МЕТОД ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Санкт-Петербург 2009
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА АВТОТРАНСПОРТОМ 12
1.1 Характеристика автотранспорта как источника загрязнения воздушной городской среды ^ 12
1.2 Состояние моделирования загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта 22
1.3 Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух на автомагистралях и перекрестках 32
1.4 Метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха вблизи городских автомагистралей и перекрестков 40
1.5 Применение современных геоинформационных систем для оценки загрязнения
атмосферы автомобильными выбросами 43
Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗОВАННОГО МАТЕРИАЛА 51
2.1 Данные обследований автотранспортных потоков 51
2.2 Данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха 62
2.3 Данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха 64
2.4. Метеорологические характеристики городов, влияющие на рассеивание вредных
(загрязняющих) веществ 71
2.5 Геоинформационные системы и интернет-сервисы 74
Глава 3 ОЦЕНКА ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ (ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ) ВЕЩЕСТВ НА ГОРОДСКИХ АВТОМАГИСТРАЛЯХ И ПЕРЕКРЕСТКАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ
СИСТЕМ 78
3.1 Уточнение значений удельных показателей выбросов основных загрязняющих 78
веществ различных категорий автотранспортных средств
3.2 Коэффициенты, учитывающие изменение выбросов загрязняющих веществ при
различных скоростях движения автотранспортных средств 85
3.3 Процедура определения интенсивности и скорости движения автотранспортного потока на автомагистралях и перекрестках 89
3.4 Определение основных планировочных характеристик магистрали и перекрестка с использованием современных геоинформационных систем 112
3.5 Алгоритм проведения расчетов выбросов загрязняющих веществ на автомагистралях 117
3.6 Алгоритм проведения расчетов выбросов загрязняющих веществ в зоне
перекрестков 126
Глава 4 ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ 133
4.1 Влияние параметров автотранспортных источников выбросов на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей 138
4.2 Влияние длины очереди автотранспорта на изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи перекрестков 143
4.3 Зависимость уровня загрязнения атмосферного воздуха от метеорологических
условий 146
Заключение 152
Список литературных источников 154
Приложение 1 Результаты расчетов максимальных выбросов загрязняющих веществ
на отдельных автомагистралях и перекрестках 166
Приложение 2 Результаты расчетов максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков 171
ВВЕДЕНИЕ
Обоснование актуальности темы диссертационного исследования
"Атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружающей природной среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Загрязнение атмосферного воздуха — поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха" [78].
Одной из острых экологических проблем настоящего времени является загрязнение атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. Автотранспорт является основным источником загрязнения воздушной среды городов вредными (загрязняющими) веществами, которые поступают в атмосферный воздух практически в зоне дыхания человека. В большинстве городов вклад выбросов автотранспорта в валовые выбросы составляет более 50%, а в крупных городах превышает 85 - 90% [26]. В 2007 году выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух на территории Российской Федерации достигли 16,3 млн. тонн при неуклонном росте объема выбросов с 1997 г.
Зоны загрязнения атмосферного воздуха такими веществами, как оксид углерода и диоксид азота, формируемые выбросами автотранспортных потоков (АТП), могут характеризоваться высокими концентрациями, зачастую превышающими значения предельно допустимых концентраций, и охватывать достаточно большие территории. Наибольшие значения максимальных приземных концентраций вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе формируются вблизи автомобильных дорог и их пересечений, по которым с различной интенсивностью, плотностью и скоростью движутся автотранспортные потоки.
Автомобильные дороги и перекрестки являются источниками с нестационарными по времени выбросами, а автомобили, движущиеся по магистралям, являются источниками выделения выбросов в атмосферный воздух. В зависимости от структуры (состава) и интенсивности движения автотранспорта на автомагистралях и в районе перекрестков в атмосферном воздухе при неблагоприятных метеорологических условиях формируются поля максимальных разовых концентраций вредных веществ. В соответствии со ст. 1 [78] "неблагоприятные метеорологические условия — метеорологические условия, способствующие накоплению вредных (загрязняющих) веществ в приземном слое атмосферного воздуха".
