«ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ АВТОТРАНСПОРТА НА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ СЕВЕРНЫХ ГОРОДОВ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

Цыплакова Елена Германовна

ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ

АВТОТРАНСПОРТА НА АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ СЕВЕРНЫХ ГОРОДОВ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант заслуженный деятель науки РФ, лауреат Государственной премии РФ, доктор технических наук, профессор Потапов Анатолий Иванович Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТА И СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ………………………………………..

1.1 1.1. Анализ особенностей взаимодействия автотранспорта и природы северных территорий……………………………………………………………………………..

1.2. Анализ экологической опасности автомобильного транспорта……………… 1.3 Анализ методов определения вредных компонентов загрязнения атмосферы.. 1.4 Газоанализаторы и установки контроля экологичности автомобильного двигателя.. 1.5 Дистанционные методы и средства контроля и мониторинга…………………. 1.6 Приборы и методы определение дымности ОГ………………………………… 1.7 Методы и технические средства для определения концентрации пыли……… 1.8 Автоматизированные анализаторы состава газовых выбросов……………….. 1.9 Стационарные посты и передвижные лаборатории контроля………………… 1.10 Особенности применения газоанализаторов на автостоянках и паркинах….. 1.11 Постановка задачи исследования………………………………………………

ГЛАВА 2 ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИСТАНЦИОННОГО

КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

НА АВТОМАГИСТРАЛЯХ………………………………………………………..

2.1 Взаимодействие лазерного излучения с атмосферным воздухом……………… 2.2 Теоретическое обоснование лазерных дистанционных методов контроля загрязнения атмосферы автотранспортом…………………………………………..

2.3 Количественные оценки и сравнительный анализ дистанционного зондирования атмосферы…………………………………………………………….

2.4 Анализ и выбор лазерных методов и средств дистанционного контроля атмосферы……………………………………………………………………………… 2.5 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании комбинационного рассеяния света…………………………………………………………………………..

2.6 Современные лазерные и лидарные средства контроля атмосферы…………. Выводы по главе 2…………………………………………………………………… ГЛАВА 3 ОРГАНИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА…………………………………………….

3.1 Порядок контроля и мониторинга за состоянием атмосферного воздуха……. 3.2 Организация сети мониторинга за загрязнением атмосферного воздуха…….. 3.3 Мониторинг за загрязнением атмосферы на стационарных постах………….. 3.4 Контроль состояния атмосферного воздуха на маршрутах и передвижных постах………………………………………………………………………………….

3.5 Контроль и мониторинг за уровнем загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом………………………………………………………………………..

ГЛАВА 4 РОЛЬ АВТОТРАНСПОРТА В ЗАГРЯЗНЕНИИ ВОЗДУШНОЙ

СРЕДЫ СЕВЕРНЫХ ГОРОДОВ ………………………………………………..

4.1 Анализ воздействия автотранспорта на состояние воздушной среды городов.. 4.2 Анализ экологической опасности автотранспорта при его хранении…………. 4.3 Анализ климатических условий и их влияние на экологическую опасность автотранспорта………………………………………………………………………

ГЛАВА 5 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГ

ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТА В ЗОНЕ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ………………………………………………………… 5.1 Обоснование и выбор методов и средств контроля автотранспорта при безгаражном хранении………………………………………………………………… 5.2 Организация натурных исследований и методика работы……………………... 5.3 Оценка экологического состояния импровизированных парковок г. Санкт-Петербурга…………………………………………………………………..

5.4 Оценка состояния загрязнения атмосферы и выбросов автотранспорта в г. Магадане…………………………………………………………………………..

5.5 Организация натурных исследований и методика работы ………………….

ГЛАВА 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТРИЙ………………………………………………………… 6.1 Оценка вредных выбросов от автомобилей на организованных 6.2 Моделирование рассеяния вредных выбросов от автотранспорта в зонах городской застройки…………………………………………………………………..

6.3 Районирование территории по уровню загрязнения различными компонентами 6.4 Оценка и прогноз воздействия автотранспорта на состояние селитебных территорий «старых» районов на примере Адмиралтейского района Санкт-Петербург……………………………………………………………………..

6.5 Оценка и прогноз воздействия автотранспорта на состояние селитебных территорий новостроек на примере Приморского района Санкт-Петербурга…….

6.6 Оценка и прогноз загрязнения воздуха выбросами автотранспорта в Василеостровском районе Санкт-Петербурга…………………………………….

6.7 Оценка и прогноз загрязнения выбросами автотранспорта г.Магадана…….. 6.8 Оценка и прогноз загрязнения выбросами автотранспорта г. Колпино……… 6.9 Рекомендации по обеспечению экологической безопасности автотранспорта в северных городах……………………………………………………………………

ГЛАВА 7 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ОПАСНОСТИ АВТОТРАНСПОРТА ПРИ БЕЗГАРАЖНОМ ХРАНЕНИИ…

7.1 Обоснование и выбор методов и средств подогрева двигателя автомобиля…….. 7.2 Экспериментальное исследование технико-экономической эффективности теплоэлектронагревателей из композиционно-волокнистых материалов………… 7.3 Устройство контроля за превышением токсичности выхлопа двигателей автомобиля……………………………………………………………………………… 7.4 Предложения по практической реализации результатов работы…………….

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1995-2014 годах исследований в области методов и средств контроля и мониторинга экологического состояния автотранспорта и оценки воздействия автотранспорта на окружающую среду в северных городах Санкт-Петербург и Магадан.

Актуальность темы. Значительная часть территории страны приходится на регионы с холодным климатом и районы крайнего Севера, отличающиеся суровыми климатическими условиями. Окружающая среда в северных регионах имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при изучении последствий техногенных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Особенность северных районов в том, что все биологические и химические процессы протекают малоактивно, а любое неумелое воздействие на природу приводит к негативным экологическим последствиям.

Наибольшей суровостью отличается северная климатическая зона России, к которой относится более 67% территории страны, где народное хозяйство обслуживается в основном автомобильным транспортом, являющийся в настоящее время одним из мощных источников загрязнения воздушной среды. Увеличение численности автотранспорта привело к резкому ухудшению санитарных условий проживания в городах, особенно в зимнее время при отрицательных температурах. В связи с возрастающим количеством автомобилей и расширением улично-дорожной сети особую актуальность приобретают дополнительная оценка воздействия объектов автотранспортного комплекса на зону жилой застройки и разработка методов и средств контроля и мониторинга окружающей среды, направленных на снижение экологической опасности северных территорий.

Значительный интерес в качестве объектов исследований представляли такие наиболее крупные города, расположенные на широте 60 о, как Санкт-Петербург и Магадан. В настоящее время в Санкт-Петербурге эксплуатируется более 2 млн. индивидуальных легковых автомобилей. При этом для постоянного хранения имеется всего 9 тыс. машиномест в капитальных гаражах, 372 тысячи временных гаражей-боксов и 188 тысяч машиномест на открытых охраняемых стоянках. Таким образом, почти 1,5 млн. автомобилей не обеспечены местами хранения. В Магадане эксплуатируется более 30 тыс. транспортных средств, принадлежащих физическим лицам; при этом для постоянного хранения имеется 107 ГСК по 24 бокса, в 3-5 раз больше гаражей, а также 46 открытых охраняемых стоянок. В условиях высокого уровня автомобилизации (350…400 автомобилей на 1 тыс. жителей, нормативный – 280…300 автомобилей на 1 тыс. жителей) значительная часть свободных пространств, в основном газонов и площадок, внутриквартальных проездов и дворовых территорий, загромождается припаркованными автомобилями. Даже вновь осваиваемые жилые районы, построенные по новым проектам, не удовлетворяют все возрастающим потребностям владельцев автомобилей.

Безгаражное хранение автотранспорта на площадках, не приспособленных для автостоянок, создает серьезную экологическую проблему, так как особенностью выбросов от открытой автостоянки является нестационарная работа двигателя при холодном пуске и разогреве двигателя, приводящая в резкому (более чем в 10 раз) увеличению выброса токсичных веществ по сравнению с крейсерским режимом на магистрали.

Случай парковки автомобилей у стен жилых зданий - одна из основных причин формирования повышенных уровней загрязнения воздушной среды вблизи застроек. Замкнутость объемов «глухих» дворов и дворов-«колодцев» значительно ухудшает условия рассеяния выбросов автотранспорта. В условиях стесненной застройки образуются так называемые застойные зоны, где в безветренную погоду практически отсутствует вынужденный (ветровой) перенос примесей и рассеяние выбросов осуществляется только за счет естественной конвекции. Вредные выбросы автотранспортных средств концентрируются в приземном слое атмосферы (до 2 м), в зоне наиболее плотного демографического обитания, и представляют особую опасность для здоровья людей.

В связи с этим в условиях все возрастающих автомобилизации и урбанизации необходим тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта, а также экологический мониторинг территорий, особенно северных. Анализ современной научно-технической литературы показывает, что рассматриваемая проблема слабо отражена в литературе; поэтому проблема мониторинга, контроля и управления загрязнением воздуха выбросами автотранспорта в зонах жилой застройки и анализа состояния загрязнения воздуха выбросами автотранспорта при безгаражном хранении в зимнее время в Санкт-Петербурге и Магадане является весьма актуальной.

Как показал проведенный анализ, значительную роль в исследовании воздействия автотранспорта на состояние окружающей среды сыграли работы таких авторов, как В.Н.Ложкин, В.Ф.Хватов, А.И. Потапов, С.Н.Николаев, М.В. Волкодаева, Е.И.Павлова, И.И.Мазур, О.И.Молдаванов, Н.С.Буренин, А.Н.Голицин, А.М.Багдасаров, В.Н.Луканин, Ю.В.Трофименко, Л.Л.Зотов и др.

Токсичности двигателей автотранспорта посвящены работы В.В.Горбунова, А.М.

Данилова, Н.Н.Патрохальцева, В.В.Беднарского, О.И.Жегалина, П.Д.Лупачева, В.А.Звонова и др.

Особенности хранения автотранспорта, в том числе, безгаражное хранение автотранспорта, рассмотрены в работах Н.Н.Миловидова, В.А.Осина, М.С.Шумилова, Г.В.Крамаренко, В.А.Николаева, А.И.Шаталова, Г.С. Лосавио, Н.В. Семенова и др.

Воздействию автотранспорта на экологическое состояние городов посвящены работы Н.В.Маслова, А.Н.Тетиора, Э.В.Сазонова, В.А.Хомича, Л.В.Плотниковой и др., а, в частности, на селитебные территории В.Ф.Хватова, В.Н.Денисова, и др.

