Распространение загрязнений воздушного бассейна от движущегося автотранспорта

Выбрасываемые в атмосферу отработанные газы и испарения топливных систем автотранспорта представляют собой смесь из более чем двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенных веществ.

Значения выбросов вредных веществ в отработанных газах автотранспорта зависит от различных факторов: соотношения в смеси воздуха и топлива, режимов движения автотранспорта, рельефа местности и качества дорог, технического состояния автомобиля, типа двигателя и др. Например, рельеф дороги и режим движения автомашин оказывают значительное влияние на выбросы оксида углерода (СО). При ускорении и торможении в отработанных газах содержание СО увеличивается в 8 раз. При медленном движении или стоянии автомобиля с включенным двигателем также резко увеличивает содержание СО в выбрасываемых газах (что характерно для автомобильных пробок). Минимальное количество угарного газа выделяется при равномерном движении автомобиля со скоростью 60 км/ч. Выбросы основных загрязняющих веществ (оксид углерода, оксид азота, углеводороды, бензапирен) существенно ниже в дизельных двигателях по сравнению с карбюраторными. Однако дизельные двигатели отличаются повышенными выбросами сажи (при плохой регулировке двигателя и систем подачи топлива), которая насыщена канцерогенными углеводородами и микроэлементами, выбросы которых в атмосферу недопустимы.

Нормируются выбросы загрязняющих веществ также ПДК. Концентрация загрязняющих веществ вдоль магистралей зависит от их массового выброса, величина которого в свою очередь определяется видом автотранспорта, типом двигателя и уровнем его технического состояния, плотностью автомобильного потока (интенсивностью движения) и средней скоростью. Последний из перечисленных параметров может меняться путем принятия градостроительных решений, позволяющих избежать задержки движения автотранспорта на светофорах, например, строительство эстакад и тоннелей на перекрестках, расширение проезжей части улиц и др.

Масса выбросов от автомагистралей рассчитывается в соответствии с методикой [6], которая может быть использована для оценки показателей экологического воздействия и обоснования необходимости применения экологически ориентированных мероприятий по организации дорожного движения (ОДД).

Влияние условий движения автомобилей в транспортном потоке на выброс загрязняющих веществ, прежде всего, проявляется через обусловленное организацией движения соотношение установившихся и неустановившихся режимов движения. Поэтому в общем виде величина выброса автомобилей i- го загрязняющего вещества М, на участке магистрали длиной 1, за единицу времени определяется по формуле:

M_i=M_li+D_i (3),

где: M_li – выброс i-го загрязняющего вещества при непрерывном движении транспортного потока, г/ч (или г/с); D_i – дополнительный выброс i – го загрязняющего вещества, связанный с задержкой транспортных средств, г/ч (г/с).

Величина M_li отражает неизбежную часть выброса, определяемую техническим уровнем и состоянием транспортных средств, скоростью движения, интенсивностью движения и дорожными условиями. Величина D_i отражает увеличение выброса, вызванное торможением и разгоном транспортных средств, а также работой двигателя на холостом ходу.

В соответствии с [6] учитывается выброс следующих загрязняющих веществ: - оксид углерода – СО; углеводороды - С_mH_m; оксиды азота – NO_x; диоксид серы – SO₂; сажа – С.

При расчетах следует учитывать, что в г. Москве автомобильные двигатели работают на бензине высокого качества, не содержащим сернистых соединений (выбросы SO₂ отсутствуют), и не разрешается проезд автотранспорта с плохой регулировкой дизельного двигателя и системы подачи топлива.

Для расчета выброса i-го загрязняющего вещества при непрерывном транспортном потоке (М_li) используется расчетная формула:

M_li = , г/час (4),

где: m`_lik – пробеговый выброс i-го загрязняющего вещества автомобилем

k-й расчетной группы, г/км; L_n – длина n-го перегона входного или выходного направления, км; N_kn – интенсивность движения автомобилей k-й расчетной группы на n-ом перегоне входного или выходного направления, авт/час.

