Геоэкологический мониторинг придорожной территории с использованием программы Credo Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 625.73

О.В. Адмаев, Т.В. Гавриленко КрасГАСА, Красноярск

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ПРИДОРОЖНОЙ ТЕРРИТОРИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММЫ CREDO

Экологическое качество автомобильной дороги определяется последствиями воздействия ее сооружений и транспортного потока на окружающую среду. При экологическом анализе необходимо знать величину концентрации вредных веществ в некоторой определенной точке придорожного пространства, с учетом вклада каждого источника (участка дороги) в общую концентрацию в данной расчетной точке [1].

Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и особенно от двигателя - источника наибольшего загрязнения. Исследования состава отработавших газов двигателей внутреннего сгорания показывают, что в газах содержится несколько десятков токсичных компонентов, оказывающих непосредственное воздействие на окружающую среду: окись углерода, углеводороды, окислы азота, сажа и соединения свинца. Известно весовое количество этих вредных веществ в отработавших газах полностью исправных двигателей автомобилей, образующихся при сгорании автомобильного топлива (табл. 1) [2].

Анализ табличных данных показывает, что наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных двигателей внутреннего сгорания за счет большего выброса СО, Nox, CnHm и др. Дизельные двигатели выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде не токсична. Однако частицы сажи несут на своей поверхности токсичные вещества, в том числе и канцерогенные. Сажа может длительное время находиться во взвешенном состоянии в воздухе, увеличивая тем самым время воздействия токсичных веществ на человека и окружающую среду.

Таблица 1. Весовое количество вредных веществ в отработавших газах

двигателей автомобилей

Вредные выбросы Количество вредных выбросов, кг, на 1000 кг сгоревшего топлива в цилиндрах двигателя

Бензинового Дизельного

Окись углерода (СО) 267 28,4

Углеводороды (СпНт) 33,2 9,1

Окислы азота (ЫОх) 26,6 40,8

Сернистый газ ^О2) 1,34 34,0

Сажа (С) 1,34 3,4

Свинец(РЬ) 0,266 -

Всего: 329,7 115,7

Анализ экологической обстановки и разработка мероприятий по снижению неблагоприятного воздействия могут быть выполнены с помощью комплекса программ автоматизированного проектирования дорог CREDO, подсистемы CAD_CREDO [3]. В данном комплексе реализована методика, в

которой все токсичные вещества приведены к одному условному показателю обобщенной токсичности, вычисляемому по формуле

Т = Ссо + Kch*Cch + Kno*Cno + Ксж*Ссж + Kpb*Cpb,

(1)

где Ссо, Cch, Cno, Ссж, Cpb - концентрация соответственно оксида углерода, углеводородов, оксида азота, сажи, свинца; Kch, Kno, Ксж, Kpb -коэффициенты относительной токсичности углеводородов, оксидов азота,

-5

сажи, свинца, вычисленные по отношению ПДК оксида углерода (3 мг в м3) к ПДК этих веществ.

Авторы данной работы воспользовались программным комплексом CREDO в качестве инструмента метеорологического моделирования для исследования зависимости уровня транспортных выбросов от температурных и ветровых изменений. Роза ветров (повторяемость в процентах) предполагалась известной. Значения коэффициента температурной стратификации соответствовали благоприятным метеорологическим условиям, при которых концентрация вредных веществ в атмосфере максимальна: 140 - Россия, 180 - Европа, 200 - Сибирь, 250 -Средняя Азия. Температура атмосферного воздуха принималась равной средней максимальной температуре наиболее жаркого месяца согласно СНиП 23-01-99 [4].

С помощью комплекса CREDO выполнены экологические расчеты для федеральной автомобильной дороги М54 «Енисей», запроектированной на цифровой модели местности автоматизированным способом. В ходе исследований получены данные по выбросам CO, NOfe СхНу, Pb, обобщенной токсичности (ОТ), уровню шума при различных скоростях ветра, в частности при 0,5 м/с - минимальной из средних скоростей ветра по румбам за самый жаркий месяц в данной местности [4].

В качестве примера рассмотрим результаты анализа экологической обстановки участка федеральной автомобильной дороги, которая проходит вдоль реки Енисей по среднехолмистому рельефу вблизи природоохранной территории - государственного заповедника «Столбы».

На рис. 1. показаны границы рассеивания выбросов вредных веществ (оксидов углерода и азота, свинца), уровня шума и обобщенной токсичности, рассчитанной по формуле (1). В указанных границах концентрации превышают предельно допустимые значения. По оси абсцисс обозначены пикеты, расстояние между которыми 100 м.

эК * со

п

* 5

I я

О к л ас и Й н ^

о

и

к

К

§

н

о

о

ей

РМ

и

о

«

к

н

о

ев

ЕТ

— СО

— — N0

— РВ

— ОТ Шум

Пикеты

Рис. 1. Положение границы ПДК по веществам и шуму при скорости ветра 0,5 м/с до проведения лесопосадочных мероприятий

В целях ограничения зоны распространения выбросов транспортного потока были предложены мероприятия по снижению воздействия автомобильной дороги на природоохранную территорию. Наиболее эффективными из них считаются лесопосадки, состоящие из нескольких рядов деревьев, высаженных вдоль автомобильной дороги. Одной из лучших хвойных пород для устройства живых изгородей является ель.