Влияние выбросов автотранспорта на здоровье человека рассмотрено в работах В.Н.Мовчана, Б.Б.Прохорова и др.

Методам и средствам контроля посвящены работы И.И.Мазура, И.В. Якунина, А.И.

Потапова, Л.К. Исаева и др. Методам дистанционного контроля - работы В.Е.Зуева, В.Е.

Полякова, А.И. Потапова, В.Н.Ложкина, В.Ф.Хватова, В.Е.Привалова, В.Г.Шеманина, В.Т. Прокопенко, Кулакова С. В. И др.

Результаты данной диссертационной работы направлены на максимальное снижение уровня экологической опасности автотранспорта, создание эффективных методов и средств контроля выхлопных газов, диагностики экологического состояния автотранспорта и контроля уровня загрязнения в зоне жилой застройки города.

Цель диссертационной работы – совершенствование методов и средств контроля и мониторинга вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и создание научно обоснованных рекомендаций по снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха в северных городах в условиях безгаражного хранения автотранспорта.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- проанализировать современное состояние методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта;

- разработать эффективные лазерные методы и средства многопараметрового дистанционного контроля и мониторинга выхлопных газов автотранспорта;

- исследовать режим функционирования частного автотранспорта в зонах жилой застройки;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований рассмотреть условия, способствующие повышению загрязнения воздуха автотранспортом при безгаражном хранении на организованных и импровизированных стоянках;

- разработать эффективные методики контроля, мониторинга, диагностики и управления уровнем вредных выбросов автомобильного транспорта на организованных и импровизированных стоянках;

- разработать перечень мероприятий по обеспечению безопасности и комфортности территорий жилых районов города, используемых для парковки и безгаражного хранения личного автомобильного транспорта.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

- разработан лазерный дистанционный метод контроля вредных газов в атмосфере, основанный на комбинационном рассеянии лазерного излучения;

- разработана модель оптического тракта лидара, в котором полная мощность сигнала, получаемая детектором в момент после прохождения лазерного импульса до мишени и обратно, выражена в виде лидарного уравнения;

- получено лидарное уравнение для мощности сигнала; установлено, что для улучшения характеристик КР-лидаров целесообразно использовать лазеры, излучающие в УФобласти спектра, а для улучшения отношения «сигнал – шум» спектральную полосу приема зауживают, чтобы регистрировать только наиболее узкую и интенсивную Q-ветвь КРполосы;

- предложено устройство для выявления автомобиля с превышением вредных выбросов непосредственно в транспортном потоке путем яркого обозначения находящихся в транспортном потоке транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение, и их задержания и принятия соответствующих мер воздействия за нарушение нормативных актов;

- разработаны методики контроля и прогноза загрязнения воздуха автотранспортом на дворовых территориях при безгаражном хранении автотранспорта;

- установлено, что с понижением температуры окружающего воздуха наблюдается увеличение концентрации оксида углерода от 4 до 10 % при пуске и прогреве автомобиля (в зависимости от технического состояния автомобиля);

- в результате контроля и мониторинга зависимости от состава и интенсивности автотранспорта на импровизированной дворовой стоянке было установлено, что в процессе выезда – въезда автотранспорта наблюдается высокая загазованность дворовых территорий выхлопными газами автотранспорта - от 2 до 10 ПДК;

- впервые была составлена карта загазованности дворовых территорий Василеостровского района Санкт-Петербурга, городов Колпино и Магадан, выявлены наиболее экологически опасные дворовые территории, в которых уровень загрязнения атмосферного воздух превышает 10-12 ПДК;

- установлена возможность снижения уровня загрязнения окружающей среды при отрицательных температурах посредством предпускового терморезисторного электроподогрева двигателей паркуемых автомобилей; предложены конструкции электроподогревателей из композиционных материалов для пуска двигателей автомобиля в зимнее время при отрицательных температурах.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Получено лидарное уравнение для мощности лазерного сигнала, в соответствии с которым для улучшения характеристик лидаров комбинационного рассеяния целесообразно использовать лазеры, излучающие в УФ-области спектра, а для улучшения отношения «сигнал – шум» спектральную полосу приема зауживают, чтобы регистрировать только наиболее узкую и интенсивную Q-ветвь полосы комбинационного рассеяния.

2. Предложено устройство контроля вредных выбросов автотранспорта, обеспечивающее определение находящихся в транспортном потоке транспортных средств, токсичность выхлопа двигателей которых превышает предельно допустимое значение (заявка на патент №2012145758/08(073473 – положительное решение).

3. Разработаны методики контроля и мониторинга загрязнения воздуха автотранспортом на дворовых территориях при безгаражном хранении автотранспорта, при экспериментальном применении которых было установлено, что в зависимости от состава и интенсивности автотранспорта на импровизированной дворовой стоянке в процессе выезда – въезда автотранспорта наблюдается высокая загазованность дворовых территорий выхлопными газами автотранспорта - от 2 до 10 ПДК; с понижением температуры окружающего воздуха наблюдается увеличение концентрации оксида углерода от 4 до 10 % при пуске и прогреве автомобиля (в зависимости от технического состояния автомобиля).

4. На основе результатов мониторинга и расчетного моделирования, основанного на имеющейся априорной информации об экологических характеристиках транспортных средств, их техническом состоянии, условиях и режимах эксплуатации, а также данных учета движения и транспортной работы, определены участки транспортной сети, характеризующиеся наибольшим уровнем воздействия на окружающую среду, определены мощность выбросов загрязняющих веществ на этих участках, техногенная нагрузка и риск здоровью населения; на основе мониторинга выявлены зоны наибольшей экологической опасности районов Санкт-Петербурга, Магадана и Колпино и составлены соответствующие карты.

5. На основании анализа влияния на пуск двигателя различных факторов, из которых можно выделить пять основных: температуру масла, температуру топлива, температуру охлаждающей жидкости, температуру всасываемого воздуха и температуру электролита аккумуляторных батарей - определены зоны и места подогрева узлов и агрегатов автомобиля, разработаны и апробированы конструктивно-технологические решения терморезисторной электронагревательной аппаратуры из тонкослойных композиционно-волокнистых материалов для разогрева и подогрева агрегатов и двигателя автомобиля в холодное время года, позволяющие снизить концентрацию вредных веществ в отработавших газах автомобилей.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Результаты работы использовались для оперативного проведения различных природоохранных мероприятий, направленных на снижение выбросов вредных веществ автотранспортом на организованных и импровизированных автостоянках в Санкт-Петербурге и Магадане.

Для Санкт-Петербурга и Магадана были проведены расчеты выбросов и моделирование рассеяния примесей, создаваемых автотранспортом на организованных и импровизированных автостоянках, которые послужили обоснованием для разработки комплекса мер по борьбе с загрязнением воздуха автотранспортом и оценки их эффективности.

Представлена методика обследования состава, интенсивности автотранспортного потока и расчета выбросов (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей).

Проведены расчеты выбросов автотранспорта по пяти веществам: диоксиду азота, оксиду углерода, углеводородам, саже и свинцу на основных магистралях Санкт-Петербурга и Магадана.

С использованием полученных данных о выбросах автотранспорта на городских магистралях проведены расчеты территориального распределения концентрации вредных веществ в городах с различной интенсивностью движения.

Результаты экспериментальных исследований использованы при оценке степени загрязнения основных магистралей и дворовых территорий Санкт-Петербурга и Магадана, при разработке рекомендаций по защите атмосферы от загрязнений.

Разработанные методики по экспресс-контролю концентрации загрязняющих газов в атмосфере позволяют обеспечить постоянный контроль и диагностику атмосферного воздуха вдоль наиболее оживленных автомобильных магистралей, обеспечить экологический контроль автотранспорта и автотранспортных предприятий.

Личный вклад автора в работу. Диссертация является итогом двадцатилетней работы автора с 1994 по 2014 г.г. по тематике, связанной с проблемой комплексного, в том числе дистанционного контроля и мониторинга качества атмосферного воздуха, загрязненного автотранспортом, а также контроля и мониторинга воздействия автотранспорта при его хранении на внутриквартальных и дворовых территориях. Автор диссертации осуществлял постановку задач исследований, планирование и проведение экспериментальных исследований, непосредственно участвовал в разработке карт загрязнения автомагистралей и дворовых территорий в Санкт-Петербурге и Магадане, постановке задач расчетов, разработке методик экспериментов, проведении измерений, интерпретации полученных результатов контроля, научном обосновании, выборе и разработке средств измерения и методик их применения.

Реализация (внедрение) результатов работы. Результаты диссертационной работы были переданы Управлению технадзора Администрации Ленинградской области для определения уровня загрязнения атмосферного воздуха сельхозтехникой и автотранспортом;

методики контроля и загрязнения воздуха автотранспортом используются Межрайонным отделом годового технического осмотра и регистрации автотранспортных средств №2 Управления ГИБДД ГУВД по Санкт-Петербургу и Ленинградской области, а также на на ведущих автотранспортных предприятиях Санкт-Петербурга - таких, как ОАО «Спецтранс Автопарк № 6».

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих монографиях: «Контроль и мониторинг воздействия стационарных и нестационарных энергетических установок на окружающую среду Северных территорий» (Цыплакова Е.Г. – СПб: Нестор-история, 2011, - 560 с.), «Приборы и методы мониторинга и контроля качества атмосферного воздуха» (Цыплакова Е.Г., Потапов И.А. – СПб: Нестор-история, 2012, - с.), « Оценка состояния и управление качеством атмосферного воздуха» (Цыплакова Е.Г., Потапов А.И. – СПб: Нестор-история, 2012. - 580 с.), «Лазерный экологический дистанционный контроль атмосферы» (Цыплакова Е.Г., Потапов А.И., Поляков В.Е. – СПб: Нестор история, 2013.– 360 с.), «Пути решения экологических проблем автотранспорта» (Потапов А.И. Хватов В.Ф., Цыплакова Е.Г., Николаев С.Н., Журкович В.В., Волкодаева М.В., Потапов И.А., Денисов В.Н. – СПб: Гуманистика, 2006.- 650 с.), а также выносились в докладах на различных конференциях: 2 Международной Евроазиатской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 2001 г.), Международной конференции «Экология и развитие СевероЗапада» (Санкт-Петербург, 2002 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре «Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды»

(Санкт-Петербург, 2003 г.), Третьей Международной Евроазиатской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 12-15 сентября 2003 г.), Международной конференции «Научное и кадровое обеспечение развития транспортного комплекса. Безопасность на транспорте» (Санкт-Петербург, 2-6 июля 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие и устойчивое развитие территории» (СанктПетербург, 30-31 марта 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие: человек и окружающая среда» (Санкт-Петербург, 25-26 октября 2012 г.), ХIХ Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Самара, 2011 г.), 1 Международной конференции «Global Science and Innovation» ( США, Чикаго, 17-18 декабря 2013 г.), Международной конференции «International Conference on European Science and Technology»( Германия, Мюнхен, 27-28 декабря 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 научных работ, в том числе книг, монографий, брошюр – 7, статей в изданиях по перечню ВАК – 12, статей в отечественных журналах и докладов и тезисов докладов на научно-технических семинарах и конференциях – 37.

глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на страницах машинописного текста.

Работа содержит 153 рисунка, 65 таблиц, наименований используемой литературы (183 ссылки на отечественную и 45 ссылки на зарубежную литературу).

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

АВТОТРАНСПОРТА И СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ

Проблема взаимодействия общества и природы в последние годы обострилась в связи с резко возросшей производственной активностью человека. Ее следствием явились повышенные нагрузки на окружающую природную среду и ее загрязнение. Усиливается также лимитирующая роль ресурсов топлива и минерального сырья. Интенсивностъ антропогенного воздействия стала превосходить восстановительные способности биосферы: изменения, вызванные промышленной деятельностью, затронули все ее компоненты и экосистемы, в связи с чем оказались ослаблены механизмы саморегуляции и компенсации.

расселения обусловливают существование региональной специфики во взаимодействии общества и среды обитания. Тип, характер и интенсивность этих отношений различаются в урбанизированных зонах, в сельской местности и вахтово-экспедиционных поселениях.

Поэтому проблема оптимизации взаимодействия общества и природы является региональной: в одних районах преодоление противоречий в системе «общество – среда»

связано с замедлением темпов роста производства, ограничением роста крупных городов, в других с перестройкой территориальной или отраслевой структуры, в третьих — с внедрением новых природозащитных мер, и т.д.

Природная среда в различных регионах имеет свои специфические особенности, которые должны учитываться при анализе взаимозависимостей между человеком и средой его обитания. 60,77, 93, 100, 105, 111, 135, Значительная часть потенциальных запасов природных ресурсов страны приходится на территорию с холодным климатом и районы крайнего Севера, отличающиеся экстремальными климатическими условиями. Наибольшей суровостью отличается северная климатическая зона России. К ней относятся все районы, ограниченные с юга изотермой января, равной (–)20°С, т.е. районы, в которых средняя температура этого месяца не выше (–)20°С. В соответствии с ГОСТ 16350-80 к этой зоне относится более 67% территории страны, где народное хозяйство обслуживается в основном автомобильным транспортом. 60,77, 93, 100, 111, Экосистемы Севера, в отличие от биоценозов южных и центральных районов продуктивностью, замедленностью процессов обмена, что сказывается на их способности выдерживать лишь небольшую антропогенную нагрузку. Короткий вегетационный период, небольшое количество солнечных дней и неспособность растений вырабатывать зимой кислород снижают и замедляют очистку воздуха и повышают его загрязненность промышленными выбросами. Позднее высвобождение рек ото льда, их преимущественная ориентация на север приводят к последовательному упрощению речных экосистем, снижению их устойчивости и способности к самоочищению. Существующее между почвой и замерзшим грунтом термодинамическое равновесие крайне неустойчиво и легко уязвимо при антропогенном воздействии. Все эти особенности природной среды северных районов требуют тщательного согласования человеческой деятельности с природными закономерностями. Они проявляются здесь жестче и определеннее, чем на других территориях, и выдвигают ограничения на некоторые виды хозяйственной деятельности и размеры поселений. 60,77, 93, 100, 111, Роль северных регионов уникальна в связи со специфичным хозяйственным ритмом, особой традицией освоения и своеобразным стереотипом жизни населения. Российские северные территории в основном являются высоко урбанизированными, а освоение и использование любой территории невозможны без соответствующей инфраструктуры совокупности сооружений, зданий, систем и служб, обеспечивающих условия для нормальной работы различных отраслей экономики и жизни населения. При этом чем лучше освоена территория, тем больше на ней разнообразных инфраструктурных сооружений. Например, в одном из наиболее развитых районов страны Северо-Западном инфраструктурой занято 10% его территории, а на Дальнем Востоке только 0,5% территории. Инфраструктурный комплекс подразделяется на две относительно самостоятельные части: сферу обслуживания торговля, общественное питание, культуру, искусство, науку, образование и пр. и коммуникационную систему связь и транспорт. Без транспорта невозможно развитие народного хозяйства. Основная задача транспорта надежно связывать между собой отдельные звенья хозяйства и районы страны или региона. Однако как следствие функционирования промышленности и транспорта в непосредственной близости от городской черты происходит накопление огромных масс токсичных отходов (особую опасность представляет урановая промышленность), снижается плодородие почв, случаются сильные геодинамические события (техногенные землетрясения), формируются терриконы, развиваются эрозионные процессы (оползни, овраги), изменяется состав почв, растет запыленность атмосферы, повышается частота заболеваемости населения, происходит значительное загрязнение гидросферы сточными водами. В пределах городской черты актуально шумовое, световое и электромагнитное загрязнение окружающей среды. 60,77, 93, 100, 111, 133, В целом, исходя из изложенных выше критериев оценки остроты экологических ситуаций, экологическую обстановку на северных территориях России можно определить как неоднородную. На европейском севере и на севере Западной Сибири она характеризуется как критическая, имеющая тенденцию к ухудшению. На северо-востоке Сибири и на севере Дальнего Востока экологическая обстановка в целом менее напряжена, однако и здесь выделяются ареалы с крайне неблагоприятной экологической ситуацией, площади и количество которых постоянно увеличиваются. Особая проблема зоны Севера формирование в субъектах Северного, Северо-Западного и Восточно-Сибирского экономических районов кислотных осадков. В то же время отметим, что указанные районы сами в значительной степени страдают от трансграничных переносов загрязняющих веществ из стран Восточной и Западной Европы. Наиболее благополучным представляется район п-ова Таймыр, где на значительных пространствах еще сохраняются естественные ландшафты. 60,77, 93, 100, 111, Из наиболее загрязненных (в самом широком смысле) российских городов следует назвать все города-миллионеры, например, Санкт-Петербург, и подавляющее большинство административных центров. Однако преобладают здесь центры энергетики, металлургии, горнодобывающей (мировая тенденция сдвиг добычи полезных ископаемых на Север на фоне повсеместно увеличивающейся глубины горных работ), лесозаготовительной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной отраслей. Учитывая отсутствие единого мнения об определении южной границы зоны Севера в России, к неблагополучным городам, таким образом, могут быть отнесены, например, Архангельск, Новодвинск, Красноярск, Норильск, Мончегорск, Никель, Новокузнецк, Магнитогорск, Череповец, Нижний Тагил и другие. Самая неблагополучная ситуация складывается в промышленной зоне Урала, а Норильск в Восточной Сибири занимает одно из первых мест в России по выбросам вредных веществ в атмосферу. 60,77, 93, 100, 111, Прогрессирующее обострение экологической обстановки в северных районах России связано главным образом с активным наращиванием промышленного потенциала, интенсивным развитием горнодобывающей промышленности, транспорта и жилищного строительства в этих крайне уязвимых северных ландшафтах, в условиях легко дестабилизируемой природной среды с низким потенциалом самовосстановления.

Одним из основных источников загрязнения окружающей природной среды все в большей степени становится транспортный комплекс. Благодаря развитой транспортной сети стало возможным быстрое перемещение грузов и пассажиров в нужном направлении в самые отдаленные уголки планеты. Автомобильный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей и распространении дальнего туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания.

Однако достижения и успехи в развитии транспортного комплекса сопровождается резким ухудшением экологической ситуации, а негативное влияние на окружающую природную среду и население оказывают все виды транспорта.

1) истощение природных ресурсов (полезные ископаемые: металлические руды, металлы, углеводородное сырье; пресные природные воды);

2) загрязнение атмосферного воздуха отработавшими газами, резиновой и асфальтной 3) загрязнение природных вод (мойка автотранспорта);

4) образование и необходимость утилизации отходов (аккумуляторы, электролит, авторезина, металлолом, пластмассы, бытовой мусор и другое);

5) шумовое загрязнение. 60,77, 93, 99, 100, 111, 133, Окружающая среда в северных регионах имеет свои специфические особенности, которые необходимо учитывать при изучении последствий техногенных воздействий на окружающую среду и здоровье человека. Особенность северных районов состоит в том, что все биологические и химические процессы протекают малоактивно, а любое неумелое воздействие на природу приводит к негативным экологическим последствиям.

Российские северные города крупнейшие на севере планеты: нигде от Аляски до финской Лапландии нет столь крупных городских поселений. Неудивительно, что спектр видов природопользования и сопутствующих ему экологических проблем в городах Российского Севера весьма широк. Поэтому анализ природных особенностей среды обитания людей, определяющих степень комфортности их проживания, увеличение масштаба негативного воздействия автомобилизации на общество, окружающую среду и нарушение экологического равновесия в данной диссертации исследовано на примере двух северных городов, расположенных на шестидесятой параллели на востоке и западе нашей страны Санкт-Петербурга и Магадана. 60,77, 93, 105, 100, 111, 133, Среди различных направлений негативного влияния антропогенной деятельности на окружающую среду наиболее важным, по общему признанию, является загрязнение атмосферы вредными выбросами. Атмосферный воздух является не только обязательным условием жизни на Земле, но и важнейшим природным ресурсом, хозяйственное потребление которого непрерывно увеличивается во всем мире. Поэтому загрязнение атмосферы и изменение ее газового состава могут представлять необратимые потери для человеческого общества в будущем. 1, 21,27, 33,34,77,78, 85,105, 133, 156, В общем случае различают пять искусственных источников загрязнения атмосферы:

дымовые газы неподвижных источников энергии, работающих на топливах органического происхождения; отработавшие газы автомобилей и других транспортных средств; выбросы промышленных предприятий; радиация и не поддающиеся биологическому распаду органохлористые пестициды и синтетические инсектициды. При этом необходимо учитывать, что первый и третий источники можно вынести за пределы населенных пунктов или в отдельные их районы и выбросом на большой высоте распределять на значительной территории. В отличие от названных источников, автомобильный транспорт в основном сосредоточен в местах наиболее вероятного пребывания людей.