При этом надо учитывать, что транспортный поток подразделяется на пять групп расчетных автомобилей:

- расчетный легковой автомобиль (РЛА) – усредненная модель легкового автомобиля, отражающая существующее распределение легковых автомобилей с двигателями различного литража в потоке;

- расчетный грузовой автомобиль с бензиновым двигателем (РГАБ) – усредненная модель грузового автомобиля с бензиновым двигателем, отражающая существующее распределение грузовых автомобилей различной грузоподъемности в потоке;;

- расчетный грузовой автомобиль с дизельным двигателем (РГАД) – усредненная модель грузового автомобиля с дизельным двигателем, отражающая существующее распределение грузовых автомобилей различной грузоподъемности в потоке;

-расчетный автобус с бензиновым двигателем (РАБ) – усредненная модель автобуса с бензиновым двигателем, отражающая существующее распределение автобусов различного класса в потоке;

- расчетный автобус с дизельным двигателем (РАД) – усредненная модель автобуса с дизельным двигателем, отражающая существующее распределение автобусов различного класса в потоке.

Кроме того, для расчета массового выброса М каждого из загрязняющих веществ, содержащихся в отработанных газа, необходимо с помощью введения соответствующих коэффициентов учитывать уровень технического состояния автомобиля, его возраст и среднетехническую скорость. В результате формула (4) будет иметь следующий вид:

= (5),

где 3600 – коэффициент пересчета единицы массового выброса из г/ч в г/с; К₁ – коэффициент уровня технического состояния автотранспорта (табл.3.6); К₂ – коэффициент влияния возраста автотранспорта (табл.3.6); К₃ – коэффициент среднетехнической скорости, учитывающий отличие средней скорости транспортного потока в городе (V) от скорости по европейскому циклу. Коэффициент К₃ для разных загрязняющих веществ определяется по формулам [7]: для оксида углерода К₃ = 1,268-0,015; для углеводородов К₃=1,2-0,0116;для оксидов азота К₃=1,0.

Зависимости плотности автомобильного потока (Р) от интенсивности движения автотранспорта (N_kn) определяется по выражению Р= N_kn/V.

Большое значение имеет оценка уровня концентрации загрязнителей в приземном слое городской среды. Отработавшие газы от автотранспорта составляют многокомпонентную смесь до 280 вредных ингредиентов. Наиболее опасными для человека являются окись углерода, оксиды азота, углеводороды и различные соединения свинца. Все горячие газы при смешении с окружающим воздухом быстро охлаждается и их плотность быстро приближается к плотности воздуха, поэтому он быстро рассеивается по территории как некий средний газ. В градостроительной практике за представительный показатель уровня загрязнения атмосферного воздуха принимается концентрация в приземном слое территории и по высоте здания окиси углерода (СО), у которой ПДК_СС = 3 мг/м³ и ПДК_МР =5 мг/м .

Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч, в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300-350 человек. Но дело не только в углекислоте. 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. 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.

Уровень загазованности магистралей и примагистральных территорий зависит от интенсивности движения автомобилей, ширины и рельефа улицы, скорости ветра, доли грузового транспорта и автобусов в общем потоке и других факторов. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация окиси углерода на открытой территории на расстоянии 30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза и достигает нормы. Затруднено рассеивание выбросов автомобилей на тесных улицах. В итоге практически все жители города испытывают на себе вредное влияние загрязнённого воздуха.

Градостроительные мероприятия, улучшающие условия рассеивания выхлопных газов автотранспорта в жилой застройке и позволяющие снижать концентрации до предельно допустимых значений – важный фактор в борьбе за чистоту воздушного бассейна в городе.

