На правах рукописи
Полуэктова Мария Михайловна
МЕТОД ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Специальность: 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2009
Работа выполнена в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова»
Научный руководитель:
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Ложкин Владимир Николаевич
Официальные оппоненты:
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Степаненко Владимир Данилович, кандидат географических наук Пьянцев Борис Николаевич
Ведущая организация: Российский государственный гидрометеорологический университет.
Защита состоится 8 июля 2009 г. в 14 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 327.005.01 в государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова» по адресу: 194021, Санкт-Петербург, ул. Карбышева, д. 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова».
Автореферат разослан 8 июня 2009 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, доктор географических наук А. В. Мещерская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В 2007 году выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух на территории Российской Федерации достигли 16,3 млн. тонн при неуклонном росте объема выбросов с 1997 г.
В большинстве городов вклад выбросов автотранспорта в валовые выбросы составляет более 50%, а в крупных городах превышает 85 – 90%.
Наибольшие значения максимальных приземных концентраций вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе формируются вблизи автомобильных дорог и их пересечений, по которым с различной интенсивностью, плотностью и скоростью движутся автотранспортные потоки.
Состояние загрязнения атмосферного воздуха в городах Российской Федерации определяется на основании инструментального мониторинга, включающего наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и дополнительно с помощью передвижных лабораторий. Значения измеренных концентраций загрязняющих веществ в точке наблюдения фиксируют уровень загрязнения атмосферного воздуха без выявления источников загрязнения.
Определить вклад автотранспортных источников выбросов позволяет расчетная оценка загрязнения атмосферного воздуха, с помощью которой можно смоделировать конкретную ситуацию и дать прогнозные оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха с учетом улучшения экологических характеристик автотранспортных средств, развития уличнодорожной сети городов и др. факторов.
Развитие расчетного метода оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами необходимо в части усовершенствования метода определения параметров выбросов автотранспорта как источника загрязнения атмосферы, включающих характеристики автотранспортных потоков (интенсивность, структура, плотность, скорость движения) и величины удельных пробеговых выбросов и удельных выбросов в районах перекрестков.
Для повышения эффективности расчетов загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами появилась возможность проведения исследований на новом системном и техническом уровне с использованием технологии Географических Информационных Систем (ГИС). ГИС – информационная система, оперирующая пространственными данными. В отличие от обычных бумажных или отсканированных карт, c помощью электронной топографической основы города возможно учесть весь объем информации о множестве слоев разнообразной общегеографической и тематической информации о городе, в т.ч. об автомагистралях и прилегающих жилых массивах.
Таким образом, тема диссертации, посвященная разработке метода оценки загрязнения атмосферного воздуха городов вблизи автомагистралей и перекрестков выбросами автотранспорта с использованием современных ГИС, является актуальной и своевременной задачей.
Предмет исследования Предметом исследования являются закономерности формирования полей максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе вблизи городских автомагистралей и перекрестков при различных метеоусловиях в зависимости от характеристик движения автотранспортных потоков.
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы является разработка метода расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков на основе уточненных удельных выбросов ЗВ для различных категорий автотранспортных средств (АТС) с использованием современных ГИС.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
проведение натурных обследований состава и интенсивности автотранспортных потоков в ряде городов РФ;
разработка метода расчета удельных показателей выбросов основных загрязняющих веществ различных категорий АТС с учетом их экологических характеристик, а также уточнение коэффициентов, учитывающих изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения АТС;
применение современных геоинформационных систем для определения основных планировочных характеристик магистралей и перекрестков;
проведение расчетной оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС;
анализ зависимости уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Методы исследования При решении поставленных в работе задач проводились натурные эксперименты по определению характеристик автотранспортных потоков, расчетные и инструментальные оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ с использованием ГИС.
Научная новизна работы В диссертационной работе:
разработан метод определения удельных (пробеговых) выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, движущихся по автомагистралям;
разработан метод определения удельных выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, находящихся в зоне регулируемых перекрестков;
уточнены коэффициенты, учитывающие изменение выбросов оксида углерода, оксидов азота и углеводородов, в зависимости от скорости движения АТС;
предложен метод применения современных ГИС для определения основных параметров автотранспортных источников выбросов;
определены зависимости изменения уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков от параметров источников выбросов автотранспорта;
усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
Практическая значимость работы и внедрение результатов Основные результаты научных исследований по оценке загрязнения атмосферного воздуха вблизи основных автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС (MapInfo Professional, ArcView) апробированы и включены:
в «Методику определения загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям СанктПетербурга», «Методику расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух Санкт-Петербурга», «Методику по проведению сводных расчётов на основе компьютерного банка данных о выбросах загрязняющих веществ «Системы Эколог-город Санкт-Петербург», утвержденные распоряжениями Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга;
в сводный том «Охрана атмосферы и предельно-допустимые выбросы (ПДВ) города Архангельска» для нужд муниципального образования «Город Архангельск».
Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха г.Санкт-Петербурга автотранспортом с использованием ГИС послужила основой для принятия управленческих решений по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха Санкт-Петербурга автомобильным транспортом.
