К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ГАЗООБМЕНА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ НАГРУЗКАХ
К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ГАЗООБМЕНА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА (CO2) ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ НАГРУЗКАХ
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы оценки газообмена потоков диоксида углерода (СО2), в системе почва-атмосферный воздух. Представлены результаты газообмена (почвенного дыхания), при длительных периодах (циклах), автотранспортной нагрузки в условиях локальных участков урбанизированной территории. В качестве объекта исследования представлена территория кампуса Российского университета дружбы народов (РУДН). Проведённые исследования на локальных участках, выявили различную сезонную и суточную динамику почвенной эмиссии СО2 исследуемой территории. Исследование циклов почвенной эмиссии СО2 выявили разницу интенсивности почвенного дыхания в период активизации автотранспортных потоков. Оценка связи автотранспортной нагрузки с динамикой эмиссионных потоков СО2 доказывает наличие транспорта в качестве основного источника генерации парниковых газов.
1. Введение
Проблемы генерации парниковых газов, в результате длительной транспортной нагрузки, представляют наибольший интерес, в условиях роста парникового эффекта. Повсеместное увеличение транспортной нагрузки, формирует рост генерации парниковых газов, метана (СН4), закиси азота (N2O) включая увеличение концентрации диоксида углерода (СО2). Диоксид углерода из-за значительных объемов эмиссии, высокой концентрации и широких пределов времени пребывания в атмосфере (от 5 до 200 лет), считается главным парниковым газом. По данным
доля CO2 в суммарном радиационном воздействии долгоживущих парниковых газов составляет 63, метана – 18,5, а закиси азота – 6,2%. Проблемы роста эмиссий СО2, антропогенного происхождения в городских условиях представляет интерес, ввиду угрозы изменения климата и деградации среды, городов и крупных населенных пунктов. На сегодняшний день имеется большой объем исследований оценки эмиссий СО2, от автотранспортных потоков , , . Ряд последних исследований , , , затрагивает вопросы роста генерации СО2, формирования углеродного следа в естественных и урбанизированных территориях. Где подробно рассматриваются аспекты эмиссий парниковых газов, экономические, социальные вопросы роста концентраций СО2. При этом вопрос газового обмена СО2 в системе почва – атмосферный воздух, при длительных автотранспортных нагрузках, остается открытым.Как известно, эмиссия CO2 городскими почвами значительно отличается от естественных и в ряде случаев превосходит их, являясь, в том числе, одним из основных источников эмиссий, в атмосферный воздух
, . Как показывают данные , для общего почвенного дыхания и отдельных его компонентов характерны высокая динамичность во времени и пространственное разнообразие. Вопросы почвенного дыхания в глобальном круговороте углерода изучены широко. Но остается малоизученной динамика газообмена, при автотранспортных нагрузках, локальных территорий. Учитывая очень высокую неоднородность городских почв, можно ожидать еще большее увеличение пространственного и временного разнообразия эмиссии СО2 по сравнению с фоновыми аналогами.В отношении газообмена почвенного покрова и атмосферного воздуха, актуальным вопросом является взаимосвязь с транспортной нагрузкой. Транспорт стимулирует циклические процессы, эмиссий загрязнителей, что может быть определено оценкой поступления в условиях локальных участков. Целью имеющегося исследования является оценка генерации СО2, в качестве источника газообмена почва – атмосферный воздух при длительных автотранспортных нагрузках.
2. Методы и принципы исследования
Объектом исследования является территория университетского кампуса Российского Университета Дружбы Народов. Проект мониторинга за состоянием компонентов окружающей среды кампуса проводится с 2017 г. За этот период собран значительный аналитический материал, по данным эмиссий загрязнителей атмосферного воздуха, почвенного и растительного покрова
, .
Рисунок 1 - Схема функционального зонирования исследуемой территории
Инструментальные замеры концентраций СО2, проводились в период весенне-летнего и осеннего периодов. Оценка газообмена в зимний период была затруднена, ввиду наличия устойчивого снежного покрова. Дополнительно были проведены суточные замеры концентраций газообмена в точках профиля территории. Профильная оценка территории кампуса, была установлена по данным расстояния миграции СО2, от автотранспортных участков. Замеры были, проведены в точках мониторинга кампуса РУДН, равномерной сети наблюдений, состоящих из 33 точек наблюдения, прилегающих к 5 транспортным участкам, с равномерным шагом в 100 метров.
Расчет эмиссий СО2, с подсчетом количества единиц автотранспорта, был проведен с использованием аттестованных методик
. В качестве исходных данных, был произведен расчет количества единиц автотранспорта разных категорий на 5 автотранспортных участках.3. Основные результаты
Полученные результаты исследования указали на неоднородность эмиссий СО2 на пяти участках, исследуемой территории. Автотранспортные участки, прилегающие к территории кампуса РУДН, характеризуются различной интенсивностью транспортного движения. Наиболее нагружены участки Ленинского проспекта, имеющие круглосуточное транспортное движение. Участок ул.Миклухо-Маклая, проходящий через территорию автотранспортной зоны кампуса, имеет высокую интенсивность преимущественно в дневные часы. Участки с меньшим объемом транспортной нагрузки ул.Саморы Машела и ул.Опарина, имеют меньший объем транспортных потоков, с количеством от 1 до 5 млн.год.