Значения фоновых концентраций загрязняющих веществ типичны для многих районов Москвы, как соседствующих с территориями производственного назначения, так и находящихся от них на относительном удалении. Отработанные автомобильные газы содержат до 200 различных токсичных веществ. Наиболее опасными из отработанных автомобильных газов являются оксиды углерода, азота, углеводороды, в том числе – бензапирен. В практике расчета часто принимают концентрацию окиси углерода СО. Исходным моментом анализа загрязнения воздушной среды является определение концентрации окиси углерода на бордюре проезжей части, которая определяется по эмпирической формуле [2]:

С = (6), где

- расчетная концентрация СО на бордюре проезжей части; N - количество автомобилей в час в обоих направлениях (получено экспериментально): - скорость ветра на улице, м/с, при штиле =1 м/с; H - ширина улицы в линиях регулирования застройки, м; - коэффициент, учитывающий конструкцию двигателей, уровень технического обслуживания машин, вид топлива и т.д. В настоящее время =0,35; - коэффициент, учитывающий долю общественного и грузового транспорта в потоке и его среднюю скорость (табл.4); - коэффициент, учитывающий повышение уровня концентрации СО, вследствие прерывистости движения транспорта из-за наличия перекрестков (табл. 5).

Таблица 4

Значения при разных автотранспортных потоках

до 25 %	Средняя скорость транспортного потока, км/ч
10-20
Значения	1,05	0,9	0,75	0,7	0,6	0,55

 

 

Таблица 5

Значения , учитывающий прерывистость транспортного потока

Значения
Расстояние между перекрестками, м					800
	2,0	1,5	1,25	1,1	1

Расчет концентрации СО у бордюра перекрестка проводится по формуле:

 

С = С , мг(СО)/м (7), где N >N

Расчет концентрации СО за границей экранирующих сооружений проводится по формуле, полученной [8] на основании теоретических и экспериментальных исследований:

2

С_ЭК = А· е^-0,169/К / 0,35К (8),

где С_ЭК - концентрация загрязнителя на поверхности земли, мг/м³;

А = 2000 М_Л / √π · V₀H; М_Л – мощность линейного источника на высоте экрана, г/сек·м; V₀ – скорость ветра, м/сек; Н – высота выброса газа, м;

К = х/ Н –кратность высот экрана, (х – расстояние от источника до расчетной точки, м).

Изменение концентрации СО по высоте экранирующего сооружения зависит от мощности источника на бордюре проезжей части, высоты экрана и отвечает полученной [8] на основании экспериментальных данных формуле:

М_Л = М_Ло / ³ √1– Н/14,1 (9),

где М_Ло – мощность источника на бордюре проезжей части, г/сек·м.

По формулам (8) и (9) возможно определить концентрацию выхлопных газов автотранспорта в любой точке селитебной зоны за экранирующими сооружениями.

Изменение концентрации СО за счет удаления от проезжей части дороги осуществляется по формуле [8]: = , где c_х - концентрация СО на расстоянии х от бордюра, c_p - концентрация СО на бордюре проезжей части. При этом снижение концентрации СО от расстояния можно определить по графику (рис.2).

 

Рис.2. Изменение загазованности (СО) в зависимости от расстояния

 

Определение уровня загазованности в расчетных точках

Изменение концентрации оксида углерода СО в расчетных точках перед зданием и за ним определяется в зависимости от здания ширины и этажности по таблицам 6.

Таблица 6

Концентрация СО (мг/м³) в зависимости от этажности и ширины здания

Перед зданием (Т1)
кол-во секций	n - этажность
2 (50 м)	0.5	0.5	0.5
4 (100м)	0.2	0.15	0.12
8 (200м)	0.12	0.08	0.07
	За зданием (Т2)
кол-во секций	n - этажность
2 (50 м)	0.5	0.5	0.5
4 (100м)	0.2	0.15	0.12
8 (200м)	0.12	0.08	0.07

 

Расчет загрязнения атмосферного воздуха на территории застройки

Существующая загазованность СО на фасаде здания С_т1оценивается по формуле:

С _т1=( -Д) К₁ (10)_,

где С_х= ; С_х - концентрация СО на расстоянии х от бордюра; - концентрация СО на бордюре проезжей части; – снижение концентрации выхлопных газов (СО) по территории застройки; Д – снижение концентрации СО зелеными насаждениями; К₁ – изменение концентрации СО перед зданием в зависимости от его ширины и этажности.