Транспортные средства, в том числе автомобили, являются одним из наиболее мощных источников поступления в атмосферный воздух оксида углерода, углеводородов (этана, метана, этилена, бензола, ацетилена и др.), бенз(а)пирена, альдегидов (формальдегида, акролеина, уксусного альдегида и др.), а также оксидов азота, сажи и других токсичных веществ. Загрязнение атмосферного воздуха автотранспортом соизмеримо с выбросами других крупных источников – таких, как энергетика и промышленность. 1,21, 27, 35, 63, 77,78, 99, 105, 125, 127, 133, 139, 153, 169, Общий объём выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом в атмосферу составляет примерно 70% от всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы; а по такому ингредиенту, как окись углерода, этот показатель достигает 90-95%. По количеству выбросов от автотранспорта Санкт-Петербург входит в число 12 городов России с выбросами более 100 тыс. т/год и уступает по этому показателю только Москве 1, 21, 27,35,77, 105, 133.

Современное состояние атмосферного воздуха представляет большую угрозу для здоровья населения Санкт-Петербурга. Наибольший вклад (84%) в загрязнение воздуха на сегодняшний день вносят передвижные источники загрязнения автотранспорт. Это объясняется массовой эксплуатацией автомобилей со сверхнормативными уровнями токсичности и дымности двигателей. Количество выбросов в основном зависит от концентрации автомобилей 30%, их технического состояния 30% и состояния дорожного покрытия и организации дорожного движения на улицах города 40% 99, 105,133.

В г. Магадан доля автотранспорта в суммарных выбросах в атмосферу составляют 45%; в пос. Палатка, находящемся на самом оживленном участке Колымской трассы более 60%. Величина выбросов от стационарных источников составляет в зоне 0,26-0,32 т на одного человека в год. Автотранспорт и энергетические предприятия (Магаданская ТЭЦ, Палаткинская ДЭС и др.) являются основными загрязнителями воздушного бассейна, что особенно ощутимо зимой в связи с застойными явлениями в атмосфере. 60,77, 93, 100, 105, 111, 133, В этих условиях экологические исследования в данной области являются кардинальной задачей современности, немаловажную роль в решении которой играет разработка мероприятий, направленных на снижение вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и здоровье населения. Можно выделить три уровня воздействия автотранспорта на окружающую среду и население:

1) региональный уровень влияние автотранспортных потоков непосредственно на уровне регионов, областей и агломераций;

2) территориальный уровень негативное влияние от загрязнения, формируемого автотранспортом, в конкретном городе или населенном пункте;

3) локальный уровень непосредственное влияние автотранспортных потоков в зоне проживания населения. Этот уровень включает в себя как улицы, непосредственно проходящие вдоль жилых зданий, так и внутриквартальные проезды и дворовые территории. 105, Для снижения негативного влияния автотранспорта необходима разработка мероприятий на всех рассматриваемых уровнях воздействия. Территориальный и локальный уровни наиболее значимы, так как вредные выбросы автотранспортных средств концентрируются в приземном слое атмосферы (до 2 м), в зоне наиболее плотного демографического обитания, и представляют особую опасность для здоровья людей.

Население проводит большую часть времени (от 50-60% времени для работающего и до 80для неработающего (дети, пенсионеры, пр.) населения) под воздействием негативных факторов образующихся от автотранспортных потоков, которые необходимо рассматривать на территориальном и локальном уровнях.

Таким образом, процесс проживания и освоения северных территорий в современных условиях характеризуется вовлечением все новых средств промышленной деятельности и транспорта в многоуровненную сферу контактов человека и природы.

Расширяются и усложняются зависимости между общественным и природным, в результате совершенствования социальной сферы преодолевается экстремальность среды.

В экстремальных условиях человек изнашивается быстрее, чем в других регионах. Это ставит задачу обеспечения здесь более высокого, чем в центральных районах, уровня жизни. Невнимание к жизнедеятельности в быту, нарушение нормальных условий проживания, отдыха и труда приводит к снижению психической, физической, умственной активности людей, является причиной многочисленных случаев заболеваемости, преждевременного износа их организма, сокращения продолжительности жизни, нарушения генофонда страны 93.

Необходимо иметь в виду, что для городского жителя Санкт-Петербурга и Магадана поступление в организм отравляющих веществ в дозах, превышающих ПДК, происходит, в основном, из воздушной среды (с вдыхаемым воздухом), так как наличие токсичных веществ в питьевой воде и продуктах питания жестко контролируется санитарными службами и отвечает требованиям стандартов.

бесконтрольно, но в условиях полной гласности и формальной констатации десятикратного и более превышения ПДК, а также негативных последствий этого явления - например, роста заболеваемости с увеличением численности автотранспорта.

1.2 Анализ экологической опасности автомобильного транспорта Являясь неотъемлемой составной частью транспортной системы мировой экономики, автомобильный транспорт играет важнейшую роль в социально-экономической и производственной инфраструктуре урбанизированных территорий. Однако, наряду с очевидными преимуществами, процесс развития автодорожного комплекса сопровождается возрастающим негативным воздействием на окружающую среду, прежде всего в городах, что особенно опасно в условиях Севера.

Как считают авторы работ [1,9,11,13-18,21-23,35,39,47,61,63,77,82изучение негативных последствий развития 84,99,105,125,133,135,169,176,182], автотранспортного комплекса позволяет определить два пути воздействия автомобильного транспорта на природную среду с учетом его недостаточно высокого уровня экологотехнологического совершенства. Во-первых, автотранспорт потребляет значительное количество природных материалов и сырья, и прежде всего невозобновляемых и дефицитных энергоносителей например, таких, как нефть; а во-вторых загрязняет окружающую среду. Действительно, каждый автомобиль является крупным потребителем природных ресурсов и биосферозагрязнителем.

Отрицательные последствия развития автомобильного транспорта на окружающую среду проявляются по следующим основным направлениям 27,41,99, 105,135:

1) загрязнение окружающей среды токсичными выбросами автотранспортных средств, включая атмосферный воздух, литосферу и гидросферу Земли;

2) транспортный шум и вибрация, уровень которых непрерывно возрастает, и прежде всего в больших городах и районах массового автомобильного движения, где транспортный шум является источником постоянного звукового дискомфорта для большинства населения;

3) отторжение значительных участков земли для строительства автомобильных дорог и сооружения объектов транспортной инфраструктуры в целом;

4) накопление отходов и мусора, образующихся в связи с производством, технической эксплуатацией и ремонтом автотранспортных средств, строительством, ремонтом и содержанием автомобильных дорог;

5) рост числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП), влекущий за собой гибель и ранения людей, а также прямые и косвенные материальные потери из-за повреждения и уничтожения автотранспортных средств, грузов и дорожно-транспортных сооружений. Дополнительный риск возникает от ДТП при перевозке опасных грузов (химических и радиоактивных веществ) вследствие их большой токсичности для окружающей среды и здоровья людей;

6) потребление значительного количества природного сырья и материалов, и прежде всего невозобновляемых и дефицитных энергоносителей, таких, например, как нефть.

Среди различных направлений негативного влияния автомобильного транспорта на окружающую среду наиболее важным, по общему признанию, является загрязнение атмосферы вредными выбросами автотранспортных средств. Атмосферный воздух не только является обязательным условием жизни на Земле, но и стал важнейшим природным ресурсом, хозяйственное потребление которого непрерывно увеличивается во всем мире.

Поэтому загрязнение атмосферы и изменение ее газового состава могут представлять [1,21,27,35,541,6,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176] Общий объём выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом в атмосферу составляет примерно 70% от всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы, а по такому ингредиенту, как окись углерода, достигает 90-95%. Это объясняется массовой эксплуатацией автомобилей со сверхнормативными уровнями токсичности и дымности двигателей. Количество выбросов, в основном, зависит от концентрации автомобилей 30%, их технического состояния 30% и состояния дорожного покрытия и организации дорожного движения на улицах города 40% 6-27.

Как показал анализ специальной литературы [1,21,27,35,541,6,63,65,77, 99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176], загрязнение атмосферы происходит в результате сжигания топлива. Химический состав выбросов зависит от вида топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния. По теоретическим расчетам для сгорания 1 кг бензина необходимо 14,6-14,8 кг воздуха. Это значит, что в двигателе для сгорания 1 кг топлива в течение 1 часа расходуется около 200 л кислорода, т.е. в среднем примерно в 2,5 раза больше, чем в течение суток вдыхает человек. При сгорании 1000 кг топлива в цилиндрах полностью исправного карбюраторного двигателя выделяется: окиси углерода 26,7 кг; углеводородов 33,2 кг (в первую очередь бенз(а)пирен);

окислов азота 26,6 кг; сернистого газа 1,34 кг; свинца 0,266 кг, т.е. всего 329,7 кг вредных веществ. При работе дизельного двигателя выделяется: окиси углерода 28,4;

углеводородов 9,1; окислов азота 40,8; сернистого газа 34,0; сажи 3,4, т.е. всего 115,7 кг. Максимальная концентрация вредных веществ в атмосферном воздухе наблюдается в часы «пик», а также в районах плотной застройки высотных зданий со слабым ветровым потоком. Наибольший ущерб здоровью наносят машины, находящиеся в непосредственной близости от жилых зданий, особенно во дворах-«колодцах» под окнами жилых квартир.

Вредные выбросы автомобильного транспорта в атмосферу связаны с:

1) картерными газами, т.е. смеси отработанных газов с парами смазочного масла;

2) топливными испарениями, поступающими в атмосферу из системы питания двигателя;

3) отработанными газами автомобилей, содержащими токсичные компоненты.

Примерный перечень вещественного состава выбросов автотранспорта приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Примерный перечень вещественного состава Картерные газы представляют собой смесь газов (продуктов сгорания и несгоревших углеводородов), проникающих через неплотности поршневых колец (цилиндро-поршневую группу) из камеры сгорания в картер, и паров масла и топлива, находящихся в картере. Основными токсичными компонентами картерных газов являются углеводороды и пары бензина (для бензиновых двигателей).

Топливные испарения поступают в атмосферу из топливного бака, карбюратора, элементов системы питания и других элементов. Они состоят из углеводородов топлива различного состава. Независимо от того, работает двигатель или нет, из его топливной системы происходит испарение топлива (в основном это характерно для бензинового двигателя). В результате загрязняется атмосфера, а также изменяются физические свойства самого топлива. Количество испарений представлено в таблице 1.

