Зубкова Ирина Юрьевна. Разработка методов мониторинга загрязнения воздушной среды автомагистралей крупных городов для предотвращения образования фотохимического смога

Короткий опис

Зубкова Ирина Юрьевна. Разработка методов мониторинга загрязнения воздушной среды автомагистралей крупных городов для предотвращения образования фотохимического смога : диссертация ... кандидата технических наук : 03.00.16.- Волгоград, 2002.- 177 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-5/1625-3

Волгоградская Государственная архитектурно-строительная академия
На правах рукописи
Зубкова Ирина Юрьевна РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ
СРЕДЫ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ КРУПНЫХ ГОРОДОВ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ФОТОХИМИЧЕСКОГО СМОГА
Специальность 03.00.16 «Экология (технические науки, строительство)»
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
научный руководитель Доктор технических наук, профессор Сидоренко В.Ф.
Волгоград 2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Характеристика воздействия городского автотранспортного комплекса на воздушную среду урбанизированной территории
1.2. Влияние параметров городских автомагистралей на величину и состав отработавших газов автомобильного транспорта
1.3. Значение диоксида азота как определяющего фактора протекания фотохимических реакций и образования фотохимического смога на автомагистралях
1.4. Анализ основных технических направлений снижения антропогенного воздействия автомобильного транспорта на воздушную среду городских комплексов
1.5. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИОКСИДА АЗОТА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ ГОРОДСКИХ УЛИЦ
2.1. Анализ градостроительных факторов, влияющих на концентрацию диоксида азота в атмосферном воздухе городских улиц
2.2. Анализ климатологических факторов, влияющих на концентрацию диоксида азота в атмосферном воздухе городских улиц
2.3. Интенсивность движения автомобильного транспорта как фактор, влияющий на концентрацию диоксида азота в атмосферном воздухе городских улиц
2.4. Планирование натурных замеров и обоснование репрезентативности выборки объектов исследования
2.5. Методика проведения натурных замеров и методика исследования
2.6. Результаты натурных обследований и характеристика перекрестков по содержанию диоксида азота в атмосферном воздухе
2.7. Выводы по главе 2
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Многофакторный регрессионный анализ результатов натурных исследований
3.2. Оценка вероятности образования фотохимического смога в условиях крупных городских комплексов
3.3. Разработка математической модели прогноза возникновения пороговой концентрации формирования фотохимического смога в воздушной среде автомагистралей городских комплексов
3.4. Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. НАПРАВЛЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Разработка основ системы автоматизированного мониторинга для предотвращения образования фотохимического смога в атмосферном воздухе урбанизированной территории
4.2. Выбор режимно-эксплутационных характеристик, направленных на снижение содержания диоксида азота в отработавших газах
ВВЕДЕНИЕ
Техногенные выбросы в атмосферу являются важнейшим фактором, определяющим качество жизни в крупных городах. Традиционно наиболее серьезным источником загрязнения атмосферы считают промышленные предприятия, однако спад промышленного производства в последние годы привел к тому, что в крупных промышленных мегаполисах выбросы автотранспорта соизмеримы по объему с выбросами предприятий. Более того, выбросы производств, как правило, проходят стадию очистки и поступают в атмосферу через жерла высоких труб, что способствует рассеянию примесей и снижает их концентрацию в приземном слое. Газообразные продукты автомобильных выхлопов поступают непосредственно в приземный слой воздуха практически без всякой предварительной очистки. В результате улицы городов становятся распределенными источниками загрязнения атмосферы.
Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания автомобиля - это смесь более 200 различных компонентов, большая часть которых токсична. Кроме того, в атмосферном воздухе в результате химических реакций эти соединения преобразуются в другие, часто более токсичные. Одним из примеров такого превращения является прохождение в атмосфере, загрязненной выбросами автомобильного транспорта, реакций фотохимического окисления. Вещества, получающиеся в результате таких реакций, образуют фотохимический смог, обладающий сильным раздражающим долговременным действием на здоровье человека.
Сегодня, когда темпы автомобилизации общества значительно ускорились, проблема образования фотохимического загрязнения стоит перед каждым крупным городом, особенно если климатические условия способствуют прохождению фотохимических реакций в воздушном бассейне урбанизированной территории. Главным условием прохождения реакций фотохимического окисления является одновременное наличие инсоляции и
превышения содержания в атмосферном воздухе диоксида азота некоторых пороговых значений.