Концентрация СО за фасадом здания С_т2 рассчитывается по формуле:

С_т2=С_т1 К_2,

где К₂ – изменение концентрации СО за зданием в зависимости от его ширины и этажности.

Для пофакторной и комплексной оценки загазованности необходимо построить картограмму концентраций загрязнителя (по уровню ПДК) территории жилой среды. После чего можно оценить по таблице 2 воздействие загрязнения на организм человека как фактора окружающей среды (ФОС), при наличии в воздушной среде загрязнителей от 0,8 до 1,2 ПДК_СС дается 1 балл, от 1,2 до 2 ПДК – 2 балла, а более 2-х ПДК– 3 балла. Коэффициент значимости при воздействии загрязнения воздушной среды на человека имеет максимальное значение, что надо учитывать при расчете суммарных баллов ФОС жилой среды.

Состояние водных ресурсов

Водные ресурсы являются частью городской среды обитания, их значение достаточно многогранно и уникально, что привести все случаи использования воды практически невозможно. Воды гидросферы находятся в постоянном движении и циркуляции. Если не обращать внимания на разность во временных интервалах, то укрупненно схема круговорота воды выглядит следующим образом: выпадение осадков - появление поверхностного стока с последующей фильтрацией в грунты и подземные воды – испарение – транспирация – перенос водяного пара в атмосфере – конденсация пара - повторное выпадение осадков.

Вода – химическое соединение водорода и кислорода. Природная вода по своему составу весьма разнообразна; в ней присутствуют неорганические соли в виде молекул, ионов, комплексов, органические вещества в виде молекул и гидратированных соединений, диспергированные примеси, гидробионты (фитопланктон, бентос и др.), бактерии, вирусы.

Качество воды в природных водах определяется совокупностью физико-географических условий (климат, рельеф местности, почвенный покров, растительный покров прибрежной территории, строение и площадь стока), биологических процессов, протекающих в водоеме, и деятельностью человека (сброс сточных вод в водоемы, строительство различных гидротехнических сооружений, судоходство). При этом под качеством воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером содержащихся в воде примесей в ионном, молекулярном, комплексном, коллоидном и взвешенном состоянии, а также изотопный состав радионуклидов в воде.

Основными источниками загрязнения природных вод являются:

· атмосферные воды, несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы загрязняющих веществ; особенно опасны стоки с городских улиц, промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, мусора, фенола, кислот и др.;

· городские сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие фекалии, детергенты (поверхностно-активные моющие средства), микроорганизмы;

· промышленные сточные воды, образующиеся в самых разнообразных отраслях производства, среди которых наиболее активно потребляют воду черная металлургия, химическая, лесохимическая, нефтеперерабатывающая и пищевая промышленность.

Для безопасного водопотребления и защиты населения от угрозы загрязнения питьевой воды вредными и ядовитыми веществами установлены ПДК загрязняющих веществ в воде, необходимо также проведение мониторинга муниципальных источников водоснабжения.

Основное нормативное требование к качеству воды в водных объектах - соблюдение установленных ПДК. Как нормативный показатель ПДК исключает неблагоприятное влияние вредных веществ на живые организмы и возможность ограничения или нарушения нормальных условий хозяйственно- питьевого, культурно-бытового и других видов водопользования. Таким образом, предельно допустимая концентрация вредных веществ в водном объекте - это такая концентрация, при превышении которой вода становится непригодной для одного или нескольких видов водопользования. В Российской Федерации установлено раздельное нормирование качества воды, этот принцип разделения связан с категорией водопользования: 1) для целей и нужд населения; 2) для рыбохозяйственных целей. В соответствии с этим применяют два вида предельно допустимых концентраций: ПДК_в и ПДК_в.р. При этом, ПДК_в.р всегда значительно меньше ПДК_в. Например, если ПДК_в аммиака составляет 2 мг/л, то ПДК_в.р того же вещества в 40 раз ниже (табл. 7).