Таблица 1- Количество испарений (кг) Наибольший объем выбросов автомобилей приходится на отработанные газы, доля которых для отдельных вредных компонентов составляет 90-98%. Отработанные газы основной источник токсичных веществ двигателя автомобиля это гетерогенная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 веществ, большинство из которых токсичны [1,21,27,35,41,6,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176].

Основным источником загрязнения атмосферы на транспорте являются бензиновые двигатели автомобилей. Их выбросы в воздух характеризуются наибольшим уровнем содержания вредных компонентов (рисунок 1).

Дизельные двигатели автотранспортных средств имеют меньший уровень токсичности, и выбрасываемые ими отработанные газы содержат меньше вредных веществ. Однако по сравнению с бензиновыми двигателями они отличаются большей дымностью и выбросами сажи, что способствует образованию так называемого «смога». Количество токсичных веществ в отработавших газах бензинового двигателя и дизеля представлено в таблице 2. [27, 41,56, 65,77, 105, 133, 155] Таблица 2 - Количество токсичных веществ в отработавших газах неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% выходит с отработавшими газами. К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу (рисунок 2).

Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч, автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Годовой выхлоп одного автомобиля это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности её допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/ м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. В одноместном гараже смертельная концентрация окиси углерода возникает уже через 2 - 3 минуты после включения стартера. [1,21,27,35,541,6,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176] В холодное время года, остановившись для ночлега на обочине дороги, неопытные водители иногда включают двигатель для обогрева машины. Из-за проникновения окиси углерода в кабину такой ночлег может оказаться последним.

Из соединений металлов, входящих в состав твёрдых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывают на него наиболее вредное действие. До 50% дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.

Поступления углеводородов в атмосферный воздух происходит не только при работе автомобилей, но и при разливе бензина. По данным американских исследователей в ЛосАнджелесе за сутки испаряется в воздух около 350 тонн бензина. И повинен в этом не столько автомобиль, сколько сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке бензина в цистерну, забыли плотно закрыть крышку при перевозке, плеснули на землю при заправке на автозаправочной станции, и в воздух потянулись различные углеводороды.

Увеличение концентрации вредных выбросов в атмосферу, как правило, сопровождается следующими последствиями:

1) общий вред: неприятные запахи, уменьшение видимости;

2) воздействие на здоровье людей: раздражение дыхательной системы, органов зрения, общеотравляющий эффект, мутагенный и канцерогенный эффекты;

3) воздействие на окружающую среду: загрязнение и порча материалов, коррозия, снижение урожаев сельхозкультур и т.д. [1,21,27,35,541,6,63,65,77,99,105, 125,127,133,176] Некоторые из этих вредных последствий очевидны и проявляются сразу, в результате чего источники их легко установить и указать конкретно, какие автотранспортные средства, каких типов и где вызывают отрицательный эффект. Например, неприятный запах присущ дизельным двигателям. Другие последствия, напротив, проявляются через некоторое время, в результате чего невозможно точно установить долю ответственности автомобиля, вызвавшего это негативное явление. Например, не всегда есть прямая связь между увеличением выбросов автотранспортом окислов азота и ростом респираторных заболеваний. Наконец, некоторые последствия загрязнения атмосферы автомобильным транспортом могут проявить себя только по прошествии очень значительного времени, и установить их количественную связь с автомобильным транспортом либо очень трудно, либо в силу недостаточных научных представлений о механизме явления, вообще не предоставляется возможным.

Характер и степень воздействия вредных выбросов автомобильного транспорта на человека в различных условиях и при различных концентрациях неодинаковы и зависят от температуры воздуха, давления, влажности, скорости ветра и т.п. 30% заболеваний горожан непосредственно связаны с загрязненностью воздуха выхлопными газами [1,21,27,35,541,6,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176].

В таблице 3 представлены данные по составу отработавших газов основных типов двигателей бензинового и дизеля.

Таблица - Состав отработавших газов автомобильных двигателей Для оценки гигиенического качества атмосферного воздуха установлены стандарты на допустимое содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Наиболее широко используется два основных показателя: ПДК (максимально разовая) и ПДК (среднесуточная) загрязняющего вещества в атмосферном воздухе населенных мест [ГОСТ]. В таблице 4 даны значения ПДК для ряда вредных веществ, содержащихся в выбросах автотранспорта.

Автомобильными двигателями выделяются в воздух городов более 95% оксида углерода, около 65% углеводородов и 30% оксидов азота. Количество выделяемых в окружающую среду вредных веществ зависит от численности и структуры автомобильного парка, а также от технического состояния автомобилей, и в первую очередь их двигателей.

Техническое состояние транспортных средств оказывает заметное влияние на выброс вредных веществ. Отказы по основным агрегатам распределены следующим образом: система питания 38%, двигатель 26%, система зажигания 21% и трансмиссия 15%. Только из-за отсутствия необходимой регулировки карбюратора бензинового двигателя внутреннего сгорания выброс оксида углерода может возрасти в 4-5 раз 11,27,29,65,155,105,133.

Таблица 4 - Предельно допустимые концентрации содержания (мг/м3) вредных веществ, характерных для выбросов автомобилей, в воздухе населенных мест

ПДК ПДК ПДК ПДК

Поддержание двигателей и автомобилей в технически исправном состоянии одно из основных, но далеко не единственное условие минимальной токсичности автомобилей.

Выбросы вредных веществ и расход топлива в значительной степени зависят от соблюдения правил использования автомобилей, включающих в себя качество применяемых топлива и смазки, нормы их расхода, использование рациональных методов и приемов вождения автомобиля, методы хранения подвижного состава и ряд других факторов, зависящих от водителей и обслуживающего персонала. [1,21,27,35,41,56,63,65,77,99,105,125,127,133, 139,153, 155,169,176] На состав отработанных газов двигателя большое влияние оказывает режим работы автомобиля в городских условиях. Низкая скорость движения и частые ее изменения, многократные торможения и разгоны способствуют повышенному выделению вредных веществ. Также на состав отработанных газов значительное влияние оказывает пробег автомобиля. Результаты замеров концентраций вредных веществ с отработавшими газами автомобиля по мере увеличения пробега представлены в таблице 5. [27,77,105,125,133,176] Таблица 5 - Результаты замеров выбросов автомобиля с различной величиной пробега Количество выбросов вредных веществ автомобилем с разным пробегом Пробег, В таблице 6 указано содержание вредных веществ в отработавших газах бензиновых двигателей на различных режимах работы, а в таблице 7 представлены источники образования вредных веществ. [27,41,56,65,77,105,125,133,176] Таблица 6 - Содержание вредных веществ в отработавших газах (в %) на характерных режимах движения Приемы управления автомобилем относятся к наиболее важным факторам снижения вредных выбросов с отработавшими газами. Водитель всегда должен стремиться поддерживать постоянную скорость, допустимую в конкретных условиях. [27, 105, 133] Таблица 7 - Источники образования вредных токсичных веществ В защите атмосферы от загрязнения автомобильными выхлопами наша страна существенно отстала от развитых стран Запада, причем по многим показателям. Двигатели даже новых отечественных автомобилей, сходящих с конвейеров автозаводов, выбрасывают в расчете на 1 км пройденного пути в 3-5 раз больше вредных веществ, чем их зарубежные аналоги. Проверки показывают, что каждый пятый автомобиль эксплуатируется с повышенной токсичностью или дымностью отработанных газов. В крупных городах доля загрязнения воздуха автотранспортом достигает 70-80% от общего уровня загрязнения. В ряде городов содержание окиси углерода в воздухе над автомагистралями в 10-12 раз превышает предельно допустимую норму. По оценкам медиков и экологов, автотранспорт заметно сокращает среднюю продолжительность жизни населения [1,11,21,27,29,35,41,56,63,65,77,93,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176].

Отставание в развитии транспортных систем, низкий уровень их экологической защищенности и конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынках во многом обусловлены отсутствием в нашей стране системы экологической сертификации и необходимой законодательной и нормативной базы, низким экологическим качеством выпускаемой продукции, отсутствием необходимых механизмов стимулирования проведения работ по снижению токсичности новых и эксплуатируемых автомобилей, включая проведение единой государственной политики в этой области. Наиболее серьезным препятствием к внедрению международных стандартов остается использование свинецсодержащих присадок к моторным топливам, не позволяющих применять каталитические нейтрализаторы.

На основе анализа [1,21,27,35,41,56,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169, 176], рассматривая воздействие на окружающую среду отдельных видов автотранспорта, следует отметить, что определяющая (56%) доля выбросов всех вредных веществ принадлежит грузовым автомобилям: около 50% соединений свинца в атмосферу от легковых автомобилей и 2/3 диоксида азота. В таблице 8 приводится оценка выбросов вредных веществ от различных автотранспортных средств легковых, грузовых, автомобилей и автобусов.

Таблица 8 - Характеристика количественных показателей выбросов загрязняющих веществ автотранспортом К стационарным источникам загрязнения атмосферы относятся предприятия транспортно-дорожного комплекса (ТДК), обеспечивающие эксплуатацию транспортных средств, а также их вспомогательные предприятия. В таблице 9 приведены данные о выбросах загрязняющих веществ предприятиями ТДК. [77,99,105,125,133,176] Таблица 9 - Характеристика количественных показателей выбросов загрязняющих веществ с предприятий ТДК Суммарный выброс вредных веществ в атмосферу от стационарных источников составил 1,36 млн. т. При этом основная доля выбросов приходится на твердые частицы, пыль (0,6 млн. т) и диоксид серы (0,36 млн. т). Таким образом, сумма выбросов вредных веществ от передвижных автотранспортных средств и стационарных автостоянок ТДК оценивается в 17,91 млн. т, причем, 13,67 млн. т, или 76%, выбрасывается автомобильным транспортом.

Производственные сточные воды образуются при использовании воды в технологических процессах на предприятиях ТДК. Здесь наиболее массовыми загрязняющими веществами являются взвешенные вещества и нефтепродукты (таблица 10). Помимо взвешенных веществ и нефтепродуктов, поверхностный сток с автомобильных дорог содержит хлориды, используемые для борьбы с гололедом в зимний период. Среднегодовой сброс хлоридов со стоками и снегом за пределы дорог составляет 570 тыс. т. Сброс загрязняющих сточных вод от предприятий автотранспорта составил 7,15 млн. м3 77,99,105,133.