В таблице 1, представлены данные результатов расчета эмиссий ПАУ, на 5 транспортных участках, с указанием их характеристик и параметров.
Таблица 1 - Данные расчетной нагрузки ТЧ и ПАУ с учетом структуры автотранспортных потоков, на 5 участках автодорог
Характеристики и параметры, транспортных участков | Уасток1. ул.Миклухо-Маклая | Участок 2. Ленинский проспект. Южная сторона | Участок 3. Ленинский проспект. Северная сторона | Участок 4. ул.Саморы-Машелла | Участок 5. ул.Академика Опарина |
Ширина дорожного полотна, м | 14,5 | 35,1 | 35,1 | 8,5 | 8,5 |
Протяженность участков, м | 1000 | 1000 | 1180 | 430 | 1100 |
Количество АТС, млн/год | 7,9 | 28,5 | 27,1 | 1,6 | 5,1 |
Интенсивность потока АТС/час | 910 | 3590 | 3115 | 192 | 613 |
Модуль нагрузки на автотрассу, АТС м2/год | 495 | 787 | 559 | 335 | 390 |
Эмиссии СО2, крупногабаритный транспорт, т/год | 2,5 | 9,1 | 10,2 | 0,2 | 1,8 |
Сумма СО2, от крупногабаритного транспорта, т/год | - | - | - | - | 23,7 |
Эмиссии СО2, легковой транспорт, т/год | 6,6 | 24,1 | 27,6 | 0,57 | 4,79 |
Сумма СО2, от легкового транспорта т/год | - | - | - | - | 63,6 |
Вид АТС % | - | - | - | - | - |
Легковой транспорт | 85 | 90 | 90 | 95 | 81 |
Крупногабаритный включая, пассажирские автобусы до 3,5 т | 15 | 10 | 10 | 5 | 11 |
Из результатов таблицы 1, отмечено увеличение эмиссий СО2, на наиболее нагруженных транспортных участках 1, 2 и 3 ул.Миклухо-Маклая и Ленинского проспекта от 0,57 до 6,6 т/год. По имеющимся результатам, выделен закономерный рост эмиссий диоксида углерода в зависимости от количества автотранспортных средств, 5 транспортных участков. По результатам расчета эмиссий СО2, участки с наиболее интенсивным транспортным движением, характеризуются повышенным объемом выбросов в годовом эквиваленте.
В исследовании
приведены сведения увеличения эмиссий СО2 от профилей транспортной нагрузки. Для детализации оценки влияния выбросов автомобильного транспорта на прилегающие территории использовался метод профилирования, указывающий на возможности рассеивания выбросов в придорожной зоне. Выбор профилей производился с учетом интенсивности движения, расположения светофоров, остановок, а также структуры прилегающей территории.По данным собственных результатов, рост потоков диоксида углерода, от основных транспортных участков, характеризовался увеличением профиля нагрузки, на расстоянии 100–200 м, (рисунок 2-3).
Рисунок 2 - Изменение концентрации диоксида углерода от ул. Миклухо-Маклая через административную зону
Рисунок 3 - Изменение концентрации диоксида углерода по профилю от Ленинского проспекта до Юго-Западного лесопарка
Усредненная оценка концентраций СО2, в точках 3 условных зон характерна преимущественно для автотранспортной зоны. Сопоставление результатов, генерации СО2 в почвенном покрове и атмосферном воздухе характеризуется ростом от 796 до 1935 мг/м3 в атмосферном воздухе от 1306 до 2387 мг/м2 в почвенном покрове. При среднесуточной (ПДКсс) 3мг/м3 и максимально разовой (ПДКмр) 5 мг/м3. Сопоставление данных генераций СО2, в почве фоновой территории лесопарк и социально административной зоны, указывает на меньший объем эмиссий СО2. Так, по данным , , в условиях естественных систем, потоки диоксида углерода фоновых территорий не превышают значений от 756 до 1100 г/м2. В исследованиях , ; приведены сведения о росте эмиссий СО2, в селитебных и промышленных зонах.
Рисунок 4 - Краткосрочная сезонная динамика почвенного дыхания и влажности почвы
Рисунок 5 - Краткосрочная сезонная динамика почвенного дыхания и температуры почвы
Рисунок 6 - Сезонная изменчивость потоков почвенной эмиссии СО2 в фоновой и транспортных точках на участках наблюдений
Рисунок 7 - Суточная изменчивость потоков почвенной эмиссии СО2 в фоновой и транспортных точках на участках наблюдений
В таблице 2 приведены сведения корреляционной связи потоков эмиссий диоксида углерода с гидротермическими значениями исследуемой территории.