Для решения проблем охраны и улучшения городской среды в градостроительном проектировании разрабатываются конкретные мероприятия архитектурно-планировочного характера, определяемые генеральными планами городов. Но для более ощутимого оздоровления городской среды необходимы также санитарно-технические, технологические и административные мероприятия. Этим вопросам посвящены работы многих российских и зарубежных ученых: Фельдмана Ю.Г., Сидоренко В.Ф., Берлянда М.Е., Безуглой Э.Ю., Буштуевой К.А., Израэля Ю.А., Луканина В.Н. и др.
В работах авторов большое внимание уделяется выявлению климатических и микроклиматических особенностей селитебных территорий городов, загрязнению их атмосферы выбросами загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников. Имеется обширный материал, показывающий возможность оздоровления городской среды и создания комфортных условий для проживания людей посредством градостроительных методов.
Однако содержанию диоксида азота в атмосфере уделялось недостаточно внимания в течение длительного времени. Доминирующим фактором образования фотохимического смога окислительного характера является диоксид азота, главным источников выбросов которого является автомобильный транспорт.
В настоящей диссертации обобщены и проанализированы материалы ранее выполненных работ. Кроме того, проведены натурные исследования, сделан теоретический и математический анализ полученных результатов, на основе чего предложен ряд мероприятий для уменьшения возможности образования фотохимического смога на автомагистралях крупных городов.
Исходя из вышеизложенного, целью диссертационного исследования является разработка эффективных методов мониторинга воздушной среды автомагистралей крупных городов для предотвращения фотохимического смога с учетом анализа влияния архитектурно-планировочной структуры города, природно-климатических факторов и параметров дорожно-транспортной сети на содержание диоксида азота в атмосферном воздухе (на примере Волгограда).
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Изучение воздействия на окружающую природную среду автомобильного транспорта, как источника загрязнения в конкретных архитектурно-строительных условиях реального города.
2. Проведение многофакторного анализа влияния сложившейся архитектурно-планировочной структуры города, климатических особенностей и параметров транспортного потока на содержание N02 в атмосферном воздухе городских магистралей.
3. Разработка методики прогноза возможности образования фотохимического загрязнения в воздушном бассейне города.
4. Разработка схемы осуществления автоматизированного мониторинга содержания N02 В атмосферном воздухе на автомагистралях.
5. Предложение градостроительных и технических мероприятий в целях предотвращения условий образования фотохимического смога в атмосферном воздухе города.
Объектом исследования является атмосферный воздух основных транспортных магистралей Волгограда, загрязненный отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания автомобильного транспорта.
Предметом исследования является изучение зависимостей пороговых значений содержания NCb в атмосферном воздухе, при которых начинается протекание в загрязненном воздухе городских магистралей реакций фотохимического окисления токсичных компонентов отработавших газов автотранспорта и образование фотохимического смога, от градостроительных, климатологических и дорожно-транспортных факторов.
Научная новизна работы состоит в том, что на основе натурных обследований, анализа литературных данных и расчетов разработана
математическая модель для организации автоматизированного мониторинга концентраций NO? в целях предотвращения образования фотохимического смога на автомагистралях крупных городов.
К наиболее существенным научным результатам можно отнести:
- методику определения и математическую модель прогноза возможности образования фотохимического смога в атмосферном воздухе крупных городских комплексов;
- комплексную систему автоматизированного мониторинга образования фотооксидантов в воздухе городских автомагистралей;
- рекомендации для снижения уровня содержания NO2 и предотвращения образования фотохимического смога на автомагистралях городов.
Практическая значимость работы заключается в возможности прогноза и контроля образования фотохимического смога в воздухе крупных городов.
Результаты диссертационного исследования получили внедрение:
- использованы Департаментом по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Волгограда при разработке рекомендаций по организации мониторинга содержания диоксида азота на крупных
автомагистралях города;
- приняты Комитетом по градостроительству и архитектуре
Администрации Волгограда при подготовке генерального плана города для проектирования и реконструкции жилой застройки вдоль автомагистралей и создания «зеленых» зон, компенсирующих влияния автотранспорта;
- при разработке учебного курса «Оценка экологических мероприятий»
для студентов специальности «Городское строительство и хозяйство»
ВолгГ АСА.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на Международной научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград, 1997); Международной научно-технической конференции "Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов" (Волгоград, 1999); Первой научно-практической конференции "Город и автомобиль" (Волгоград 1999); Международной научно-технической конференции "Проблемы охраны производственной и окружающей среды" (Волгоград 1999); научно-технических конференциях Волгоградской Государственной Архитектурно-строительной Академии (1997-1999), в том числе международных. Материалы работы были использованы при подготовке Докладов о состоянии окружающей природной среды Волгограда в 1998, 1999 и 2000 г.г.