Различные вещества, содержащиеся в сточных водах, способны подвергаться окислению в природных водах, что связано с потреблением растворенного в воде кислорода. Поэтому важнейшим нормативным показателем качества воды является химическое потребление кислорода (ХПК), определенное бихроматным методом, т.е. ХПК – это количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. Для характеристики качества воды определяют также биохимическое потребление кислорода (БПК) – это количество кислорода, израсходованного в определенный промежуток времени на аэробное (без доступа кислорода воздуха) биохимическое разложение органических веществ, содержащихся в исследуемой воде, причем промежуток времени может быть различным: 2, 5, 10, 20 сут., БПК₂ - за 2 суток, БПК₅ - за 5 суток и т.д. (табл. 8).

Таблица 7

Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в водоемах (мг/л)

Вещество	ПДКв	ПДКв.р.
Аммиак	2,0	0,05
Бериллий	0,0002	-
Ванадий (V)	0,1	-
Висмут (V)	0,1	-
ДДТ	0,1	отсутствие
Свинец	0,03	0,03
Ртуть	0,005	-
Нефть и нефтепродукты	0,1	0,05
Медь (II)	1,0	0,01
Фенол	0,001	0,001
Цианиды	-	0,05
Хром (VI)	0,1	-

 

Нормы качества воды и водных объектов обычно включают:

· общие требования к составу и свойствам воды для различных видов водопользования;

· перечень ПДК нормированных веществ в воде объектов, предназначенных для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд;

· перечень ПДК нормированных веществ в воде объектов, используемых для рыбохозяйственных целей.

В этих перечнях ПДК должны быть приведены: наименование вещества (его синонимы), лимитирующий признак вредности, класс опасности, нормативное числовое значение с указанием единицы измерения.

При отсутствии ПДК на какое-либо вещество на стадии предупредительного контроля временно устанавливаются ориентировочно допустимые уровни (ОДУ) содержания этих веществ в воде, разработанные на основе расчетных и экспресс-экспериментальных методов. По мере изучения токсикологических характеристик данных веществ ОДУ заменяется на ПДК.

Таблица 8

Требования к составу и свойствам воды[9]

Показатели	Цели водопользования
	Хозяйственно-питьевые нужды	Коммунально-бытовые нужды
Взвешенные вещества*	При сбросе сточных вод содержание взвешенных веществ в контрольном створе не должно увеличиваться (по сравнению с естественными условиями) более, чем (мг/дм^3)
	0,25	0,75
Температура Т	Летняя температура при сбросе сточных вод не должна повышаться более, чем на 3^оС (по сравнению со среднемесячной Т воды самого жаркого месяца за последние 10 лет).
РН	Не должен выходить за пределы 6,5-8,5
Растворенный кислород, мг/дм^3	Не менее 4 (в любой период)
Хлориды, мг/дм^3	< 350	Не должны быть по органо-
Сульфаты, мг/дм^3	< 500	лептическому определению
Химические вещества	Нормируются по ПДК
БПК мгО2/дм^3 (при 20^оС)	< 3	< 6
ХПК гО2/дм^3	< 15	< 30

*Содержание в воде антропогенных взвешенных веществ (хлопья гидроксидов металлов, частицы асбеста, стекловолокна, базальта, капрона и др.) нормируется по ПДК этих веществ.

 

В городской среде потребление воды в основном осуществляется в селитебной зоне (жилой ячейке, городских учреждениях, офисах и др.) для питьевых и хозяйственных нужд, бытовых целей на территориях, прилегающих к городу.

