Картографирование переноса и рассеяния загрязняющих веществ автотранспорта
Картографирование переноса и рассеяния загрязняющих веществ автотранспорта
Аннотация
В работе проанализировано негативное воздействие выбросов от передвижных источников на атмосферный воздух. Проведен анализ загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом по Республике Башкортостан и по Российской Федерации. Отмечается, что наибольшую часть выбросов от транспортных средств приходится на легковой транспорт, а именно на легковые автомобили с бензиновым двигателем, которые составляют большую часть транспортных средств по Республике Башкортостан.
Рассмотрены различные методики расчета выбросов от передвижных источников. Для расчетов выбрана методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов атмосферы городов, так как преимуществом данной методики являются простота применения. Именно в данной методике имеется возможность использовать интенсивность движения для отображения в графическом виде.
Рассматриваемый маршрут имеет участки дороги с разной загруженностью и улицы с разным количество полос, исходя из данных параметров, выбранный маршрут поделен на несколько участков для более точного определения интенсивности движения транспортного потока. Рассчитана интенсивность движения для каждого участка маршрута предприятия с использованием геоинформационных технологий. На выбранном маршруте имеются участки дороги с наибольшей и наименьшей интенсивностью движения транспортного потока. Рассчитаны выбросы загрязняющих веществ на маршруте предприятия в г. Уфа для каждого участка маршрута с помощью выбранной методики расчетов. Для отображения графического представления выбросов на маршруте в г. Уфа применялась программа УПРЗА «Эколог» с помощью которой смоделированы области рассеивания вредных веществ по участкам дороги с наибольшей и наименьшей интенсивностью движению, превышающие предельно-допустимую концентрацию.
1. Введение
Источники загрязнения земной атмосферы бывают как природными, так и техногенными. Второй тип негативного воздействия на воздушную оболочку Земли представлен промышленными предприятиями, теплоэнергетикой, отоплением жилищ, сельским хозяйством и транспортом.
Автомобильный транспорт – ключевой источник загрязнения атмосферы, наряду с промышленными предприятиями. С каждым годом количество автотранспорта увеличивается, что влечет за собой рост выбросов вредных продуктов в воздушную оболочку планеты.
По данным «Государственного доклада о состоянии природных ресурсов и окружающей среды Республики Башкортостан» количество легковых автомобилей на территории Республики Башкортостан на 2022 год составило 1.653 млн. транспортных средства, что на 4% больше, чем в 2021 год. Динамика автомобилей по Республике Башкортостан имеет стабильный рост, что можно увидеть на рисунке 1
.
Рисунок 1 - Количество зарегистрированных легковых автомобилей по Республике Башкортостан за 2018-2022 г.
В мегаполисах и крупных городах загрязнение воздуха автотранспортом составляет от 60 до 70% от общего количества воздействия. Данная ситуация конечно же сказывается на здоровье человека: при вдохе в легкие попадают загрязняющие вещества автомобильных выхлопов как газообразные, так и твердые частицы – сажа, подрывая состояние всего организма. Повышенные концентрации обычно отмечаются в пределах нескольких десятков метров от дорог с интенсивным движением. К сожалению, многоэтажные здания, которые зачастую расположены вдоль дорог, уменьшают способность рассеивания выхлопным газам, что создает очаги загрязнителей и увеличение воздействия транспорта на городских жителей .
Помимо влияния на здоровье человека загрязнение выбросами автомобилями приводит к появлению как краткосрочных, так и долгосрочных эффектов на окружающую среду. Выбрасывая из выхлопной трубы, дымовой трубы или форсунки широкий спектр газов и твердых веществ, деятельность автотранспорта тем самым приводит к усилению парникового эффекта, а, следовательно, и к глобальному потеплению. Немаловажным негативным фактором также является увеличение выпадения кислотных дождей, шумовое загрязнение и розливы топлива .
Объем выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников в 2021 году составил 125.6 тыс. т., что на 6% больше по сравнению с 2020 г. (табл. 1).