Таблица 10 - Вещественная характеристика состава стоков от транспортных хозяйств в том числе:

транспорт государственных и муниципальных предприятий 5,8 0, Основные производственные отходы в ТДК распределены следующим образом (таблица 11).

[77,105, 133] Таблица 11- Характеристика производственных отходов транспортных хозяйств Вид транспорта и отходы и отходы танные Отходы Отходы древеси- Шлам и На предприятиях ТДК практически не образуются высокотоксичные отходы, требующие захоронения на специальных полигонах. Большинство отходов — это вторичное сырье, которое после соответствующей переработки может вновь использоваться. К наиболее экологически опасным следует отнести отработавшие нефтепродукты, отходы красок и шлаки. Остальные производственные отходы представляют экологическую опасность только в связи с замусориванием территории предприятий и образованием свалок вне отведенной территории.

Потоки автомобильного транспорта являются основным источником шума в городах любой величины. Они не только создают 80% всех зон акустического дискомфорта городов, но и определяют максимальное превышение уровней шума над нормативным. Это связано главным образом с тем, что транспортные магистрали проходят в непосредственной близости от жилищной застройки. В настоящее время уровни шума на городских улицах составляют 65-85 дБ, причем наиболее характерными являются уровни 70-75 дБ (при норме менее 70 дБ). Автотранспортные потоки создают дискомфортные условия проживания в среднем для 30% городского населения страны [1,21,27,35,41,56,63,65,77,99,105,125, 127,133,139,153, 155,169, 176].

Практически все виды техногенного воздействия ТДК на окружающую среду в настоящее время эффективно не регулируются. Отсутствуют гарантии заводовизготовителей на стабильность экологических характеристик транспортной техники при ее эксплуатации. Недостаточен контроль за качеством выпускаемых и отпускаемых потребителям топливно-смазочных материалов, наблюдается хронический дефицит запасных частей к узлам и системам транспортной техники, влияющим на окружающую среду. Длительные сроки освоения приводят к тому, что когда новые модели отечественных автомобилей ставятся на производство, за рубежом модели с аналогичными техникоэкономическими характеристиками уже, как правило, перестают выпускаться. Подавляющее большинство выпускаемых в прошлом и в настоящее время автотранспортных средств имеют худшие характеристики по токсичности двигателей, чем их иностранные аналоги как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями.

Видно, что транспортно-дорожный комплекс имеет определяющий вклад в загрязнение атмосферного воздуха России (более половины всех выбросов в России от стационарных и передвижных источников выброса). Снижение уровня воздействия предприятий ТДК на окружающую природную среду объясняется не повышением показателей экологической безопасности элементов ТДК, а общим падением экономической активности в России и, соответственно, снижением объемов перевозок всеми видами транспорта [1,21,27,35,41,56,63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169, 176].

Особенно существенна его доля по выбросам оксида углерода ( 3/4 общероссийского объема) и углеводородов (3/4 выбросов этих веществ в Российской Федерации). Вклад транспортно-дорожного комплекса в загрязнение водных объектов России незначителен.

В мире действуют три основных стандарта, по которым измеряются предельно допустимые выбросы автомобиля страны-производителя:

1) европейский международный стандарт, утвержденный в 1993 г. действует на территории всех европейских государств и является действительным по всему миру;

2) более жесткий американский стандарт, который в последнее время планируется объединить с европейским для упрощения процедуры контроля;

3) самый строгий стандарт, действительный также во всем мире, действует в Японии.

Российский стандарт экологической безопасности не только не соответствует нынешним мировым требованиям, но и отстает от них на 15 лет. В нашей стране действуют государственные стандарты, которые распространяются на автомобили, находящиеся в эксплуатации, т.е. на весь автомобильный парк России. Это ГОСТ 17.02-02.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах с бензиновыми двигателями. Требования безопасности» и ГОСТ 17.02Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Дымность отработавших газов. Нормы и методы измерений». Предусмотренные ГОСТом 17.02-02.03-87 нормы оказывают определенное влияние на снижение содержания окиси углерода в отработавших газах. Однако фактические ее концентрации остаются высокими и примерно вдвое превышают норму.

Это происходит по ряду причин, основными из которых являются: отсутствие стопроцентного контроля на токсичность новых автомобилей на заводах-изготовителях; недостаточное оснащение автомобилей газоанализаторами вследствие ограниченного выпуска их отечественной промышленностью; несоблюдение работниками службы технической эксплуатации автопредприятий правил по контролю, регулированию и ремонту узлов и систем, влияющих на токсичность отработанных газов [1,21,27,35,41,56, 63,65, 77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169, 176].

Таким образом, проблема автотранспортной экологии в России стоит очень остро.

Картину без преувеличения можно назвать катастрофической: в 235 российских городах миллиона человек (почти третья часть всего населения) живут в условиях предельно допустимой концентрации вредных веществ в воздухе. Из 135 городов, где оценен уровень загрязнения воздуха, в 67% городов степень загрязнения воздуха оценивается как очень высокая и высокая и только в 20% городов как низкая. В целом по России 38% ее городского населения проживает на территориях, где не проводятся наблюдения за загрязнением атмосферы, а 55% в городах с высоким и очень высоким уровнем [30,33,34,85,105,115,122,128,133,156,158] По данным Всемирной организации здравоохранения, выбросы автотранспорта сокращают продолжительность жизни в среднем на 4 года, детская смертность увеличивается на 1%. Средняя продолжительность жизни в Москве на 4-5 лет меньше, чем жителей глубинки по причине чрезмерного количества токсичных веществ в выбросах автомобилей. В России ежегодно умирают от загрязнения воздуха 300-350 тыс. человек.

Главная причина сердечнососудистых, онкологических заболеваний, органов дыхания в городах это выбросы токсичных веществ автомобилей.

Ещё один штрих к картине: в 1965 г. разрыв между средней продолжительностью жизни в США и в России составлял 3 года. В 1995 г. этот разрыв увеличился до 15 лет.

автотранспортных средств (АТС).

Именно автомобили являются «отравителями» атмосферного воздуха. Согласно данным Минздрава РФ, на долю автомобильного транспорта в ряде регионов России приходится до 90% от общего количества выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Любопытно, что все выбросы заводов, вместе взятые, в 6,5 раз меньше, чем выбросы автомобильного транспорта. [1,21,27,35,41,56, 63,65,77,99,105,125,127,133,139,153, 155,169,176] Таким образом, мы все сегодня являемся заложниками автомобилизации;

автомобилей становится больше, дышать становится нечем. Доля транспорта в проблеме экологии представлена в таблице 12.

Таблица 12 - Доля транспорта в проблеме экологии (%) Экологический ущерб от автомобильных выбросов превышает 2% валового национального продукта, что составляет 5 млрд. долларов в год. А ежегодные потери в экономике России только в одной из экологических отраслей промышленности по производству нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей составляют 8-10 млрд.

долларов.

В связи с этим необходимы тщательный приборный контроль за техническим и экологическим состоянием автотранспорта, а также экологический контроль территорий, особенно северных, в условиях все возрастающих автомобилизации и урбанизации.

1.3 Анализ методов определения вредных компонентов загрязнения атмосферы автомобилизации и урбанизации на окружающую среду, является уровень концентраций загрязняющих веществ, которые не приводят к вредным воздействиям на структуры и функции экосистем, особенно северных.

автомобильных двигателей основано на физических или химических свойствах анализируемых компонентов. Существует целый ряд методов определения вредных компонентов в отработавших газах автотранспортных средств. [36, 45,55, 59,62,78,104,110, 119,125-127,133,134,136] Методы и средства контроля токсичности ОГ можно классифицировать с точки зрения объекта анализа (сами ОГ или загрязненный ими воздух), его целей (исследовательские или производственные), основополагающих физико-химических процессов (объемно-абсорбционные, объемно-оптические, хемилюминесцентные, оптические, хроматографические, масс-спектрометрические и лазерные), прерывности анализа и транспортабельности газоанализатора. По транспортабельности приборы подразделяются на переносные, настольные и стационарные; особо выделяются лабораторные комплексы и системы. Наряду с приведенной классификацией методов в аналитической практике широко используется целенаправленная подборка методов анализа того или иного компонента или группы компонентов. При прочих равных условиях целенаправленные методы определения одного компонента проще и дают более надежные и точные результаты, чем анализ нескольких компонентов.

Другое направление аналитического приборостроения, ориентированного на контроль ОГ автомобилей, связано с разработкой и выпуском приборов, используемых на производственных участках предприятий автомобилестроения, для контроля техобслуживания автомобилей для регулировки этих систем. Приводятся различные методы и средства инструментального контроля параметров состояния атмосферы и анализа отработавших газов с использованием литературных данных [36,45,55, 59,62,78,104,110, 119,125-127,133,134,136].

Таблица 13 - Методы анализа загрязнения воздуха Абсорбционный метод спектрального анализа: инфракрасная область спектра (2-10 мкм), ультрафио- Оксид углерода, озон летовая область спектра (0,2-0,4 мкм) Лазерно-оптический, дистанционный загрязняющих веществ, включая их следовые количества в незагрязненных объектах фоновых районов. С учетом необходимости получения наиболее достоверных данных, достижения наивысшей чувствительности и селективности, а также опыта эксплуатации наибольшее распространение получили анализаторы непрерывного действия для контроля в атмосфере вредных компонентов, основанные на использовании методов, приведенных в таблице 13.

Одной из главных задач анализа загрязнений воздуха является получение информации о качественном и количественном составе анализируемого воздуха, необходимой для прогнозирования степени загрязнения воздуха и выполнения мероприятий по охране окружающей среды, а также гигиенических и токсикологических исследований. В задачу химика-аналитика входит также разработка стандартных (унифицированных) методов анализа главных загрязнителей атмосферы и промышленного воздуха, анализ источников загрязнения, исследование химических (фотохимических) реакций загрязнителей и путей их перемещения в атмосфере.

Для выполнения этих задач используются современные физико-химические методы анализа вещества, и в первую очередь - хроматографические и спектральные методы в сочетании с предварительным концентрированием микропримесей. В работах [36, 45,55, 59,62,78,104,110,119,125-127,133,134,136,155] полярографические и газохроматографические методики анализа наиболее распространенных загрязнителей воздуха промышленных регионов. Дан подробный обзор современного состояния методов анализа загрязнений воздуха (методы калибровки аналитических приборов, техника анализа токсичных примесей твердых частиц, неорганических газов, органических соединений и аэрозолей металлов). Также приведены стандартные методы определения в атмосфере газообразных веществ (озон, диоксиды серы и азота, оксид углерода и пары органических соединений) с помощью современной аналитической техники (пламенная фотометрия, флуоресценция и спектрофотометрия).