Водозабор для жилой среды осуществляется из открытых источников (реки, озера) и подземных вод, для чего используются скважины. В РФ действуют нормы качества воды для хозяйственно-питьевого, коммунально-бытового и рыбохозяйственного водопользования в соответствии с Правилами охраны поверхностных вод (1991г.), а также перечень ПДК для нормирования веществ в воде, используемой для хозяйственно-питьевых и коммунально-бытовых нужд (СанПиН-4630-88). Ранее считалось, что подземные артезианские воды более качественные, однако в связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий, а также закачкой промышленных сточных вод в подземные горизонты требуются значительные исследования и анализы проб воды, чтобы сделать заключение о состоянии подземных вод.

В настоящее время в ряде регионов, в частности, в крупных городах, наблюдается снижение в воде органических веществ (по БПК₅), фенолов и танина, увеличение концентрации нефтепродуктов, нитратов, соединений меди, ртути, свинца, кадмия, цианидов, мышьяка и некоторых других токсичных веществ. Кроме того, имеется много глубинных источников загрязнений, в том числе так называемый пенопролирунный диффузионный сток с городских территорий, дорог, промышленных и строительных площадок, сельскохозяйственных территорий и др., который по объему не уступает контролируемым источникам загрязнений. Имеющиеся нормативы позволяют контролировать состояние воды для хозяйственных и питьевых нужд. Тем не менее качество питьевой воды различается в разных регионах и районах внутри отдельного региона, занимающего большую территорию.

В частности, в настоящее время 2800 предприятий Москвы сбрасывают в городскую канализацию 720 тыс. м³ сточных вод, и только 10% их имеют системы оборотного водоснабжения; 250 предприятий сбрасывает сточные воды в поверхностные водоемы, а более 90% сточных вод поступает в водные объекты Москвы от ТЭЦ и АМО «ЗИЛ». Ежегодно канализация Москвы пропускает более 2200 млн. м³ сточных вод, при этом, протяженность канализационных сетей в Москве составляет5882 км, из которых более 900 км находятся в ветхом состоянии и представляют достаточно серьезную экологическую опасность [10].

Загрязнение подземных вод Москвы происходит прежде всего из-за разрушения старых водозаборных скважин, 75% из которых пробурено и оборудовано более 30 лет назад, это разрушение происходит за счет проникновения в воды каменноугольных отложений загрязненных поверхностных и грунтовых вод. Поскольку подземные воды не используются, как правило, для организации централизованного водоснабжения (за исключением отдельных водозаборов), их охрана не является приоритетной задачей эксплуатационных городских организаций и служб. При этом в Москве недостаточно работает ФЗ РФ «О недрах», принципы которого позволили бы наладить действенную систему охраны и мониторинга подземных вод за счет отчислений московских предприятий за недропользование [10].

Большую опасность представляет загрязнение подземных вод нефтепродуктами из-за их утечек из трубопроводов и резервуаров, заглубленных в грунт без надлежащей противокоррозионной защиты металла. На территории Московского нефтеперерабатывающего завода (МНПЗ) такое загрязнение обнаружено не только в почвах, грунтах, но и поверхностных и грунтовых водах на глубине более 100 м; аналогичное загрязнение подземных вод проявляется в эксплуатационных скважинах и на территориях, прилегающих к МНПЗ (ТЭЦ-22, совхоз «Белая дача» и др.). При этом последствия нефтяного загрязнения почвогрунтов территории МНПЗ могут проявляться через многие годы после его прекращения.

Как указывалось выше (табл. 2) при воздействии воды на организм человека как фактора окружающей среды (ФОС), при наличии в водных источниках загрязнителей до 1 ПДК_В дается 1 балл, до 1,5 ПДК_В – 2 балла, а более 1,5 ПДК_В – 3 балла. Коэффициент значимости при воздействии воды на человека имеет максимальное значение, что надо учитывать при расчете суммарных баллов ФОС жилой среды.