VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Работа выполнена под руководством доцента кафедры метрологии, стандартизации и сертификации Оренбургского государственного университета – профессора РАЕ, д.т.н., доцента Третьяк Л.Н.

Автомобиль является основным источником загрязнения воздуха, воды и почвы, а также физического воздействия (шум, вибрации, электромагнитные излучения) на окружающую среду. В последнее время этим аспектам уделяется все большее внимание: совершенствуются методы определения токсичных веществ, ужесточаются нормы выбросов, совершенствуются контроль и система стимулирования.

Снижение вредных выбросов в отработавших газах двигателями внутреннего сгорания представляет собой многогранную проблему, решение которой связано с совершенствованием рабочих процессов, систем технического обслуживания, развитием способов нейтрализации отработавших газов. В состав атмосферы из общего объема выбросов всеми источниками до 40 % токсичных веществ по массе поступает из выпускных патрубков двигателей внутреннего сгорания, в том числе до 34 % выбросов окиси углерода (СО), до 64 % окислов азота (NО_х) и до 30 % твердых частиц (ТЧ), в том числе сажи. Однако источниками выделения загрязняющих веществ от автомобиля являются не только отработавшие газы ДВС но и:

- детали топливоподающей аппаратуры, системы смазки и охлаждения, аккумуляторная батарея;

- элементы ходовой части (шины, тормозные накладки);

- элементы трансмиссии (диск сцепления, картеры коробки передач и главной передачи);

- покрытия (краски, лаки, пластики, антикоррозийные покрытия и т.п.).

Цель исследования – анализ загрязнения приземного слоя атмосферы пылегазовыми выбросами и оценка уровня токсичного влияния вредных веществ от автотранспортных потоков на наиболее загруженных перекрестках центрального района города Оренбурга.

Существующие в мире стандарты на выбросы автотранспортных средств (АТС) предусматривают только проверку среднего уровня выбросов выхлопных газов при имитации движения автомобиля, проверку концентрации СО, С_xH_у в режиме холостого хода; контроль выбросов картерных газов; определение выбросов углеводородов в результате испарения топлива в системе питания [1].

К непосредственно нормируемым вредным веществам относятся: диоксид углерода (углекислый газ) СО₂; монооксид углерода (угарный газ) СО; оксиды азота NO_x(суммарно); твердые частицы (РМ); суммарные углеводороды (С_xH_у).

Однако опасность от автомобильного транспорта для населения в городах сегодня в значительной степени определяется эмиссией в окружающую среду не только продуктов сгорания топлива в ДВС: оксида углерода, углеводородов, окислов азота, бенз(α)пирена, твёрдых частиц, но и продуктов износа шин, тормозных колодок, асфальтовых испарений и вторичных-третичных продуктов их взаимодействия, опасных для здоровья людей, находящихся длительное время в зоне выброса. При высокой интенсивности и плотности транспортного потока, особенно в «часы пик», а также при неблагоприятных метеорологических условиях и «сплошной» застройке кварталов, примыкающих к автомагистралям, препятствующих естественной очистке воздуха от вредных автомобильных выбросов, в этих районах может сложиться неблагоприятная экологическая ситуация. Известны случаи загрязнения приземного слоя атмосферы автомобильным «смогом» в европейских странах, которые потребовали эвакуации населения.

Сотрудниками кафедры Автомобильного транспорта ВолгГТУ установлено, что за каждые 1000 км пробега по городским магистралям от автомобиля категории М1 (микроавтобус «Газель») в воздух поступает пыли от тормозных колодок передних тормозных механизмов 23,8-33,2 г, от двух передних и четырёх задних шин 80,5-260,7 г. По оценкам американских учёных, за последние десять лет в США эксплуатировалось в среднем 782 млн. шин, от каждой из которых образовывалось свыше килограмма пыли в год. Что соответствовало общему количеству шинной пыли, ежегодно выбрасываемому в городах автотранспортом, равному 880-900 тыс. тонн. Принимая во внимание также, что колёсами одного автомобиля снимаются асфальтовые покрытия слоем до 1 мм в год, то на шоссе шириной 10 м и длиной 10 км общая масса пыли может составлять не менее 100 т [2].