Таблица 1 - Объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в 2012-2021 годах
Год РБ | Всего РБ, в т.ч., тыс. тонн | г. Уфа, тыс. тонн | г. Стерлитамак, тыс. тонн | г. Салават, тыс. тонн | г. Нефтекамск, тыс. тонн | г. Сибай, тыс. тонн |
2012 | 507,3 | 143,5 | 32,3 | 17,2 | 16,1 | 7,2 |
2013 | 334,7 | 82,2 | 14,2 | 12,1 | 8,7 | 4,2 |
2014 | 443,6 | 81,6 | 15 | 9,5 | 8,9 | 4 |
2015 | 450,4 | 81,6 | 15 | 9,5 | 8,9 | 4 |
2016 | 457,7 | 81,6 | 15 | 9,5 | 8,9 | 4 |
2017 | 422,3 | 81,6 | 15 | 9,5 | 8,9 | 4 |
2018 | 429,3 | 81,6 | 15 | 9,5 | 8,9 | 4 |
2019 | 127,1 | 38,6 | * | * | * | * |
2020 | 118 | * | * | * | * | * |
2021 | 125,6 | * | * | * | * | * |
Значительное снижение показателя объема выбросов от передвижных источников в 2013 году по сравнению с предыдущим годом объясняется тем, что объем выбросов рассчитан по данным, отраженным в «Методических рекомендациях по оценке выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников (автомобильный и железнодорожный транспорт)» Увеличение объема выбросов от передвижных источников в 2014 г. объясняется ростом парка автотранспортных средств в Республике Башкортостан. В 2017 году произошло уменьшение объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников. Это объясняется применением моторных топлив с улучшенными экологическими характеристиками Евро-4 и Евро-5, перевод автотранспорта на газомоторное топливо. В 2019 году также произошло уменьшение объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников. Это объясняется изменением методики расчета от данных источников
.Динамика изменения количества загрязняющих веществ от передвижных источников, выбрасываемых в атмосферу по Республике Башкортостан за 2011-2021 гг., представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 - Изменение количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников за 2011-2021 годы
Другими экологическими последствиями эксплуатации автотранспорта являются изменение и сокращение естественной среды обитания флоры и фауны, сельскохозяйственных угодий. Это происходит при разрастании городов, увеличении пробок на дорогах, что влечет за собой строительство новых дорожных покрытий .
2. Методы и принципы исследования
Существующие методы различных инструментов для расчета выбросов от автотранспорта для частных лиц, предприятий и других организаций сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Международные методы расчета
Название | Cуть | Необходимые данные для расчета | Авторы |
Методологические руководства МГЭИК | Расчет выбросов вредных веществ (оксидов азота, углеродных оксидов, углеводородов, частиц) от автомобилей на основе общих характеристик автомобильного транспорта и характеристик топлива . | Расчеты включают в себя анализ данных о типах транспортных средств и количестве, проводимых на определенном участке. Необходимо учитывать средние показатели расхода топлива, объема выбросов вредных веществ, уровней шума на 1 километр маршрута автомобиля. | Кристина Дэйвис Уолдрон (США) Йохен Харниш (Германия), Освальдо Люкон (Бразилия), и тд. |
Расчетная инструкция по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух | Определение количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспорта, с целью оценки его экологической нагрузки и разработки мер по снижению уровня загрязнения окружающей среды . | Расчет включает в себя оценку скорости движения автомобиля, пройденного расстояния, расхода топлива и качества топлива, а также параметры автомобильного двигателя. | Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт автомобильного транспорта» (ОАО «НИИАТ») |
Руководство ЕМЕП/ЕАОС по инвентаризации выбросов | Расчет выбросов выхлопных газов некоторых категорий дорожных транспортных средств . | Расчеты включают в себя оценку технических характеристик автотранспорта (тип двигателя, объем двигателя, мощность, год выпуска, тип топлива), а также учет условий эксплуатации. | Ведущие авторы: Leonidas Ntziachristos, Zissis Samaras
|
GHG (Greenhouse Gas) | Определение объема выбросов парниковых газов по всему жизненному циклу автомобиля, включая производство, эксплуатацию и утилизацию . | Расчеты включают в себя учет энергозатрат на производство и транспортировку автомобилей, объем потребляемого топлива и качество топлива, а также оценку процессов утилизации автомобилей. | World Recourse Institute (WRI) и World Business Council for Sustainable Development (WBCSD) |
Стандарт ISO 14064 | Стандарты ISO охватывают методы, связанные с оценкой выбросов парниковых газов и отчетностью для организаций . | Расчеты включают в себя определение начального уровня выбросов, разработку планов сокращения выбросов и мониторинг эффективности принятых мер. | – |
Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов атмосферы городов | Оценка выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортными потоками на городских магистралях . | Расчеты включают в себя интенсивность движения транспортного потока, протяженность дороги (или ее участка), а также пробеговые выбросы вредного вещества | Утверждена приказом Госкомэкологии России от 27 ноября 2019 года N804 |
Методики имеют общую цель оценку выбросов от автотранспорта. Различия заключаются в том, какие именно данные используются для оценки, какие методы используются для расчета, и какие рекомендации даются по использованию данной информации. Также каждая методика может иметь свои преимущества и недостатки в зависимости от целей и задач, для которых она используется. При выборе методики для конкретных целей следует учитывать специфику инициативы, наличие необходимых данных и опыта в использовании той или иной методики.
