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, бенз(α)апирен 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, 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 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, несодержащим 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; К₂ – коэффициент влияния возраста автотранспорта ; 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: 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 , учитывающие 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 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 : = ,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.