Современные модели экологического мониторинга загрязнения атмосферы городов вблизи автомобильных дорог основаны на использовании статистических данных о техническом состоянии транспортных средств, качестве применяемых моторных топлив и масел, интенсивности движения при определении массовых выбросов вредных веществ отработавших газов ДВС. Однако в моделях не учитываются на порядки более токсичные вещества, содержащиеся в пылевом облаке, образующемся под влиянием автотранспортного потока. Кроме этого очень сложно смоделировать реальную экологическую обстановку на каждом конкретном перекрёстке или участке автомобильной дороги в определенный период времени.

Современное газоаналитическое оборудование и методы измерений (газовая, жидкостная, ионная хроматография, масс-спектрометрия и т.д.) позволяют производить оценку не суммы загрязняющих веществ, а их отдельных компонентов, более 200 загрязняющих веществ разного уровня агрессивности и токсичности.

К наиболее опасным веществам, содержащимся в пылевом облаке, поддающимся достоверному контролю (измерению), относятся:

- ароматические углеводороды (бензол, толуол);

- полиароматические углеводороды (ПАУ);

- алкины (формальдегид, ацетон, бензальдегид);

- фенолы (фенол, силицилальдегид, m,p,o-крезон);

- хлорфторугеводороды (ХФУ);

- соединения азота (NH₃, HCN, нитрозоамины);

- соединения серы (SO₂, H₂S, сульфаты);

- аэрозольные частицы (Pb, Cu, Zn, Co и т.д.).

Однако в практике традиционного мониторинга ограничиваются только контролем нормируемых вредных веществ и не учитывают их составляющие, относящиеся к высшим классам опасности – токсичные компоненты состава углеводородов и мелкодисперсной пыли. Пример результатов расчётов значений валового выброса (знаменатель) и концентрации (числитель) вредных веществ отработавших газов и мелкодисперсной пыли на магистралях общегородского значения при данном подходе приведен в таблице 1 [2].

Таблица 1 – Расчётные значения выбросов и концентраций вредных веществ на магистралях

Нами проведён анализ загрязнения приземного слоя атмосферы автомобильных дорог города Оренбурга. При этом использованы первичные протокольные данные экологических служб города Оренбурга и Оренбургской области.

Улицы города Оренбурга имеют радиально-кольцевое расположение автомобильных дорог. Для того чтобы переехать из одного конца города в другой автомобилисту приходится пресекать центр города, что повышает интенсивность автотранспортного потока и создаёт дополнительную экологическую нагрузку. Поэтому объектами исследования из 34 мониторинговых перекрёстков города Оренбурга нами были выбраны шесть наиболее загруженных перекрёстков в Центральном районе, средняя интенсивность транспортного потока на контролируемых улицах составила 800±100 ед. час, максимальная до 2500 ед. час. Схема города с указанием исследуемых точек приведена на рисунке 1.

Для оценки уровня загрязнения приземного слоя атмосферы автомобильных дорог нами определены средние выбросы вредных веществ (таблица 2), а также сезонные концентрации на каждом из исследованных перекрёстков (таблица 3) в период с 2010- 2014 г.г.

Рисунок 1 – Схема расположения исследуемых перекрёстков Центрального района города Оренбурга

Таблица 2 – Усреднённые концентрации выбросов вредных веществ в период с 2010-2014 гг, мг/м³

Таблица 3 – Сезонные концентрации вредных веществ на исследуемых перекрёстках, мг/м³

Исследование показало наличие в приземном воздухе исследуемых перекрёстков повышенных концентраций оксида углерода и углеводородов в весенние, летние и осенние месяцы, когда устанавливается тёплый и сухой климат. Наиболее представительными месяцами для анализа, в которые зафиксированы максимальные концентрации, являются май, июнь, июль и август. В эти периоды времени нами рекомендуется усилить мониторинг загрязнения приземного слоя атмосферы, а также предпринять дополнительные действия для снижения экологической нагрузки в данном районе.

Для более полного анализа влияния климатических факторов окружающей среды на концентрации вредных веществ нами проведён анализ изменения концентраций вредных веществ от скорости ветра, давления, влажности и температуры. Как и предполагалось, скорость ветра является основным климатическим фактором, влияющим на изменение концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы, причём с увеличением скорости ветряного потока наблюдается стабилизация концентраций веществ на более низком уровне (рисунок 2).