Результаты научных исследований рекомендовано использовать в качестве исходных данных для оценки и обоснования планируемых градостроительных решений по реконструкции транспортно-дорожной сети Архангельска в рамках «Комплексной транспортной схемы г.Архангельска на период 2008 – 2023 гг.»
Результаты исследований внедрены в атмосфероохранную деятельность, что подтверждено соответствующими актами.
Положения, выносимые на защиту 1. Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в районах автомагистралей с использованием ГИС.
2. Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в зонах перекрестков с использованием ГИС.
3. Метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
4. Результаты исследования уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков в зависимости от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Достоверность результатов и выводов диссертации Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом используемого фактического материала (данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха;
данные передвижной лаборатории контроля загрязнения атмосферного воздуха г.Архангельска; экспериментальные наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков г.Санкт-Петербурга, данные натурных обследований автотранспортных потоков вблизи автомагистралей и регулируемых перекрестков;
статистическая информация о возрастной структуре автомобильных парков по территории РФ), а также полученными значениями коэффициентов корреляции между расчетными и инструментальными значениями концентраций загрязняющих веществ.
Личный вклад автора Автор лично проводил натурные обследования структуры, интенсивности и скорости движения автотранспортных потоков и непосредственно участвовал в измерениях содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на автомагистралях и перекрестках г.СанктПетербурга. Автором самостоятельно разработан метод расчета выбросов загрязняющих веществ, включающий определение показателей удельных выбросов и учет изменения выбросов основных загрязняющих веществ от скорости движения автотранспортного потока. Автором лично усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха с использованием ГИС и проведена его апробация. Все представленные расчеты по определению выбросов загрязняющих веществ и применению ГИС при оценке загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом и изложенные результаты расчетов получены автором лично.
Апробация работы и публикации Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей»
(г.Санкт-Петербург, Государственный аграрный университет, 22-24 марта 2005г.), на Седьмой Международной научно-практической конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах»
(г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 21 – 22 сентября 2006 г.), на Пятой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (г.Санкт-Петербург, ГУАП, 31 января – 02 февраля 2007г.), на международной научно-практической конференции «Информационные технологии как основа управления в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды» (г.Санкт-Петербург, 29- ноября 2007 г.), на научно-практической конференции «Актуальные вопросы обеспечения безопасности дорожного движения» (г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 27 – 28 ноября 2008г.).
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе, статьи – в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий (Научно-технический журнал "Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе", №11; Журнал «Экология урбанизированных территорий», №3).
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Объем диссертации – 165 стр.
текста, в том числе 33 таблицы, 48 рисунков. Список использованной литературы включает 105 наименований на русском и английском языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, анализируется предмет и объект исследования, практическая ценность и реализация полученных результатов работы, также приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается характеристика автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха городов; анализируются существующие и применяемые в настоящее время методики оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в РФ и за рубежом; описывается подход к расчету выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта; анализируются метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха вблизи городских автомагистралей; приводятся примеры применения современных ГИС для оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами.
К основным загрязняющим компонентам в отработавших газах автомобилей относятся: оксид углерода (СО), оксиды азота (NО и NO2), углеводороды (CxHy). При режиме работы двигателя на холостом ходу и принудительном холостом ходу в отработавших газах автомобилей возрастает содержание продуктов неполного сгорания – в основном оксида углерода и углеводородов, при этом концентрации оксидов азота малы. При работе двигателя на средних и полных нагрузках, по сравнению с режимами холостого хода и принудительного холостого хода, уменьшаются концентрации оксида углерода (в 3 – 4 раза) и углеводородов (в 5 – 7 раз) и, наоборот, значительно увеличиваются концентрации оксидов азота (в 3 – раз).
За рубежом для практических расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта широко используются различные версии гауссовских моделей. К таким моделям относятся: американские CALINE- (California Line Source Model), ISC3 (Industrial Source Complex Model);
ROADWAY 2.0; HIWAY-2; финская CAR-FMI (Contaninants in the Air from a Road); датская OSPM (Operational Street Pollution Model); шведский программный комплекс AIRVIRO; румынская TRAF (a micro-scale street model for dispersion of pollutant emissions generated by traffic) словацкая – AUTOMOD;
венгерские HNS-ROAD, HNS-ISAQA; эстонская AEROPOL; польская EK 100W; голландская CAR II.
В РФ большинство работ по моделированию загрязнения атмосферного воздуха основаны на решении уравнения атмосферной диффузии.
Представлены экспериментальные данные, подтверждающие возможность использования расчетной схемы действующей в РФ методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86) для оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ вблизи автомагистралей и перекрестков.
Приведены основные положения методологии определения максимальных выбросов загрязняющих веществ на автомагистралях и в зоне регулируемых перекрестков. В качестве исходных данных для расчета выбросов автотранспорта используются результаты натурных обследований структуры, интенсивности и скорости движения автотранспортных потоков на автомагистралях города по основным категориям АТС, соответствующие значения удельных выбросов загрязняющих веществ и планировочные характеристики элементов улично-дорожной сети (ширина и длина автомагистрали, количество полос дорожного полотна и др.).
