрали представляет собой отдельную многофакторную задачу, в конечном счете, определяющую точность последующего
моделирования рассеяния;
- рассеяние загрязнения от автотранспорта происходит на порядок в большей скорости убывания концентрации примеси при отдалении от источника, по сравнению со стационарными приподнятыми источниками, что несколько повышает точность моделирования, поскольку, чем дальше от источника, тем больше смещение оси факела от расчетного;
- рассеяние происходит в пределах жилой застройки, и, прежде всего, определяется аэродинамикой обтекаемых поверхностей совместно с локальным вектором скорости ветра и относительно инертно по отношению к остальным метеопараметрам [26, 39-43].
Расчетные методы позволяют построить модель загрязнения объекта окружающей среды металлами с возможностью его оценки в любой точке изучаемого пространства. Другим вариантом оценки уровня загрязнения металлами приземного слоя атмосферы в зоне действия автомагистралей является использование концентраций металлов в депонирующих средах [17, 44-51]. Оценка уровня загрязнения атмосферы, по данным изучения загрязненности депонирующих компонентов среды, хорошо известна и вошла в РД 52.04.186-89 (п.3.4.6
«косвенные методы исследования уровня загрязнения атмосферы»).
Литература
1. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года, Министерство транспорта Российской Федерации, Москва(2005).
2. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года, распоряжение Правительства Российской Федерации 1734-р (2008).
3. Les emissions dues aux transports routiers; note desyntese, realisee dans le cadre de projet 03EMISS (2007).
4. C.Hugrel, R.Joumard. Transport routier–Parc, usage et emissions des vehicules en France de 1970 a 2025. Institut National de Recherche sur des Transports etleur Securite. ADEME 01-03-035. INRETS C02-02.RapportLTE 0420
(2004).
5. Emissions routieres de pollutants atmospheriques. Courbes et facteurs d’influence. SETRA, CETE deLyon, CETE Normandie-Centre (2009).
6. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2012году (2013).
7. А.Р. Шагидуллин, Р.А. Шагидуллина. Экология и промышленность России, 4, 51-55 (2013).
8. М. Ибатов, И. Пак, Б. Аскаров, Т. Сарсембаев, В. Шалаев. Современные проблемы науки и образования, 3, 42-42 (2013).
9. Е.Е. Шаталова. Интернет-журнал Науковедение, 4, 229 (2012).
10. Д.А. Пензерь, А.Р. Ахметова, Р.М. Муртаева, Л.В. Колчина. Экология России: на пути к инновациям, 37, 94-97 (2013).
11. О.В. Ложкина, В.С. Марченко, В.Р. Новиков, В.Н.Ложкин. Двигателестроение, 4, 35-41 (2012).
12. О.В.Ложкина, В.C. Марченко, В.Н. Ложкин, Д.А. Лакеев. Вестник гражданских инженеров, 5, 195-198
(2012).
13. А.С. Голубеева, Е.Р. Магарил. Вестник УрФУ. Серия: экономика и управление, 2, 109-117 (2012).
14. Ю.А. Тунакова, Р.А. Шагидуллина, А.Р. Шагидуллин, С.В. Новикова. Вестник Казанского технологического университете, 16, 3, 139-142 (2013).
15. Programme de surveillance des dioxins/furanes et metaux lourds dans les retombees atmospheriques et l’airambient. Etude, financee par les partenaires du programme de surveiilance ASCOPARG, SUP’AIR, COPARLY (2009).
16. Ю.А. Тунакова, Р.А. Шагидуллина, А.Р. Шагидуллин. Вестник Казанского технологического университета, 16, 11, 51-54 (2013).
17. В.В. Добровольский. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. Мысль, Москва, 1983, 272 с.
18. Д.Ж. Бериня, Л.В. Карелина, В.А. Цекулиня. Загрязнение природной среды выбросами автотранспорта. Рига: Зинатне, 1980. С. 18-27.
19. А.С. Белявский, О.А. Ставров, В.Т. Григорьян. Вопросы развития и планирования технических средств транспорта. Москва, 1980. С.186-193.
20. В.В. Быстрых, В.М. Боев, Е.Л. Борщук, В.Н. Дунаев. Экология большого города. Пермь, 1996. С.14-15.
21. П.А. Балтернас. Экология и промышленность России, 8, 41-44 (2003).