Наиболее часто для анализа загрязнений воздуха используют метод газовой хроматографии, жидкостной хроматографии высокого давления, атомно-абсорбционную спектроскопию, полярографию, колориметрию и потенциометрию ионоселективными электродами (без учета таких дорогостоящих методов анализа примесей, как хромато-массспектрометрия, ядерный магнитный резонанс и др.) [36, 59,62,78,125-127,133,134,136] микропримесей летучих органических соединений [36,78,134,155]. В развитие и успешное использование этого метода анализа примесей существенный вклад внесли советские ученые: А.А. Жуховицкий (концентрирование микропримесей), В.Г. Березкин (газохроматографический анализ примесей), Н.И. Сакодынский (исследования по использованию пористых полимерных сорбентов для анализа примесей органических соединений), М.С. Вигдергауз (развитие способов газохроматографической идентификации примесей органических веществ) и др.

С конца 1970-х годов началось интенсивное развитие методов высокоэффективной жидкостной хроматографии высокого давления, позволяющей анализировать воздух, загрязненный примесями высококипящих токсичных органических соединений (ПАУ, пестициды, ПХБ и др.). Примерно в это же время для анализа загрязнений воздуха начали применять различные варианты ионообменной (ионной) жидкостной хроматографии. С помощью ионной хроматографии удалось решить ряд аналитических задач, недоступных газовой хроматографии. В настоящее время этот метод анализа успешно используют для определения реакционноспособных органических и неорганических соединений, микропримеси которых с трудом поддаются определению с помощью других методов анализа примесей: редкоземельных элементов, изотопов, антибиотиков, формальдегида и ацетальдегида, алифатических аминов и фторсодержащих неорганических веществ.

Продолжается развитие и совершенствование спектральных методов анализа (спектроскопия в видимой, УФ- и ИК-областях спектра, люминесцентный анализ), традиционно используемых для определения примесей токсичных соединений в воздухе [78,104,126,128,134,155]. Кроме того, в последнее десятилетие для анализа примесей органических и особенно неорганических соединений (металлы, металлорганические соединения) в аналитической химии загрязнений воздуха начали широко использовать атомно-абсорбционную спектроскопию и ее сочетание с хроматографическими способами разделения токсичных химических соединений, а также ядерно-физические методы исследования вещества, микроволновую и ОЖЕ-электронную спектроскопию, лазерные методы. Особенно ценные сведения о составе анализируемой пробы загрязнений воздуха дает комбинация хроматографических и спектральных методов анализа примесей, например, газовой хроматографии и масс-спектрального анализа, газовой хроматографии и ИК-спектроскопии, сочетание предварительного хроматографического разделения исследуемых веществ с последующим анализом примесей методами ЯМР, ЭПР, с помощью атомной абсорбции или пламенной фотометрии.

Применяемые для анализа примесей в воздухе электрохимические методы (полярография, кондуктометрия, кулонометрия. потенциометрия) постоянно совершенствуются: модернизируется аппаратура и техника анализа токсичных веществ.

Использование потенциометрии с ионоселективными электродами позволило разработать корректные методы определения в воздухе микропримесей реакционноспособных и неустойчивых соединений (например, неорганических фторидов), определение которых другими физико-химическими методами анализа встречает серьезные трудности. [78,104, 125-127,133,134,136] Совершенствование аналитических методик определения вредных веществ в атмосферном воздухе позволило создать надежные методы контроля качества воздуха, необходимые для решения одной из важнейших задач современности — защиты от загрязнений окружающей природной среды.

Как показал анализ специальной литературы, существует целый ряд методов определения вредных компонентов в отработавших газах автотранспортных средств.

Выбор методов для инструментального контроля представляет собой довольно сложную задачу и определяется следующими основными факторами:

1) установленными нормами предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (ПДК), максимально разовых и среднесуточных, находящихся на уровне ультрамикроконцентраций веществ, подлежащих контролю, т.е. чувствительность методов должна быть на уровне десятых долей миллиграммов в 1 м3;

2) требованием высокой избирательности методов по отношению к измеряемым веществам;

3) динамикой изменения примеси в приземном слое атмосферы;

4) составом и величиной находящихся в атмосфере примесей, мешающих прямым измерениям;

5) необходимостью работать длительное время в непрерывном режиме;

6) универсальностью использования: в автономном режиме, в составе станций и систем автоматизированного контроля загрязнения атмосферы, а также в составе лабораторий с устройствами прободоставки анализируемой газовой смеси;

7) удобством и доступностью метрологического обеспечения средств измерений;

8) по возможности унификацией методов. [36, 45,55,59,62,78,104,110, 119,125Так, для выбора оптимального метода контроля окиси азота (хемилюминесцентного) были рассмотрены 15 методов; корреляционная спектроскопия, масс-спектрометрия, селективная фотоионизационная, газовая хроматография и др. [134]. В результате анализа определены оптимальные методы контроля окиси углерода (оптико-акустический и электрохимический), окиси азота и озона (хемилюминеоцентный), двуокиси серы (флуоресцентный), углеводородов (пламенно-ионизационный).

Задачей инструментальных средств в системе наблюдения за загрязнением атмосферы является контроль за соответствием содержания вредных веществ установленным нормам и стандартам качества воздуха, в России предельно допустимым концентрациям (ПДК) [62]. Эти нормы являются исходными при формировании требований по диапазону измерения, порогу чувствительности, погрешности измерения газоанализаторов и осреднению данных наблюдений.

При разработке газоанализаторов для применения на сети наблюдений Госкомгидромета следует учитывать следующие требования:

1) чувствительность газоанализаторов должна быть 0,1 ПДК;

2) диапазон измерений до 100 ПДК;

3) первый диапазон измерения 2-3 ПДК;

4) время непрерывной работы 30 суток;

5) быстродействие 120-300 с. [125-127,134,136,155] сопоставимость данных и обоснованные требования к точностным характеристикам измерительных приборов. Принятые к руководству ПДК пока не имеют точностных показателей, и санитарно-гигиенической службой не регламентируются погрешности их соблюдения. В связи с этим, исходя из условий оптимизации наблюдений, а также уменьшения затрат на разработку, обслуживание и метрологическое обеспечение газоанализаторов, при разработке принята основная приведенная погрешность измерения (+)20%.

К приборам контроля ОГ автомобилей предъявляют, кроме возможности измерения микроконцентраций загрязняющих ингредиентов, требующих от методов контроля высокой селективности и низкого предела обнаружения, еще и специальные требования, связанные с особенностью их эксплуатации. Так как контроль ОГ проводится непосредственно у источников их выделения, то приборы контроля должны быть портативными, иметь автономное питание или возможность подключения к автомобильному аккумулятору, работать при низких температурах окружающей среды.

Пробоотборные зонды должны обеспечивать неизменность состава отобранной пробы.

Крайне желателен микропроцессор, позволяющий обрабатывать и запоминать аналитическую информацию с последующей выдачей на самостоятельную цифропечать или подключением к персональной ЭВМ. [36,45,55,59,62,78,104,110,119,125Наблюдения проводят с использованием контактных и дистанционных методов.

Контактные наблюдения подразумевают непосредственный контакт с изучаемым объектом: взятие пробы, ее подачу на пробоподготовку или измерительный прибор либо перемещение измерительного прибора в изучаемой среде. Дистанционные наблюдения подразумевают наблюдения за удаленными от места проведения измерений объектами.

1.4 Газоанализаторы и установки контроля экологичности автомобильного двигателя Применение газоаналитической аппаратуры имеет важное практическое значение для контроля за качеством воздушной среды и определения токсичности выхлопных газов автомобиля.

В последнее время значительное количество зарубежных и отечественных фирм выпускает на рынок целый ряд приборов и установок, предназначенных для определения токсичности выхлопных газов на производственных линиях, технического контроля качества и изучения производительности двигателей и самих автомобилей. Так, японская фирма «Янагимото» явилась первой фирмой, которая ввела в практику контроля установку для измерения количества и определения состава выхлопных газов автомобилей с ДД.

Выпускаемые этой фирмой комплексные установки для измерения количества и определения состава выхлопных газов как от дизельных, так и от карбюраторных двигателей имитируют действительное состояние движения автомобиля посредством блокировки последнего с шассидинамометром, записывают непрерывно изменение выхлопных газов по количеству и составу при условии движения машины. При этом расчет оптимального режима работы двигателя ведется при помощи микропроцессора.

Измерительные приборы, применяемые в этой комплексной установке, основываются на описанных выше физико-химических методах: пламенно-ионизационном детектировании для определения оксидов серы, недисперсионной ИК спектроскопии для определения оксида и двуоксида углерода. [36,59,62,78,104,119,125-127,133,134,136,155] Особой проблемой в контроле ОГ является достоверная транспортировка отработанной пробы к детектору. В частности, в случае определения выхлопных газов от ДД достаточно сложная задача измерение содержания углеводородов с высокой температурой кипения (например, доказана С26Н46 с температурой кипения 337°С).

Фирмой «Янагимото» сконструированы специальные обогреваемые пробоотборные системы, в частности, пламенно-ионизационный детектор «hotFID», обогреваемый от системы отбора проб до анализатора, что сводит к минимуму адсорбцию тяжелых углеводородов в каналах до измерительной ячейки.

Максимальное количество анализаторов, которыми комплектуются установки фирмы «Янагимото» 11 комплектов: 6 недисперсионных ИК спектрометрованализаторов NDIR, 2 пламенно-ионизационных анализатора FID, 2 хемилюминесцентнофотометрических детектора CLD и 1 комплект 02 – анализатора методом магнитного момента.

В установке предусмотрены специализированные системы отбора и подогрева пробы (нагревательной линии с температурой 150°С). Конструкция пробоотборной системы такова, что позволяет пользоваться одним пробоотборным зондом для различных систем-детектирования.

Зарубежные фирмы изготавливают приборы для использования на предприятиях по ремонту и техническому обслуживанию автомобилей. [36,59,62,78,104,119,125Фирма «Figaro» (Германия) выпускает переносной портативный прибор TGS 812 для контроля в отработавших газах ДВС и дизелей следующих ингредиентов: N2, O2, CO2, H2О, NO/NOX, CO, углеводородов. Тестер Monitor 400 фирмы «AEG» (Германия) предназначен для контроля NOX в диапазоне 0-6000 ррm для проверки эффективности работы каталитических нейтрализаторов и регулировки двигателей.