Состояние загрязнения атмосферного воздуха в городах Российской Федерации определяется на основании инструментального мониторинга, включающего наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха и дополнительно с помощью передвижных лабораторий. Значения измеренных концентраций загрязняющих веществ в точке наблюдения фиксируют уровень загрязнения атмосферного воздуха без выявления источников загрязнения. Определить вклад автотранспортных источников выбросов позволяет расчетная оценка .загрязнения атмосферного воздуха, с помощью которой можно смоделировать конкретную ситуацию и дать прогнозные оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха с учетом улучшения экологических характеристик автотранспортных средств, развития улично- дорожной сети городов и др. факторов.
Развитие расчетного метода оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами необходимо в части усовершенствования метода определения параметров выбросов автотранспорта как источника загрязнения атмосферы, включающих характеристики автотранспортных потоков (интенсивность, структура, плотность, скорость движения) и величины удельных пробеговых выбросов и удельных выбросов в районах перекрестков.
Для повышения эффективности расчетов загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами появилась возможность проведения исследований на новом системном и техническом уровне с использованием технологии Географических Информационных Систем (ГИС). ГИС - информационная система, оперирующая пространственными данными. В отличие от обычных бумажных или отсканированных карт, с помощью электронной топографической основы города возможно учесть весь объем информации о множестве слоев разнообразной общегеографической и тематической информации о городе, в т.ч. об автомагистралях и прилегающих жилых массивах.
Таким образом, тема диссертации, посвященная разработке метода оценки загрязнения атмосферного воздуха городов вблизи автомагистралей и перекрестков выбросами автотранспорта с использованием современных ГИС, является актуальной и своевременной задачей.
Предмет исследования
Предметом исследования являются закономерности формирования полей максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе вблизи городских автомагистралей и перекрестков при различных метеоусловиях в зависимости от характеристик движения автотранспортных потоков.
Цель и задачи исследования
Целью настоящей работы является разработка метода расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков на основе уточненных удельных выбросов вредных (загрязняющих) веществ для различных категорий автотранспортных средств (АТС) с использованием современных ГИС.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
- проведение натурных обследований состава и интенсивности автотранспортных потоков в ряде городов РФ;
- разработка метода расчета удельных показателей выбросов основных загрязняющих веществ различных категорий АТС с учетом их экологических характеристик, а также уточнение коэффициентов, учитывающих изменение выбросов загрязняющих веществ при различных скоростях движения АТС;
- применение современных геоинформационных систем для определения основных планировочных характеристик магистралей и перекрестков;
- проведение расчетной оценки загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС;
- анализ зависимости уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач проводились натурные эксперименты по определению характеристик автотранспортных потоков, расчетные и инструментальные оценки максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ с использованием ГИС.
Научная новизна работы
В диссертационной работе:
- разработан метод определения удельных (пробеговых) выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, движущихся по автомагистралям;
- разработан метод определения удельных выбросов загрязняющих веществ для различных категорий АТС, находящихся в зоне регулируемых перекрестков;
- уточнены коэффициенты, учитывающие изменение выбросов оксида углерода, оксидов азота и углеводородов, в зависимости от скорости движения АТС;
- предложен метод применения современных ГИС для определения основных параметров автотранспортных источников выбросов;
- определены зависимости изменения уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков от параметров источников выбросов автотранспорта;
- усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
Практическая значимость работы и внедрение результатов
Основные результаты научных исследований по оценке загрязнения атмосферного воздуха вблизи основных автомагистралей и перекрестков с использованием ГИС (Maplnfo Professional, ArcView) апробированы и включены:
- в «Методику определения загрязняющих веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга», «Методику расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух Санкт-Петербурга», «Методику по проведению сводных расчётов на основе компьютерного банка данных о выбросах загрязняющих веществ «Системы Эколог- город Санкт-Петербург», утвержденные распоряжениями Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга;
- в сводный том «Охрана атмосферы и предельно-допустимые выбросы (ПДВ) города Архангельска» для нужд муниципального образования «Город Архангельск».
Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха г.Санкт-Петербурга автотранспортом с использованием ГИС послужила основой для принятия управленческих решений по уменьшению загрязнения атмосферного воздуха г.Санкт-Петербурга автомобильным транспортом.
Результаты научных исследований рекомендовано использовать в качестве исходных данных для оценки и обоснования планируемых градостроительных решений по реконструкции транспортно-дорожной сети г.Архангельска в рамках «Комплексной транспортной схемы г.Архангельска на период 2008 - 2023 гг.»
Результаты исследований внедрены в атмосфероохранную деятельность, что подтверждено соответствующими актами.
Положения, выносимые на защиту
1. Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в районах автомагистралей с использованием ГИС.
2. Метод расчета выбросов автотранспорта и оценки загрязнения атмосферного воздуха в зонах перекрестков с использованием ГИС.
3. Метод оценки загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом с использованием ГИС.
4. Результаты исследования уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей и перекрестков в зависимости от параметров источников выбросов автотранспорта и метеорологических условий.
Достоверность результатов и выводов диссертации
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объемом используемого фактического материала (данные автоматических стационарных постов по контролю за загрязнением атмосферного воздуха; данные передвижной лаборатории контроля загрязнения атмосферного воздуха г.Архангельска; экспериментальные наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха вблизи отдельных автомагистралей и перекрестков г.Санкт-Петербурга, данные натурных обследований автотранспортных потоков вблизи автомагистралей и регулируемых перекрестков; статистическая информация о возрастной структуре автомобильных парков по территории РФ), а также полученными значениями коэффициентов корреляции между расчетными и инструментальными значениями концентраций загрязняющих веществ.
Личный вклад автора
Автор лично проводил натурные обследования структуры, интенсивности и скорости движения автотранспортных потоков и непосредственно участвовал в измерениях содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на автомагистралях и перекрестках г.Санкт- Петербурга. Автором самостоятельно разработан метод расчета выбросов загрязняющих веществ, включающий определение показателей удельных выбросов и учет изменения выбросов основных загрязняющих веществ от скорости движения автотранспортного потока. Автором лично усовершенствован метод оценки загрязнения атмосферного воздуха с использованием ГИС и проведена его апробация. Все представленные расчеты по определению выбросов загрязняющих веществ и применению ГИС при оценке загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом и изложенные результаты расчетов получены автором лично.
Апробация работы и публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей» (г.Санкт-Петербург, Государственный аграрный университет, 22-24 марта 2005г.), на Седьмой Международной научно-практической конференции «Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах» (г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 21-22 сентября 2006 г.), на Пятой Международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (г.Санкт-Петербург, ГУАП, 31 января - 02 февраля 2007г.), на международной научно-практической конференции «Информационные технологии как основа управления в сфере рационального природопользования и охраны окружающей среды» (г.Санкт-Петербург, 29-30 ноября 2007 г.), на научно-практической конференции «Актуальные вопросы обеспечения безопасности дорожного движения» (г.Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 27 - 28 ноября 2008г.).
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе, 2 статьи — в журналах, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий (Научно- технический журнал "Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе", №11; Журнал «Экология урбанизированных территорий», №3).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы и 2 приложений. Объем диссертации — 165 стр. текста, в том числе 33 таблицы, 48 рисунков. Список использованной литературы включает 105 наименований на русском и английском языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, анализируется предмет и объект исследования, практическая ценность и реализация полученных результатов работы, также приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается характеристика автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха городов; анализируются существующие и применяемые в настоящее время методики оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в РФ и за рубежом; описывается подход к расчету выбросов вредных (загрязняющих) веществ от автотранспорта; анализируются метеорологические условия, влияющие на формирование загрязнения атмосферного воздуха вблизи городских автомагистралей; приводятся примеры применения современных ГИС для оценки загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами.
