Научные основы методов и средств контроля экологического состояния автотранспорта и его воздействия на окружающую среду

На правах рукописи

Хватов Владимир Филиппович

Научные основы методов

и средств контроля экологического состояния автотранспорта и его

воздействия на окружающую среду

Специальность: 05.11.13 –

Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена в Северо-Западном государственном заочном тех­ническом университете (СЗТУ).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Поляков Виталий Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Ложкин Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор Кулаков Сергей Викторович

Ведущая организация: Научно-исследовательский центр

экологической безопасности РАН.

Защита состоится «­­ 13 » ноября 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.214.01 при Северо-Западном государствен­ном заочном техническом университете по адресу: 191186, г.Санкт-Петербург, ул.Миллионная, 5.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 191186, Санкт -Петербург, ул. Миллионная, д.5.

Автореферат разослан « 12 » октября 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.214.01 Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации представлено обобщение выполненных автором в 1987-2007 годах исследований в области создания методов и средств контроля экологического состояния автотранспорта и оценки воздействия автотранспорта на окружающую среду.

Актуальность темы. Одной из наиболее острых проблем современности явля­ется проблема экологического состояния окружающей среды крупных городов. В боль­ших городах к числу основных объектов загрязнения окружающей среды относится загрязнение атмосферного воздуха автотранспортом.

В то же время автомобильный транспорт занимает важное место в единой транспортной системе страны. Он перевозит более 80% народнохозяйственных грузов, что обусловлено высокой маневренностью автомобильного транспорта, возможностью доставки грузов «от двери до двери» без дополнительных перегрузок в пути, а, следовательно, высокой скоростью доставки и сохранностью грузов.

Большая протяженность и производительность автомобильных дорог обеспечивает возможность их повсеместной эксплуатации.

Высокая мобильность, способность оперативно реагировать на изменения пассажиропотоков ставят автомобильный транспорт «вне конкуренции» при организации местных перевозок пассажиров. На его долю приходится почти половина пассажирооборота.

Автомобильный транспорт сыграл огромную роль в формировании современного характера расселения людей, в распространении дальнего туризма, в территориальной децентрализации промышленности и сферы обслуживания. В то же время он вызвал и многие отрицательные явления: ежегодно с отработавшими газами в атмосферу поступают сотни миллионов тонн вредных веществ; автомобиль – один из главных факторов шумового загрязнения; дорожная сеть, особенно вблизи городских агломераций, «съедает» ценные сельскохозяйственные земли. Под влиянием вредного воздействия автомобильного транспорта ухудшается здоровье людей, отравляются почвы и водоёмы, страдает растительный и животный мир.

Отработавшие газы двигателей автотранспорта содержат сложную смесь из более двухсот компонентов, среди которых немало канцероге­нов. Вредные вещества поступают в воздух практически в зоне дыха­ния человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к наиболее опасным источникам загрязнения атмосферного воздуха.

В настоящее время мировой автомобильный парк превысил 700 млн. единиц, из которых 83 - 85% приходится на легко­вые автомобили. По прогнозам, к 2010 году он достигнет 1 млрд. единиц.

Мировой ежегодный выброс вредных веществ от автомобилей составляет 50 млн.т. углеводородов, 200 млн.т. оксида углерода и 20 млн.т. оксидов азота.

Во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами стационарных источников. Так, например, в Москве вредное воздействие автотранспорта на атмосферу составляет 66% от суммарных выбросов вредных веществ от всех источников. Второе место после Москвы по количеству выбросов вредных веществ автотранспортом занимает Санкт-Петербург, в котором также уровень загрязнения воздуха от автотранспорта составил более 60% от суммарного загрязнения всех источников.

Таким образом, наиболее актуальной проблемой является максимальное снижение уровня экологической опасности автотранспорта, создание эффективных методов и средств контроля выхлопных газов, диагностика экологического состояния автотранспорта и контроль уровня загрязнения основных автомагистралей города.

Целью диссертационной работы является совершенствование методов средств контроля вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и создание научно обоснованных рекомендаций по снижению уровня загрязнения атмосферного воздуха в мегаполисе.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

- провести анализ современного состояния методов и средств контроля выхлопных газов автотранспорта;

- разработать эффективные лазерные методы и средства многопараметрового дистанционного контроля выхлопных газов автотранспорта;

- рассмотреть на основе теоретических и экспериментальных исследо­ваний условия, способствующие повышению за­гряз­нения воздуха автотранспортом;

- обосновать возможность и представить схемы статистического прогноза загрязнения воздуха автотранспортом;

- провести анализ полей расчетных концентраций примесей на автомагистралях с различной интенсивностью движения автотранспорта;

- провести анализ эффективности мероприятий и разработать рекомендации по снижению вы­бросов автотранспорта с целью достижения нормативов качества ат­мосферного воздуха.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах:

- разработан лазерный метод дифференциального поглощения и индуцированной флуоресценции и устройство многопараметрового контроля выхлопных газов автотранспорта;

- установлена аналитическая зависимость, в которой концентрация контролируемого газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в пиках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому газу и молекулярному азоту, концентрация которого в атмосфере известна и постоянна.