Для дальнейших расчетов выбрана методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов атмосферы городов, которая была разработана для оценки вклада автотранспорта в загрязнение атмосферы. Основная суть методики заключается в оценке объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспорта с целью определения уровня его экологической нагрузки и разработки мер по уменьшению загрязнения окружающей среды.
Преимуществами данной методики являются простота применения и учет различных характеристик автомобилей.
Недостатком методики может быть неточность расчетов из-за некоторых упрощений, таких как отсутствие учета атмосферных условий, таких как скорость ветра и температура воздуха. Кроме того, данные методики не учитывают влияние на окружающую среду отдельных факторов, таких как загрузка автомобилей и ситуации на дорогах.
В целом, методика является практичным и доступным инструментом для определения уровня выбросов и эффективности мер по снижению выбросов, однако не может заменить более точные методы расчетов. Так как данная методика проста в применении, то именно данная методика будет применяться для упрощенного расчета выбросов от автомобильного транспорта с использованием географических систем
.Программа УПРЗА «Эколог» рассчитывает приземные концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Позволяет произвести расчет рассеивания с помощью имеющихся данных и получить графическое представление выбросов на выбранном маршруте.
3. Описание и результаты работы
Опираясь на исследование В.Р. Битюкова и Н.А. Мозгунова «Оценка интенсивности транспортных потоков с использованием геоинформационных систем ИнтерКарго», исследовать интенсивность транспорта можно несколькими способами. Первый традиционный – это наблюдение за природой и определение силы транспорта. Однако этот метод имеет ограничения, связанные с трудоемкостью процесса и трудностями воспроизведения наблюдений .
Второй метод позволяет рассчитывать прочность участков дороги, не прибегая к полевым изысканиям, в том числе с использованием информации о загруженности дорог, полученной путем обработки и сравнения данных из различных источников.
Предложена упрощенная методика расчета выбросов от автомобильного транспорта, для этого в расчетах выбросов используется интенсивность движения, рассчитанная с использованием геоинформационных систем. Согласно предлагаемой модели, среднесуточная интенсивность транспортного потока определяется по формуле (1):
где – среднесуточная скорость движения транспортного потока, м/с;
– продолжительность действия разрешающего движение сигнала светофора, сек.;
– количество циклов действия разрешающего движение сигнала светофора за 60-минутный период времени, шт.;
n – количество полос для движения на заданном участке;
– поправочный коэффициент, учитывающий расстояние данного участка дороги до центра города. Для определения значений коэффициента требуется произвести поиск центра населенного пункта.
2·lср + D – динамический габарит – участок дороги, в метрах, минимальная длина, необходимая для безопасного движения в потоке транспорта при заданной скорости транспортного средства (динамическое расстояние), длина которого включает удвоенную среднюю длину транспортного средства и «эффективную дистанцию» – рекомендуемую минимальную дистанцию между движущимися автомобилями в метрах, определяется как ½ от модуля скорости движения в км/ч. То есть, если скорость движения равна 60 км/ч, эффективная дистанция составит 30 м.
В действительности это расстояние не соблюдается в часы пик, и при низкой транспортной загруженности, так как количество машин на дороге недостаточно для ее использования. Поэтому предполагается, что это условие наиболее подходит для периодов, характеризующихся интенсивностью движения, близкой к среднесуточной.
Используем данную формулу для расчета интенсивности движения по выбранному маршруту г. Уфа (рисунок 3). Но так как точки между началом и концом маршрута могут быть разделены достаточным расстоянием, и включать в себя участки с разной загруженностью, и разным количеством полос движения на разных улицах, то необходимо разделить выбранный маршрут на участки, что позволит более точно определить интенсивность на маршруте.