Фирмой «Technotest» Франция разработан тестер lambada 465 для ДВС различных типов со световой индикацией в ОГ кислорода, работающий от автомобильного аккумулятора и помещаемый на вход каталитического нейтрализатора. Сигнал тестера является управляющим для регулирования подачи топлива.

регулировки электронных схем автомобилей: система ALV 845 фирмы «ALV»

предназначена для проверки системы впрыска и зажигания двигателей: тестер 873 для проверки впрыска ДД, а тестер 407 для определения дымности.

контролировать О2, СО2, углеводороды и основные параметры, характеризующие состояние двигателей (температуру масла, скорость вращения вала двигателя, проверку работы кислородного датчика), и регистрировать измеряемые параметры.

Аналогичные приборы выпускаются еще рядом зарубежных фирм: Horiba (Япония), Maschinen ban Нoldenwang (Германия), фирмами Grypton, Allen, Automeber, Pro Erda, Schenk, Wange, Технологическим институтом (Япония).

Фирма Monitor Labs (Lear Siegler Measurement Control Corp.) выпускает серию приборов и систем для автоматизированного контроля загрязнения атмосферного воздуха и промышленных выбросов. Оборудование обеспечивает непрерывный мониторинг концентрации вредных веществ в течение длительного времени без обслуживания техническим персоналом. Область применения: системы экомониторинга городов, контроль промвыбросов и оптимизация процессов сгорания, комплектование стационарных автоматических станций и передвижных лабораторий.

микроконцентраций СО, О3, NOХ, SOХ в атмосферном воздухе на уровне ниже 0,1 ПДК.

Диапазоны измерений соответствуют диапазонам приборов серии 8800.

Применение в газоанализаторах новейшей электроники позволило создать новое поколение приборов, не имеющих аналогов по техническим параметрам при рекордно низкой стоимости. Приборы отличаются высокой степенью автоматизации и стабильности, чувствительностью к контролируемым веществам. [36,59,62,78,104,119,125Выпускаются следующие варианты приборов: мод. 9810 для контроля О3 в диапазоне 0-0,5; 0-1; 0-10 ppm; мод. 9830 для контроля СО в диапазоне 0-100 мг/м3, мод.

9841 для контроля NO, NO2, NOХ, в диапазоне 0-0,2..., 0-10 ppm; мод. 9350 для контроля SO2 в диапазоне 0-0,25,..., 0-10 ppm; мод. 9850/8780 для контроля H2S в диапазоне 0-0,25,..., 0-10 ppm.

Газоанализаторы могут поставляться в составе системы мод. 7000, включающей в свой состав стойку с указанными приборами. Стойка оснащается дополнительно комплексом метеодатчиков для контроля температуры, скорости и направления ветра, влажности, анализатором запыленности контроллером для управления режимами работы анализаторов и обработки данных, модемом для передачи информации по телефонным каналам и устройством для автоматической калибровки анализаторов.

INTERSCANSERIES 4000 — переносные газоанализаторы с автономным питанием — эффективны для контроля загрязнения атмосферного воздуха и рабочей зоны.

Отличаются малой массой — не более 2 кг. Диапазоны измерений: СО — 0-100, 0- ppm; NO2 0-2, 0-50 ppm; SO2 — 0-1, 0-50 ppm; H2S — 0-1, 0-100 ppm; NO — 0-10, 0- ppm; Cl2 — 0-2, 0-10 ppm, HCI — 0-2, О — 0-50 ppm; HCN — 0-2, 0-50 ppm; гидразин 0-1, 0-50 ppm; формальдегид — 0-1, 0-10 ppm; этиленоксид — 0-5, 0-50 ppm.

INTERSCANSERIES 2000 — индивидуальные газоанализаторы с автономным питанием — обеспечивают безопасность работы технического персонала в рабочей зоне и контролируют следующие вредные вещества: СО — 0-500 ppm; Cl2 — 0-10 ppm; HCl — 0-10 ppm; HCN — 0- ppm; H2S — 0-50 ppm; NO — 0-50 ppm; NO2 — 0-10 ppm; SO2 — 0-10 ppm.

Компьютеризированные газоанализаторы фирмы IMR предназначены для измерения и наблюдения за концентрацией вредных веществ непосредственно на месте сгорания, т.е.

в топке. При этом анализаторы, помогая оптимизировать процесс сгорания, позволяют снизить потребление энергии и загрязнение окружающей среды. Область применения приборов — энергетика, химическая промышленность, транспорт и др.

Автоматические переносные и стационарные газоанализаторы различных модификаций фирмы IMR от простейших до многофункциональных решают задачу непрерывного измерения и расчета концентраций О2, СО, СО2, SО2, NO(NO2), H2S, температуры воздуха, скорости потока топочных газов, степени запыленности, коэффициентов избытка воздуха и полноты сгорания топлива.

Диапазоны измерений:О2 — 0-20,9%, СО — 0-2000 ppm; СО2 — 0-25%; SO2 — 0ppm; NOХ — 0-2000 ppm; NО2 — 0-100 ppm; H2S — 0-200 ppm.

Вывод информации осуществляется на дисплей, встроенный термопринтер и через интерфейс RS-232 на ЭВМ. Компьютер, встроенный в прибор, учитывает при расчетах тип топлива (до 22 видов) и запоминает до 10000 измерений.

Газоанализаторы работают от сети 110/220В или внутреннего аккумулятора, имеют небольшую массу, экономичны и просты в работе. Это IMR 1200 Р/1200PG, IMR 2000P, IMR 2500Р/2800P, IMR 3000P, IMR 8000 Р.

распространение получили «Элкон S-100, 105» (Венгрия), АSТ-70 и АSЕ-76 (Польша), РИКЭН Р1-503А, UREX-20, Мекса-300, Мекса-2000, ЕН-100, НС-100 (Япония), ИнфралитТ (Германия), Бекман-895, Бекман 951, САН 1020/1120 (США) и др.

Среди отечественных газоанализаторов можно назвать ОА-2100, 2109,2209, АОГАИ-1», «121ФА-01», «ГИАМ-21, 23,25». [27,36,59,62,78,104,119,125- 127,133,134,136,155] Возможно, некоторые из рассмотренных выше типов газоанализаторов в настоящее время серийно не выпускаются и морально устарели. Однако они могут еще долгое время находится в эксплуатации как в автотранспортных предприятиях, так и в научноисследовательских лабораториях.

1.5 Дистанционные методы и средства контроля и мониторинга При всех видах мониторинга загрязнения воздуха широкое применение получили дистанционные малоинерционные методы анализа [78,110,125-127,134]. Дистанционные методы, в отличие от контактных инструментальных и ручных методов, применяют тогда, когда необходимо получение правильной количественной характеристики сложной пространственно-временной структуры полей концентраций загрязняющих веществ, находящихся в газовой, либо в аэрозольных формах. С появлением ядерных источников излучения, обладающих монохроматичностью, высокой спектральной мощностью и направленностью излучения, стало возможным развитие активных методов зондирования атмосферы даже на длинных горизонтальных трассах — до нескольких десятков километров в видимом, УФ- и ИК-диапазоне электромагнитного спектра.

Активные лазерные методы дистанционного зондирования на основе лидарных систем делятся на абсорбционные, комбинационного рассеяния и резонансной флуоресценции. В зависимости от выбранного метода лазерного дистанционного зондирования и спектрального интервала можно обнаруживать в атмосфере такие газообразные соединения, как СО2, СН4, NH3, NO, NO2, H2S, SO2, HF, Cl, F2. Проводятся работы по раздельному обнаружению аэрозолей сульфатов, карбонатов, нитратов, сажи и их элементному анализу (Zn, Fe, Ni, Сu и др.). Дистанционные системы на основе СО2лазера могут быть использованы для обнаружения в атмосферном воздухе большого числа органических соединений — бензола, ацетонитрила, этилмеркаптана, нитроглицерина, циклогексана, этилацетата, фурана, динитроэтиленгликоля, метанола, метилсульфоксида и др. Работы по указанным ингредиентам еще не получили завершения. Дистанционные методы количественного анализа загрязнений воздуха обладают высокой чувствительностью, однако пределы обнаружения для дистанционных систем в зависимости от природы измеряемого ингредиента, мешающего влияния примесей по трассе и метода зондирования, могут быть от 10–4 до 10–8%.

Создание лазеров (1960) и использование их в качестве источника оптического излучения в лидарах (1963) привело к качественному изменению возможностей последних как приборов, предназначенных для исследования окружающей среды. Лазер в качестве источника оптического излучения обладает рядом неоспоримых и даже принципиальных преимуществ перед обычными источниками оптического излучения. В первую очередь — высокой монохроматичностью и когерентностью излучения, а во вторую — связанной с этим высокой спектральной плотностью излучения. Использование лазеров позволило не только расширить диапазон измеряемых расстояний, но и существенно увеличить потенциальные возможности использования этих приборов для диагностики зондируемых сред. [2,5,6,12,19,20,28,42,43,48-51,70-73,79-81,87,92,94-97,104,110,126,127,134,136,155] Дистанционность и бесконтактность измерений, возможность определения выбранной характеристики воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получения всевозможных сведений о свойствах атмосферы на разной высоте, хорошее пространственно-временное разрешение, связанное с малой продолжительностью и высокой частотой повторения импульсов лазерного излучения, являются принципиальными достоинствами лазерных лидаров, их несомненными преимуществами перед альтернативными диагностическими системами.

Лидарное зондирование может дать ценную информацию в дополнении к контактным измерениям, так как позволяет проводить длительные непрерывные измерения с хорошим пространственным и временным разрешением. В настоящее время существуют целые сети лидарных установок по всему миру: всемирная сеть обнаружения стратосферных изменений (NDSC), европейская сеть EARLINET, обеспечивающая координирование работы 22 лидарных станций с целью мониторинга крупномасштабного переноса аэрозоля в регионы Европы и исследования влияния аэрозольного фактора на климат и экологические условия, азиатская сеть AD-Net, проводящая исследования выноса пыли из пустыни Гоби в регионы Тихого океана, а также «CISLiNet» («Лидарная сеть стран СНГ»), которая позволяет связать европейскую и азиатскую сети в единое целое.