Рисунок 2 – Динамика изменения концентраций вредных веществ в зависимости от скорости ветра на перекрестке ул. Донгузская, Чичерина, М. Горького

Проведённое исследование уровня загрязнения приземного слоя атмосферы перекрёстков Центрального района города Оренбурга показало, что изменения концентраций вредных веществ зависит не только от интенсивности потока, пропускной способности дорог, жилой застройки, но и климатических условий. Причём концентрации оксидов азота, оксида серы и сероводорода изменяются незначительно и остаются на относительно низком уровне. Это можно объяснить тем, что данные вещества не накапливаются в приземном слое атмосферы и быстро выветриваются за счёт естественной вентиляции перекрёстков, поэтому результаты мониторинга этих веществ не отражают реальную степень загрязнения на данном участке и не могут в полной мере характеризовать экологическую обстановку с учётом степени токсичности загрязняющих веществ.

Из проанализированных нами веществ наиболее представительными с точки зрения загрязнения приземного слоя атмосферы токсичными составляющими выбросов мы приняли углеводороды С₁-С₅ (в пересчёте на метан) и С₁- С₁₀ (в пересчёте на органический углерод). Эти группы углеводородов мы рассматриваем как критерии оценки токсичности состава отработавших газов, асфальтовых испарений, продуктов износа шин и их взаимодействия [3, 4]. Анализ изменения концентраций вредных веществ по годам (рисунок 3) показывает динамику углеводородов (С₁-С₅, С₁-С₁₀) в сторону их увеличения, так как с каждым годом количество автомобилей в городе растёт в среднем на 6 %. Однако обновляется в основном парк легковых автомобилей (59 %), тогда как большинство грузовых автомобилей и автобусов (41 %) не отвечают современным требованиям по токсичности выбросов вредных веществ (ЕВРО-4, ЕВРО-5).

Рисунок 3 – Изменения концентраций вредных веществ по годам на перекрестке ул. Донгузская, Чичерина, М. Горького

Таким образом, загрязнение приземного слоя атмосферы магистралей и автомобильных дорог от автотранспортных потоков токсичными составляющими пылегазовых выбросов представляет собой основную экологическую проблему современных мегаполисов и крупных городов. Для снижения уровня загрязнения приземного слоя атмосферы перекрёстков Центрального района города Оренбурга нами предлагается комплекс организационно-технических мероприятий, предусматривающий:

- дооснащение устаревших АТС совершенными системами нейтрализации [5];

- организацию дорожного движения;

- своевременное обслуживание дорожного покрытия;

- внедрение современных экологически чистых технологий при производстве асфальтовых покрытий и автомобильных шин;

- постоянный экологический мониторинг наиболее загрязнённых перекрёстков и магистралей города Оренбурга по показателям, являющимся индикаторами токсичного воздействия от автотранспортных потоков с учётом климатических факторов.

Список использованных источников

1 Рябчинский, А.И. Экологическая безопасность автомобиля/ А.И. Рябчинский, Ю.В. Трофименко, С.В. Шелмаков; под ред. член-корр. РАН Луканина В.Н./ МАДИ-ТУ. М., 2000. – 95 с.

2 Гудков, В.А. Безопасность транспортных средств (автомобили) / В.А. Гудков, Ю.Я. Комаров, А.И. Рябчинский, В.Н. Федотов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2010. – 431 с.

3 Третьяк, Л.Н. Обеспечение экологической безопасности городов от влияния автотранспортного комплекса. / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов, Е.М. Герасимов // Современные концепции научных исследований: сборник статей VII международной научно-практической конференции (г. Москва, 30-31 октября 2014 г.) – М.: 2014. – С. 152-156.

4 Вольнов, А.С. О системном подходе к оценке влияния автотранспортных средств в процессе эксплуатации на экологию городов / А.С. Вольнов, Л.Н. Третьяк // Вестник Оренб. Гос. Ун-та. – 2014. – №1. – С. 161–166.

5 Третьяк, Л.Н. Новые подходы к очистке отработавших газов двигателей внутреннего сгорания / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов, Е. М. Герасимов // Вестник Оренб. Гос. Ун-та. – 2014. – №10. – С. 36–43.

9