- разработан метод диагностики и прогноза загрязнения воздуха автотранспортом для отдельных автомагистралей города;

- разработаны статистические схемы прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота методом множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и ме­тодом последовательной графической регрессии

- разработана методика обследования состава, интенсивности и расчета выбросов ав­то­транспортного потока (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей);

- установлена доля выбросов индивидуаль­ного транспор­та, которые в настоящее время не учитываются в статистической отчетности, что позволило уточнить общую информацию о состоянии вы­бросов в Санкт-Петербурге и показать на увеличение реальных автомобильных выбросов оксида углерода, диоксида азота и углеводородов в 1,5 - 2 раза.

- с использованием реальных данных о выбросах автотранспорта, представлены

расчеты полей концентраций диоксида азота, оксида углерода, углеводородов, сажи и свинца для отдельных районов Санкт-Петербурга;

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- разработан метод прогноза загрязнения воздуха для автотрасс различных типов. Метод основан на результатах математического моде­лирования загрязнения атмосферы и предполагает разделение магист­ралей на группы с одинаковыми комплексами НМУ с учетом интенсивно­сти транспорт­ного потока, ширины автомагистралей, расчетных кон­цент­раций примесей. Метод предусматривает установление указанных ком­плексов и со­ставление предупреждений отдельно для каждой из вы­де­ленных групп. Для обеспечения чистоты воздуха в городе наибольшее значение имеет со­ставление предупреждений 3-х степеней опасности для самых напря­женных автотрасс (1-я группа).

- разработаны статистические схемы прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота методом множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей и ме­тодом последовательной графической регрессии. Оправдываемость прогнозов высоких уровней загрязнения воздуха диоксидом азота в г. Санкт-Петербурге, составленных по методу множественной линейной регрессии с предварительным исключением нелинейности связей, составила 75%.

- рассмотрены основные показатели оценки экологического состоя­ния автотранспорта. Впервые проведена оценка выбросов индивидуаль­ного транспор­та (на примере Санкт-Петербурга), которые в настоящее время не учитываются в статистической отчетности. Полученные ре­зультаты сви­детельствуют о том, учет выбросов индивидуального транспорта значительно уточняет общую информацию о состоянии вы­бросов в го­родах и регионах РФ. При этом автомобильные выбросы оксида углерода, диоксида азота и углеводородов увеличиваются в 1,5 - 2 раза.

- представлены методические принципы перспективного прогнозирования загрязне­ния воздуха автотранспортом с учетом планируемых ме­роприятий по снижению транспортной нагрузки на атмосферный воздух.

- представлена методика обследования со­става, интенсивности ав­тотранспортного потока и расчета выбросов (с более детальным разделением на 6 категорий автомобилей). Проведены расчеты выбросов ав­тотранспорта по пяти веществам: диоксиду азота, оксиду углерода, угле­водородами, саже и свинцу на основных магистралях Санкт-Петер­бурга.

- с использованием полученных данных о выбросах автотранспор­та на городских магистралях, проведены расчеты территориального рас­пределения концентрации вредных веществ в городах с различной интенсивностью движения.

- результаты диссертационной работы использованы при разработке карты загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом в Санкт-Петербурге.

Результаты экспериментальных исследований использованы при оценке степени загрязнения основных магистралей Санкт-Петербурга и разработке рекомендаций по защите атмосферы от загрязнений.

Разработанные методики по эскпресс-контролю концентрации загрязняющих газов в атмосфере позволяют обеспечить постоянный контроль и диагностику атмосферного воздуха вдоль наиболее оживленных автомобильных магистралей, обеспечить экологический контроль автотранспорта и автотранспортных предприятий.

На защиту выносится комплексное решение проблемы контроля экологического состояния автотранспорта и его воздействия на окружающую среду в Санкт-Петербурге включающей в себя:

1. Теоретическое обоснование контактных и дистанционных лазерно-оптических методов и средств контроля вредных веществ в ОГ автотранспорта.

2. Расчетные зависимости, в которых концентрация контролируемого газа пропорциональна отношению амплитуд сигналов в пиках линий комбинационного рассеяния соответствующих искомому газу и молекулярному азоту, концентрация которого в атмосфере известна и постоянна.

3. Методики контроля оксида углерода, углеводородов (бензина) и сажи (дымность) в ОГ автотранспорта при работе в условиях передвижной экологической диагностической лаборатории.

4. Решение задачи краткосрочного прогно­зирования загрязнения воздуха выбросами автотранспорта, который основы­вается на учете физических закономерностей распространения в ат­мо­сфере выбросов от низких и холодных источников, которыми являются ав­томобили, и особенностей влияния метеорологических условий на со­держание вредных веществ в воздухе городов. Принятый подход включает разработку и составление двух видов прогнозов - по городу в це­лом и вблизи отдельных магистралей.