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:
1. Зубкова И.Ю. Меры по снижению загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта // Материалы научно-техн. конф. "Проблемы охраны производственной и окружающей среды". Волгоград, 1997. С. 36
2. Зубкова И.Ю. К вопросу о загрязнении воздушного бассейна Волгограда продуктами фотохимического превращения выбросов автотранспорта // Тез. докл. преподавателей, аспирантов, студентов на научно- практ. конф. "К цивилизованному рынку". Волгоград, ВолгГАСА, 1998. С. 59
3. Зубкова И.Ю. Меры по снижению загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта. // Программа и тез. докл. междунар. научно-практ. конф. "Проблемы экополиса". Таиланд, Бангкок- Паттайя, 1998. С. 99.
4. Зубкова И.Ю. Загрязнение N02 из отработавших газов автомобильного транспорта на основных магистралях Волгограда // Материалы междунар. научно-техн. конф. "Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов". Волгоград, 1999.
5. Сидоренко В.Ф., Зубкова И.Ю. Оценка автотранспорта как источника загрязнения воздушного бассейна г. Волгограда // Тез. Первой научно-практ. конф. "Город и автомобиль". Волгоград, ВОРЭА, 1999. С. 52-54.
6. Зубкова И.Ю. Результаты натурных исследований загазованности основных транспортных магистралей г. Волгограда // Материалы научно-техн. конф. "Проблемы охраны производственной и окружающей среды". Волгоград, 1999. С.132-134.
7. Зубкова И.Ю. Возможность образования фотохимического смога на автомагистралях г. Волгограда // Материалы научно-техн. конф. "Проблемы охраны производственной и окружающей среды". Волгоград, 1999. С.138-141.
8. Зубкова И.Ю. Влияние метеорологических условий на возможность образования фотохимического смога в атмосферном воздухе крупного города // Программа, доклады и сообщения междунар. научно-техн. конф.-семинара "Проблемы международного сотрудничества в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды" Тунис, 2000. С. 60-62.
На защиту выносятся следующие положения диссертации:
система комплексной оценки возможности образования фотохимического загрязнения в атмосферном воздухе крупного города;
- принципы организации комплексной системы автоматизированного мониторинга содержания NO2 в атмосферном воздухе и образования фотохимического смога на автомагистралях;
- метод категорирования перекрестков по степени опасности возникновения фотохимического смога, а также технические, градостроительные и административные мероприятия, направленные на снижение категории опасности.

Список літератури

1. Оздоровление экологической обстановки на урбанизированной территории, где загрязнение автотранспортом приоритетно, возможно при сочетании оптимальных технических и градостроительных решений, отдавая предпочтение малозатратным методам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ существующих технических и градостроительных мероприятий направленных на снижение содержания загрязняющих веществ в отработавших газах автотранспорта и атмосферном воздухе основных магистралей и первого фронта застройки показал, что эти мероприятия направлены на снижение концентрации СО в атмосферном воздухе, тогда как диоксид азота в 59 раз токсичнее и его повышенные концентрации приводят к прохождению реакций фотохимического окисления и образованию фотохимического смога.
2. В результате проведенных натурных замеров концентрации N02 на основных транспортных магистралях Волгограда определены перекрестки, на которых наблюдается превышение норм предельно-допустимых концентраций 5 раз. Результаты натурных измерений показали, что на 80 перекрестках обнаружено превышение ПДК более чем в 1,7 раз, что говорит о возможности образования фотохимического смога на 60% городской территории. Полученные результаты послужили основой для составления карты фотохимического загрязнения Волгограда.
3. Проведенный многофакторный анализ показал, что существенными факторами, влияющими на концентрацию N02 в воздухе автомагистрали, являются интенсивность транспортного потока, скорость ветра и рельеф местности.
4. Разработанная методика позволяет оценить вероятность возникновения фотохимического смога на данном участке автомагистрали проанализировав факторы, способствующие протеканию фотохимических реакций в городском воздухе, загрязненном выбросами автотранспорта.
5. Предложенная теоретическая модель прогноза возможности образования фотохимического смога состоит из методики комплексной оценки вероятности его образования и математической модели, которая позволяет восстановить общую картину фотохимического загрязнения городских автомагистралей по результатам измерений в отдельных точках с помощью интерполяционных моделей, причем, используя скорректированные уравнения корреляции, можно учитывать сезонность и время суток.