Показана необходимость совершенствования данного подхода в части уточнения удельных выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС с учетом введения на территории РФ современных требований на ограничение выбросов, коэффициентов, учитывающих изменение выбросов в зависимости от скорости движения АТС, и определения основных параметров источников выбросов с использованием ГИС.
Указывается, что одними из основных метеорологических факторов, обуславливающих перенос и рассеяние отработавших газов автомобилей в атмосфере, являются ветровые характеристики. Наибольшие концентрации наблюдаются при штиле и слабых скоростях ветра. С увеличением скорости ветра концентрации загрязняющих веществ уменьшаются. Вблизи автомагистралей опасным (соответствующим максимальным значениям концентрации) является направление ветра вдоль магистрали. По мере удаления от автомагистрали неблагоприятное направление ветра приближается к поперечному (90°).
На примере использования различных ГИС обосновывается актуальность проведения расчетов выбросов автотранспорта и загрязнения атмосферного воздуха на новом системном и техническом уровне.
Во второй главе приведена характеристика использованного материала. В работе были использованы: данные натурных обследований автотранспортных потоков; данные датчиков наблюдения Управления дорожного движения за интенсивностью движения автотранспортных потоков; данные автоматических стационарных станций по мониторингу загрязнения атмосферного воздуха (АСМЗВ); данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха.
Натурные обследования автотранспортных потоков, результаты которых использованы для расчета выбросов загрязняющих веществ, были проведены на отдельных автомагистралях и перекрестках г.Санкт-Петербурга (2008 – 2009 гг.), г.Архангельска (теплый период 2008 г.), г.Астрахани (теплый период 2004 г.). Дополнительно были учтены материалы Управления дорожного движения, послужившие основой для выявления часов максимальной нагрузки движения автотранспортных потоков, которые включают информацию об интенсивности и структуре движения автотранспортных потоков по основным автомагистралям г. Санкт-Петербурга за зимний период 2005-2006 гг.
Для сопоставления экспериментальных и расчетных значений концентраций загрязняющих веществ были использованы данные измерений концентраций СО, NO и NO2 и сопутствующих метеорологических параметров на автоматической станции г. Санкт-Петербурга за 2008 – 2009 гг., а также данные экспериментальных измерений, выполненных с участием автора с помощью передвижной лаборатории в зимний период 2009 г. вблизи отдельных перекрестков г. Санкт-Петербурга; в теплый период 2008 г. вблизи основных автомагистралей и перекрестков г. Архангельска.
В таблице 1 представлена характеристика использованного материала по г.Санкт-Петербургу, г.Архангельску и г.Астрахани.
Для обследуемых городов приводится краткое описание многолетних климатических характеристик, влияющих на рассеивание примесей (табл.2).
Климатические характеристики и коэффициенты, определяющие условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере городов Коэффициент A, зависящий от температурной стратификации атмосферы.
Средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, 0С Средняя температура воздуха наиболее холодного месяца года (для котельных, работающих по отопительному графику), С.
Скорость ветра U*(м/с), повторяемость превышения которой (по средним многолетним данным) не больше 5%.
Для определения планировочных характеристик автомагистралей и перекрестков и некоторых параметров АТП были использованы современные ГИС (ArcView 3.2, Mapinfo Professional) и интернет-сервисы («Яндекс.Пробки», «Probki.net»). Показаны основные возможности используемых ГИС при решении поставленных задач.
В третьей главе изложен усовершенствованный автором метод расчета выбросов автотранспорта на автомагистралях и в зоне перекрестков с использованием ГИС.
Предложены восемь категорий АТС, по которым рекомендуется проводить натурные обследования автотранспортных потоков. К ним относятся: легковые автомобили отечественного производства (Ло); легковые автомобили зарубежного производства (Лз); микроавтобусы (МА) и автофургоны (АФ); автобусы бензиновые (АБ); автобусы дизельные (АД);
грузовые бензиновые свыше 3,5 т (Г>3,5т); грузовые дизельные до 12 т.
(ГД12т); грузовые дизельные свыше 12 т. (Г>12т). По данным категориям АТС приводятся полученные при участии автора значения удельных выбросов ЗВ на примере отдельных городов. Значения удельных выбросов АТС, движущихся по автомагистралям и находящихся в районах регулируемых перекрестков г.Санкт-Петербурга представлены в таблицах 3 и 4.
Значения удельных (пробеговых) выбросов загрязняющих веществ (г/км) для АТС, движущихся по автомагистралям г.Санкт-Петербурга Грузовые дизельные до 12т. (Г12т) Значения удельных выбросов ЗВ (г/мин), учитывающих режимы движения АТС в районе регулируемых перекрестков г.Санкт-Петербурга Установлено, что в целях проведения корректных расчетов выбросов ЗВ на автомагистралях необходимо учитывать современные скоростные условия движения автотранспорта в городе в диапазоне от 5 до 110 км/час. Автором определены значения коэффициентов Rv, учитывающих изменение значений удельных выбросов оксида углерода (СО), оксидов азота (NОx), углеводородов (CxHy) от средней скорости движения АТС (рис. 1).
«