22. В.П. Подольский, В. Г.Артюхов, В. С. Турбин, А. Я. Канищев. Автотранспортное загрязнение придорожных территорий. Издательство ВГУ, Воронеж, 1999,
264 с.
23. В.П. Подольский. Дорожная экология. Союз, Москва, 1997. 196 с.
24. Ф. Хисек. Международная конференция ВМО по моделированию загрязнения атмосферы. Москва, 1986.
25. R. Alary, J. Donati, H. Viellard. 3-rd International Symposium (Avignon, France 6 -10 June 1994). ActesINRETS. Vol 1. P. 41 -48.
26. Н.С. Буренин. Тр. ГГО, 467, 74-80 (1983).
27. В.М. Полонский, С.М. Пуринг, С.М. Богучук. 3 международная НПК конференция. Самара, 2002. С. 177-
180.
28. А.П. Гусаров, М.Е. Вайсблюм. Автомобильная промышленность, 2, 34-37 (2000).
29. В.Н. Луканин, Ю.В.Трофименко. Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Автомобильный транспорт. 19, 340
(1996).
30. А.Б. Дьяков, Ю.А. Игнатьев, Е.П. Копшин. Экологическая безопасность транспортных потоков. Транспорт, Москва, 1989. 178 с.
31. A.H. Huber. Atmos. Environ. (1998)
32. Ф. Хисек. Международная конференция ВМО по моделированию загрязнения атмосферы. Москва, 1986.
33. W. Mauch. ATZ, 2, 116-124 (1994).
34. А.Н. Маренко. В сб. Вопросы мониторинга природных сред и климата. Гидрометиздат, Москва, 1987. С. 112117.
35. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения городов (утверждена приказом Госкомэкологии России № 66 от 16 февраля 1999 г.). НИИ Атмосфера, Санкт-Петербург, 1999. 16 с.
36. Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ автомобильными средствами в атмосферный воздух. Гос.НИИавтомобтрансп. (НИИАТ), Москва,
1993. 22 с.
37. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. Издательство Минтранспорта РФ, Москва,
1997. 55 с.
38. Методические указания по оценке воздействия на окружающую среду объектов транспортно-дорожного комплекса. НИИАГ, Москва, 1995. 23 с.
39. М.Е. Берлянд. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1985. 272 с.
40. В.В. Балакин. Гигиена и санитария, 6, 5-7 (1980).
41. Ю.В. Трофименко. Транспорт: наука, техника, управление, 6 (1995).
42. Хунас Каси: Автореф. дисс. канд. техн. наук, Москва, 2004. 20 с.
43. Р.Якимов: Автореф. дисс. канд. техн. наук, Пермь, 2004. 20 с.
44. Методические рекомендации по геохимической оценке загрязнения территории городов химическими элементами. ИМГРЭ, Москва, 1982. 112 с.
45. Эколого-геохимическая оценка различных регионов страны. ИМГРЭ, Москва, 1991. 154 с.
46. А.И. Обухов, О.М. Лепнева. Почвоведение, 5, 65-73 (1989).
47. Ю.А. Сает, Б.А. Ревич. Серия географическая, 4, 37-46 (1988).
48. Е.П. Сорокина, А.П. Пронин, М.А. Сакова. Вторая Всесоюзной конференция. Москва, 1988. C. 176-179.
49. Н.С. Касимов, В.В. Батоян, Т.М. Белякова, О.В. Моисеенков, Ю.И. Пиковский, Ю.В. Проскуряков. Вестник МГУ. Сер. География, 3, 3-12 (1990).
50. А.В. Дончева, Л.К. Казаков, В.Н. Калуцков. Ландшафтная индикация загрязнения природной среды. Экология, Москва, 1992. 256 с.).
51. Ю.А. Тунакова, С.В. Новикова, Р.А. Шагидуллина, Ю.А. Шмакова. Вестник Казанского технологического университета, 12, 71-74 (2012).
_____________________________________________________________
© О. С. Егорова – ст. препод. каф. общей химии и экологии КНИТУ им. А.Н. Туполева-КАИ, egorova_olechka@yandex.ru; Э. В. Гоголь – канд. хим. наук, доцент той же кафедры, ellinagogol@bk.ru; Р. Р. Шипилова – ст. препод. той же кафедры,g_rimmochka@mail.ru; Ю. А. Тунакова – д-р хим. наук, проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ, juliaprof@mail.ru.