6. Предложенный метод категорирования перекрестков по степени опасности возникновения фотохимического загрязнения (удовлетворительная, неблагоприятная и опасная ситуация) позволяет определить периодичность контроля концентрации N02 на каждом конкретном перекрестке. Применение мероприятий градостроительного и организационного характера также целесообразно в соответствии с категорией ситуации на перекрестке, в частности:
• применение методов зональной застройки и планировки возможно только для перекрестков, где С]чіо2<1 ПДК; для перекрестков с неблагоприятной ситуацией фасады зданий первого ряда должны быть обращены в сторону жилой застройки, а не магистрали;
• для перекрестков с опасной ситуацией, когда Смог>3 ПДК, необходимо сооружение экранирующих стенок, автодорожных тоннелей для изоляции тротуаров и культурно-бытовых и общественных зданий от проезжей части;
• временное или полное ограничение или запрещение движение некоторых категорий автомобилей на перекрестках с неблагоприятной или опасной ситуацией позволяет снизить выбросы отработавших газов автотранспорта до 46%, что значительно уменьшает вероятность образования фотохимического смога.
7. Для контроля концентрации NO2 предложена схема организации автоматизированного мониторинга, которая позволяет оперативно реагировать на изменение ситуации на перекрестках.
8. Для более эффективного применения защитных и превентивных мероприятий рекомендовано составление карт фотохимического загрязнения, используя данные автоматизированного мониторинга и натурных наблюдений, статистические сведения и данные о ландшафтных и природно-климатических особенностях территории, фоновом загрязнении NCb.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Автотранспортные потоки и окружающая среда / В. Н. Луканин, А.П. Буслаев, Ю.В. Трофименко, М.В. Яшина. М.: Инфра-М, 1998. 408 с.
2. Аксенов И.Я., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. М.: Транспорт, 1986.-176 с.
3. Алачев В.П. Автомобильный транспорт и охрана окружающей среды: Учебное пособие. Кишинев, 1988. - 78 с.: ил.
4. Амбарцумян В.В. Автотранспорт и окружающая среда // «Экология и жизнь». 1999. №2.
5. Андреев П. И. Рассеивание в воздухе газов, выбрасываемых промышленными предприятиями. М., 1952.
6. Арсенов В.Г., Сергеев В.А. Экология и нетрадиционная энергетика // Экология и промышленность России. 1997. № 8.
7. Аспекты гигиены внешней среды в планировании и развитии крупных городов: Доклад комиссии экспертов ВОЗ / Пер. с англ. - М.: Медгиз, 1966.
8. Атлас Волгоградской области. - Киев, 1993.
9. Атмосфера, физические факторы, окружающая среда, гражданское строительство / Отв. ред. М.Г. Шандала. Киев: «Здоровя», 1977,- вып.8.-138 с.: с. ил.
10. Ахметов Л.А. Экологические аспекты автотранспорта. Ташкент: Мехнат, 1989. 169с.: :ил.
11 .Ахметов Л.А., Корнев Е.В. Состояние и пути снижения вредного воздействия работы автотранспорта на окружающую среду (обзор) / УзНИИНТИ. Ташкент, 1986. 34 с.
М.Барсуков Г.М., Сидоренко В.Ф.. Косицына Э.С. Охрана и
оздоровление городской среды: Учебное пособие. / ВолгГАСА. Волгоград, 1979.
13 .Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.
14. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л., 1965.
15. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и за¬грязнения атмосферы. Л.,. 1975.
6.Бернацкий В.И. Исследования режимов работы автомобильного двигателя в эксплутационных условиях' // Труды института двигателей АН СССР. М., 1961.
17. Бертокс П., Радд Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнения. М.: Мир, 1980. 606 с.
18. Бретшнейдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений. Технология и контроль / Пер. с англ. Л.: Химия, 1989.
19. Буренин И.С. К изучению роли выхлопных газов автотранспорта в загрязнении воздушного бассейна городов. //Атмосферная диффузия и загрязнение атмосферы. Труды главной геофизической обсерватории им. Воейкова. Л., 1973. Вып. 293.
20. Бусаров В. Нетрадиционная энергетика: новые возможности? // Евразия. Экологический мониторинг. 1996. № 3. С. 5-16
21 .Буштуева К.А. Сжигание топлива как источника загрязнения атмосферного воздуха. М., 1968. 33 с.