Во второй главе приведена характеристика использованного материала. В работе были использованы: данные натурных обследований автотранспортных потоков; данные датчиков наблюдения Управления дорожного движения за интенсивностью движения автотранспортных потоков; данные автоматических стационарных станций по мониторингу загрязнения атмосферного воздуха (АСМЗВ); данные передвижных лабораторий контроля загрязнения атмосферного воздуха.
В третьей главе изложен усовершенствованный автором метод расчета выбросов автотранспорта на автомагистралях и в зоне перекрестков с использованием ГИС.
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА АВТОТРАНСПОРТОМ
1.1 Характеристика автотранспорта как источника загрязнения воздушной
городской среды
Несмотря на то, что автотранспорт играет немаловажную роль в жизни любого города, обеспечивая основную часть прироста объемов перевозимых грузов, с его возникновением стали появляться множество проблем, решить которые не всегда удается. К одной из основных проблем относится загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. С увеличением численности населения и развитием торгово-экономических отношений доля автомобильного транспорта в транспортном балансе городов ежегодно растет, а вместе с этим увеличиваются и выбросы вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух.
Автотранспортные средства представляют собой множество наземных точечных источников, сосредоточенных на автомагистралях городов и населенных пунктов. Зоны загрязнения воздуха такими веществами, как оксид углерода, диоксид азота, углеводороды, формируемые выбросами автотранспортных потоков в районах автомагистралей и их пересечений, могут характеризоваться высокими (часто > ПДК) значениями концентраций и охватывать достаточно большие территории.
Наибольший интерес при этом, среди типичных элементов улично-дорожной сети, представляют собой городская автомагистраль и городской регулируемый перекресток, т.к. они является источником высоких концентраций вредных веществ вблизи жилой застройки.
Автомагистрали — это множество единичных источников загрязнения атмосферы, которые действуют в течении суток, недель, сезона и года с той или иной временной изменчивостью. Суточный ход интенсивности движения (количество проходящих по данной автомагистрали в обоих направлениях автотранспортных средств в единицу времени - час) чаще всего имеет два максимума: в утренние и вечерние часы. Продолжительность периодов наибольшей интенсивности движения составляет 1-3 часа в зависимости от расположения магистралей. В ночные часы интенсивность движения уменьшается на 80 - 95% (за исключением транзитных автомагистралей).
Наряду с суточными изменениями интенсивность движения характеризуется также недельным и годовым ходом. Для недельного хода свойственно резкое уменьшение интенсивности в нерабочие дни в целом по городу. Годовой ход связан с возрастающей интенсивностью движения на 20 - 30% в теплый период года.
Городской перекресток представляет собой место пересечения, примыкания или разветвления автомагистралей на одном уровне [ПДД]. Согласно п. 13.3 [61], перекресток, где очередность движения определяется сигналами светофора или регулировщика, считается регулируемым.
Уровень загрязнения атмосферного воздуха на автомагистралях вблизи регулируемых перекрестков является одним из самых высоких по сравнению с уровнем загрязнения вблизи других участков улично-дорожной сети.
Связано это с тем, что на регулируемых перекрестках плавность потоков нарушается, режим движения становится состоящим только из фаз разгона и замедления (торможения). Так называемый режим «разгон-торможение» по сравнению с режимом движения с постоянной скоростью влечет за собой увеличение выбросов загрязняющих веществ.
Отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания (ОГ ДВС) представляют собой смесь газообразных, твёрдых и жидких соединений органического и неорганического происхождения. Состав и концентрация веществ зависят от типа применяемого топлива, типа двигателя, условий и режима его эксплуатации (табл. 1.1.1, 1.1.2) [36].

скачать файл диссертации


Оставить комментарий