Для рассматриваемого участка трассы были проведены расчеты по снижению неблагоприятного воздействия с учетом двухрядной лесополосы из ели при двух значениях скоростей ветра 0,5 м/с и 2,3 м/с. Результаты расчетов после устройства защитной полосы приведены на рис. 2.

Из графиков видно, что на выбранном участке лесопосадочные мероприятия существенно уменьшили лишь зону распространения шума, тогда как посадка деревьев должна привести и к значительному уменьшению зоны распространения вредных выбросов.

к

«

2

О

а

«

н

о

О)

к

к

64

о

н

о

о

й

Рч

л

а

к

к

а а и ° « « 2 £ ^ £ С «

0>

£

со

оэ

О

Л

С

—СО —N0

---РВ

---ОТ

Шум

Пикеты

Рис. 2. Положение границы ПДК по веществам и шуму при скорости ветра 0,5 м/с после проведения лесопосадочных мероприятий

Таким образом, методика расчетов, заложенная в алгоритм программы САО_СКЕВО, не позволяет адекватно оценить уменьшение уровня неблагоприятного воздействия, вызванное поглощением деревьями вредных выбросов.

Значения выбросов СО, РЬ и шумового воздействия связаны со скоростью транспортного потока, которая, в свою очередь, обусловлена изменением продольного и поперечного профилей автомобильной дороги, других ее характеристик. Результаты по многолетним отложениям свинца представлены на рис. 3.

4 год 8 год 12 год 16 год 20 год

Пикет

Рис. 3. Положение границы ПДК по отложениям свинца в зависимости от

года эксплуатации (справа от дороги)

Для оценки критической величины транспортного потока был проведен статистический анализ данных по выбросам. Концентрации выбросов вредных веществ, шума и ОТ рассматривались как случайные величины. Для каждой пары величин строились интервальный и дискретный вариационные ряды распределения частот и относительных частот наблюдаемых значений, проводился корреляционный анализ. На рис. 4 приведены коэффициенты корреляции между различными воздействиями при трех значениях средних скоростей ветра. Точкам на рисунках соответствуют коэффициенты корреляции для следующих пар: 1 - СО и N0^ 2 - СО и СхНу; 3 - СО и РЬ; 4

- СО и ОТ; 5 - СО и шум; 6 - КОХ и СХНУ; 7 - Шх и РЬ, 8 - КОХ и ОТ; 9 -N0 и шум; 10 - СХНУ и РЬ; 11 - СХНУ и шум; 12 - РЬ и ОТ; 13 - РЬ и шум; 14

- шум и ОТ.

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

-0,20

-0,40

-0,60

0,20

0,10

0,00

-0,10

-0,20

-0,30

-0,40

-0,50

♦ ♦ ♦

♦ ♦

10

20

0

0,10

0,00

-0,10

-0,20

-0,30

-0,40

Рис. 4. Коэффициенты корреляции при скорости ветра:

а) 0,5 м/с; б) 3,0 м/с; в) 5,0 м/с

Анализ показал, что с увеличением скорости ветра коэффициенты корреляции стремятся к нулю. При скоростях ветра более 3 м/с корреляционные связи практически отсутствуют. Это связано с быстрым рассеянием выбросов при больших скоростях ветра. Зато возрастает обратная корреляционная связь между шумом и СО. При скорости ветра 0,5 м/с, являющейся минимальной из средних значений в самом жарком месяце, наблюдается корреляционная связь между CxHy и шумом, а также заметная связь между СО и Pb, CO и ОТ и шумом и ОТ.

Проведенные расчеты экологической обстановки показали, что используемая в программном комплексе CREDO методика требует дальнейшей разработки. В [1] отмечается, что при экологическом анализе влияния автомобильного транспорта на окружающую среду необходимо учитывать особенности источника выбросов, под которым понимается некоторый участок автомобильной дороги с проезжающим по нему транспортом. Они следующие: 1) отработавшие газы автомобильных

двигателей быстро и принудительно смешиваются с воздухом в пределах проезжей части дороги; 2) выбросы быстро принимают температуру окружающего воздуха; 3) автомобильная дорога представляет собой линейный объект сложной конфигурации в плане и продольном профиле; 4)

объемы выбросов обусловлены меняющимися параметрами дороги и переменны по ее длине.

Указанные особенности автомобильно-дорожного источника требуют разработки специальной математической модели, основанной на уравнении диффузии с соответствующими начальными и граничными условиями, и алгоритмов расчета концентраций вредных веществ в придорожном пространстве.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Говорущенко Н.Я., Филиппов В.В., Величко Г.В. Проблемы и методы оценки экологического и энергетического качества автомобильных дорог // Автоматизированные технологии CRED0-2000. - С. 45 - 51.

2. Орнатский Н.П. Автомобильные дороги и охрана природы. - М.: Транспорт, 1982. - 176 с.

3. CAD_CRED0. Проектирование автомобильных дорог. - Руководство пользователя. - Т. 5. - Книга 1. - 43 с.

4. СНиП 23-01-99. Строительная климатология / Минстрой России. - М.: ГПЦПП,

2000.

© О.В. Адмаев, Т.В. Гавриленко, 2005