5. Обоснование возможности ис­пользования статистических схем прогноза загрязнения воздуха диоксидом азота и оксидом углерода в городе для предотвращения опасных уровней, создаваемых выбросами автотранспорта.

6. Результаты экспериментальных исследований загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом на Васильевском острове и Центральной части Санкт-Петербурга.

7. Карты загрязнения атмосферного воздуха в наиболее неблагополучных районах города – Центрального и на Васильевском острове, а также карта загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом в городе Санкт-Петербурге.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "Технические системы и социально-правовые принципы экологической безопасности" (Ленинград, 1990г.), на Всероссийской научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля материалов, изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 1993г.), Международной НТК "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" (Череповец, 1997г.), 2 Международной Евроазиатской конференции по транспорту (Санкт-Петербург, 2001 г), Международной конференции "Экология и развитие Северо-Запада" (Санкт-Петербург, 2002 г.), Всероссийском научно-практическом семинаре «Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды» (Санкт-Петербург, 2003г.), Третьей Международной Евроазиатской конференции по транспорту, 12-15 сентября 2003 г. (Санкт-Петербург), Международной конференции «Научное и кадровое обеспечение развития транспортного комплекса. Безопасность на транспорте. 2-6 июля 2007 г. (Санкт-Петербург).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 27 научных работ, в том числе книг, монографий, брошюр – 3, изданиях по перечню ВАК – 5, статей в отечественных журналах и докладов и тезисов докладов на научно-технических семинарах и конференциях – 19, методические рекомендации и инструкции – 3.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, выводов, списка литературы.

Основная часть диссертации изложена на 371 страницах машинописного текста. Работа содержит 75 рисунков, 25 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, анализируется предмет исследования, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен аналитический обзор современных экологических проблем автотранспорта.

Современное состояние окружающей среды характеризуется резким усилением антропогенного воздействия на все объекты окружающей среды и, в первую очередь, на качество атмосферного воздуха.

Автомобили являются источниками 50% загрязнения атмосферы углеводородами и оксидами азота и 90% оксидом углерода. Современное состояние окружающей среды ставит неотложные задачи по обеспечению непрерывного контроля за вредными выбросами загрязняющих веществ в атмосферу.

Исследования химического состава отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания показали, что в них содержится около 200 различных химических соединений, которые оказывают различное воздействие на окружающую среду и живые организмы. Только один легковой автомобиль за год эксплуатации выделяет в среднем 800 кг оксида углерода (СОx), около 40 кг оксидов азота (NOx), около 200 кг ядовитых углеводородов (CxHy), потребляя при этом более 4 тонн кислорода. В среднем за год каждый автомобиль выбрасывает в атмосферу 1 кг свинца в виде аэрозоля.

Автомобильные выбросы вредных веществ в России составляют 65 % всех антропогенных выбросов. Такой большой вклад создается не только за счет увеличения автомобильного парка, но и в результате снижения в последние годы промышленных выбросов при закрытии промышленных предприятий и сокращении производства. Автомобильные выбросы осуществляются в нижнем слое атмосферы и, следовательно, в большей степени, чем промышленные влияют на состояние воздушного бассейна.

Автомобильный транспорт занимает ведущее место в единой транспортной системе Санкт-Петербурга. Он перевозит более 80% народно-хозяйственных грузов, на его долю приходится более половины общегородского пассажирооборота.

В Санкт-Петербурге выбросы автотранспорта по данным статистической отчетности превалируют в общем выбросе вредных веществ в атмосферу. По количеству выбросов от автотранспорта Санкт-Петербург входит в число десяти городов Российской Федерации с выбросами автотранспорта более 100 тыс.т/год и уступает по этому показателю лишь г. Москве. В суммарных выбросах загрязняющих веществ автотранспорта, с учетом индивидуального транспорта 5,5% составляют оксиды азота, 9,4% — углеводороды, 85,1% — оксид углерода.

В главе приведен анализ экологической опасности автотранспорта и роли автотранспорта в загрязнении городской воздушной среды. Рассмотрено воздействие автомобильного транспорта на человека и окружающую среду, факторы отрицательного воздействия автомобильного транспорта на человека и окружающую среду, выбросы от автотранспорта в атмосферу, экологические проблемы использования моторных топлив. Значительное внимание уделяется основным причинам повышения экологической опасности автотранспорта, повышенного содержания токсичных веществ в отработавших газах автомобилей и мероприятиям по их нейтрализации, в том числе нейтрализация токсичности отработавших газов автомобиля. Приведен анализ современного состояния нормативной документации по контролю экологического состояния автотранспорта.

Во второй главе представлены теоретические основы обоснования рассеивания отработавших газов автотранспорта в атмосфере.

Уровень загрязнения воздуха зависит в значительной степени от условий рассеивания примесей в атмосфере. При определенных метеорологических условиях концентрации примесей в воздухе увеличиваются и могут достигать опасных значений.