Рисунок 3 - Исследуемый участок движения автотранспорта предприятия г. Уфа
Таблица 3 - Результаты расчетов по маршруту Аксакова,97 – Элеваторная, 12
Участок маршрута | Время, ч | Расстояние, км | Средняя скорость, км/ч | Интенсивность, ед/ч |
Маршрут по ул. Аксакова | 0,05 | 1,64 | 33 | 371 |
Маршрут по ул. Заки Валиди | 0,067 | 1,75 | 26,12 | 519 |
Маршрут по ул. Воровского | 0,016 | 0,35 | 10,6 | 816 |
Маршрут по проспекту Салавата Юлаева | 0,17 | 7,5 | 46,9 | 3870 |
Оренбургский тракт | 0,067 | 2,62 | 39 | 6966 |
Маршрут до Элеваторной,12 | 0,16 | 3.27 | 20 | 2063 |
Маршрут Аксакова,97 – Элеваторная, 12 | 0,6 | 17,2 | 31,2 | 2218 |
Участком с наименьшей интенсивность движения является улица Аксакова, участком дороги с наибольшей интенсивностью транспортного потока является участок Оренбургского тракта. Средняя интенсивность движения автомобилей на всем маршруте составила примерно 2218 ед/ч.
Расчет выбросов от автомобильного транспорта для каждого участка маршрута выполнен с помощью методики определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от передвижных источников для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха (табл. 4).
Таблица 4 - Результаты расчета выбросов загрязняющего вещества движущимся автотранспортным потоком
Участок | СО | NO | NO2 | Бензин | Твердые частицы | SO2 | Формальдегид | Бенз(а) пирен | CH4 |
Ул. Аксакова | 0,14 | 0,0066 | 0,041 | 0,04 | 0,00084 | 0,001 | 0.,00023 | 0,03 · 10-6 | 0,06 |
Ул. Заки Валиди | 0,25 | 0,012 | 0,067 | 0,072 | 0,0015 | 0,002 | 0,00042 | 0,05 · 10-6
| 0,011 |
Ул. Воровского | 0,086 | 0,0041 | 0,021 | 0,025 | 0,00052 | 0,0006 | 0,00014 | 0,02 · 10-6
| 0,0038 |
Проспект Салавата Юлаева | 5,9 | 0,23 | 2,7 | 1,7 | 0,036 | 0,044 | 0,0099 | 0,12 · 10-6
| 0,26 |
Оренбургский тракт | 3,4 | 0,17 | 1,00 | 0,989 | 0,021 | 0,025 | 0,0057 | 0,68 · 10-6
| 0,15 |
До улицы Элеваторная | 2,02 | 0,097 | 0,59 | 0,58 | 0,012 | 0,15 | 0,0034 | 0,4 · 10-6 | 0,09 |
Результаты расчетов максимально разовых и валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух внесем в программу УПРЗА «Эколог». Программа УПРЗА «Эколог» позволят произвести расчет рассеивания с помощью имеющихся данных. Расчет производился на примере улицы Аксакова и Оренбургского тракта по всем загрязняющим веществам.
Результат расчета рассеивания по улице Аксакова показал, что превышение ПДК загрязняющих веществ по данному участку отсутствует (рис. 4).
Рисунок 4 - Расчет рассеивания всех веществ для маршрута 1 по ул. Аксакова
Рисунок 5 - Расчет рассеивания всех веществ для маршрута 2 по Оренбургскому тракту
4. Заключение
Проведенное исследование дает возможность для применения упрощенного расчета выбросов загрязняющих веществ от автомобильного транспорта для графического представления результатов.
Проведенным исследованием установлено, что на выбранном маршруте г. Уфа выбросы на участке дороги с наибольшей интенсивность будет присутствовать превышение ПДК загрязняющих веществ для оксида азота, формальдегида и бензина.
Поэтому необходимо применять в городе мероприятия для возможного снижения выбросов от автомобильного транспорта. Для снижения выбросов от автомобильного транспорта может использоваться методика расчета замены экологического класса на всей территории Республики Башкортостан. Результаты расчета использования данной методики показывают, что при замене всех автомобилей на экологический класс ЕВРО-5 выбросы вредных веществ от легковых автомобилей сократятся на 90%. Поэтому замена экологического класса ЕВРО как в отдельности, так и в совокупности с другими мероприятиями по снижению воздействия автомобильного транспорта на экологию может внести существенный вклад в снижение вредных выбросов с отработавшими газами автомобильных двигателей.