Таблица 2 - Корреляционные связи в точках разной степени автотранспортной нагрузки
СО2 атмосфера | СО2 почва | |||||
температура | лесопарк | соц. адм. часть | автотрасса | лесопарк | соц. адм. часть | автотрасса |
лето | -0,27 | -0,43 | 0,48 | 0,66 | -0,51 | 0,38 |
весна | 0,44 | -0,02 | 0,40 | -0,27 | -0,05 | 0,50 |
осень | 0,31 | 0,15 | 0,17 | 0,49 | -0,29 | 0,31 |
влажность | СО2 атмосфера | СО2 почва | ||||
лето | 0,22 | 0,85 | -0,05 | -0,45 | -0,13 | -0,17 |
весна | 0,60 | -0,26 | -0,07 | 0,60 | 0,43 | -0,41 |
осень | -0,02 | -0,07 | 0,06 | -0,12 | -0,08 | -0,51 |
Результаты корреляции указывают на слабую положительную связь температуры и эмиссий СО2 в теплые периоды времени года. Наиболее положительная связь отмечена с влажностью атмосферного воздуха для административных и парковых зон 0,85 и 0,60 соответственно. Связь с эмиссий с влажностью и температурой 3 зон территории, имела более достоверные значения в зоне автотрассы и лесопарковой зонах, в весенне-летний период. При росте температуры и влажности приземного атмосферного воздуха и почвенного покрова отмечен рост концентраций СО2 в 3 зонах территории. В летний период времени отмечен увеличенный прирост СО2 в почвенном покрове автотранспортной зоны. Весенний и осенний периоды указывают на уменьшение генерации СО2 в почвенном покрове 3 зон исследуемой территории. Следует отметить изучение почвенного газообмена на рубеже 90-х годов прошлого века
, , . Проводимые исследования затрагивали генерацию СО2 в почвенном покрове в условиях естественных и антропогенно-измененных экосистемах и биомах , , . В исследованиях авторов , , рассматриваются связи генерации и газообмена СО2 в контексте с ростом парникового эффекта и изменениями климата. Указанные исследования позволяют выстроить подробную картину проблемы роста концентрации СО2 в различных участках мира. При этом дальнейшее развитие связи с прямым техногенным источником, позволит определить опосредованные последствия транспортной нагрузки в контексте формирования парникового эффекта.Дополнительным параметром оценки цикличности эмиссий СО2 от автотранспортной нагрузки выступает оценка суточной динамики газообмена. Суточная динамика позволяет выделить наиболее вероятные изменения концентраций, связанные с периодами транспортной нагрузки. Для оценки влияния урбанизации на почвенную эмиссию СО2 необходимо понимание отличий пространственного разнообразия и временной динамики общего дыхания корневого и микробного компонентов городских почв от таковых для ненарушенных фоновых аналогов.
Результаты концентрации диоксида углерода в почвенном покрове и атмосферном воздухе, в привязке к временному периоду нагрузки указывали на рост концентрации в точке 26, автодороги ул.Миклухо-Маклая. Увеличение концентрации СО2 приходится на дневные часы, в период с 13:00 до 15:00, что соотносится с результатами расчета транспортной нагрузки, приведенной в работе
. Точки 8 и 14, удаленные от основных транспортных магистралей и расположенные в лесопарковой зоне, указывают на менее интенсивный прирост. В этом отношении можно говорить о наличии различий в условиях естественных и техногенных территорий. Корреляционный анализ связи газообмена в системе почва-атмосферный воздух, указывает на сходство прироста между точками, расположенными близко к автотранспортной зоне, 0,76 до 0,92. Благодаря применению оценки процессов газообмена в фоновых точках и точках с различной степенью автотранспортной нагрузки, удалось выделить закономерность влияния автотранспортных потоков. Наиболее нагруженные временные интервалы, с наибольшим приростом транспорта характеризовались одновременным ростом эмиссий СО2.В имеющимся случае увеличению роста концентрации, могут способствовать изменение структуры почв, расширение площади асфальт дорожного покрытия, приводящего к фактору запечатанности, почвенного покрова. Полученные данные пространственной и сезонной динамики, указывают на увеличение эмиссий СО2, преимущественно в районе наибольших автотранспортных нагрузок. Все вышесказанное доказывает связь эмиссий диоксида углерода, при длительных циклах автотранспортных выбросов.
4. Заключение
Проведенный анализ оценки газообмена СО2, между почвой и атмосферным воздухом, доказывает вклад транспортной нагрузки, в качестве основного источника парниковых газов, на примере генерации диоксида углерода. Использование инструментальных замеров, в соотношении с расчетно-методическим анализом данных эмиссий, подтверждает вклад генерации СО2, от отработанных газов автотранспорта. Применение высококачественного топлива марок Euro5-6, не снижает уровня эмиссий диоксида углерода. Использование профильной оценки генерации СО2, в привязке к транспортным участкам разной степени интенсивности движения, доказывает вклад источников автотранспортной нагрузки в потоковые эмиссии диоксида углерода. Сравнение суточных циклов генерации СО2 со временем наибольшего прироста транспортных средств также подтверждает наличие основного вклада автотранспорта в загрязнение исследуемой территории. Имеющаяся тенденция роста эмиссий парниковых газов на примере диоксида углерода в условиях локальных участков делает необходимым последующую комплексную оценку в условиях урбанизированной среды.