расчет загрязнения воздуха автотранспортом

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель работы – ознакомить студентов с расчетом количества вредных выбросов от автотранспорта и с методами защиты атмосферного воздуха от загрязнений выбросами автомобильного транспорта.
Автотранспорт является одним из основных загрязнителей атмосферы содержащимися в выхлопных газах оксидами азота NOX (смесь NO и NO2) и оксидом углерода (СО). Доля транспортного загрязнения воздуха по СО превышает 60 %, по NOX – 50 % от общего загрязнения атмосферы этими газами. Помимо этих газов в выбросах автотранспорта содержится около 200 веществ, таких как углеводороды, акролеин, ксилол, бенз(а)пирен, сернистый ангидрид, фенол, формальдегид, сероводород, твердые частицы и др. Для автотранспорта нормируются выбросы угарного газа, углеводородов и оксидов азота в пересчете на NO2.
По нижеприведенной методике студенты определяют концентрацию загрязнения атмосферного воздуха угарным газом, углеводородами, оксидами азота на разных расстояниях от автомобильной дороги.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Основные виды выбросов от автотранспорта

Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг оксида углерода, около 400 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. Сегодня насчитывается порядка 400 млн. единиц мирового парка автомобилей. В России, по данным ВНИИГАЗ, автопарк близок к 34 млн. единиц.  
Передвижные источники загрязнения пространственно рассредоточены по территории города и расположены в непосредственной близости к жилым районам, что создает общий повышенный фон загрязнения. Они располагаются невысоко от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и скапливаются в зоне дыхания людей. Кроме того, темпы роста числа автомобилей значительно выше по сравнению с темпами роста промышленных источников.

Таблица 1
   Основные виды выбросов загрязняющих
веществ от передвижных источников

Тип двигателя
Топливо
Основные виды
Примеры
источников
загрязнений

Четырехтактный внутреннего сгорания
Бензин
Углеводороды, оксид углерода, оксиды азота
Автомобили,
трактора, автобусы, мотоциклы

Двухтактный внутреннего сгорания
Бензин   (с добавлением масла)
Углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, твердые вещества
Мотоциклы, вспомогательные моторы

Дизель
Лигроин
Оксиды азота, твердые вещества
Автобусы, трактора, машины


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. При интенсивности движения 500 транспортных единиц в час концентрация оксида 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 загрязненного воздуха.

2.2. Основные направления защиты атмосферного воздуха
от вредных выбросов передвижных источников

Меры административного и экономического регулирования

Вредное воздействие выбросов двигателя автомобиля на людей и животных называется токсичностью выбросов. Величина вредных выбросов в атмосферу автотранспортом зависит от плотности транспортного потока и количества газов, выбрасываемых каждым автомобилем. Так как транспортный поток на улицах городов будет непрерывно возрастать, необходимо для снижения загазованности воздушной среды ограничить количество вредных продуктов, выделяемых каждым автомобилем, т. е. установить нормы выброса токсичных веществ с выхлопными газами.
Жесткие требования к токсичности отработанных газов новых автотранспортных средств сформулированы в виде норм ЕЭК ООН, директив Европейского союза, которые являются обязательными для автопроизводителей. Выполнение этих норм позволяет существенно сократить интенсивность выделения нормируемых токсичных компонентов выбросов двигателями одиночных автотранспортных средств.
Для ограничения содержания в выхлопе автомобиля токсичных веществ Европейской экономической комиссией ООН были введены стандарты «Евро».
Стандарт Евро-1 предусматривал выброс бензиновым двигателем оксида углерода (СО) не более 2,72 г на 1 км пути, углеводородов – не более 0,72 г/км, оксида азота (NO) – не более 0,27 г/км. Евро-1 действовал в Европе с 1992 года, а в 1995-м году его сменил более жесткий стандарт – Евро-2.
В Евро-2 были ужесточены почти в 3 раза (0,29 против 0,72 г/км) нормы по содержанию в выхлопе углеводородов.
Экологический стандарт Евро-2 был принят правительством России осенью 2005 г.
В 1999 г. введен стандарт Евро-3. Евро-3 – это снижение уровня выбросов по сравнению с Евро-2 на 30-40 %. Ему соответствуют все новые машины, выпущенные в европейских странах с 1999 г. Все транспортные средства, произведенные или ввезенные в Россию, начиная с 1 января 2008 г., должны удовлетворять требованиям стандарта Евро-3, регулирующему содержание вредных веществ в выхлопных газах транспортных средств с дизельными и бензиновыми двигателями.
В 2005 г. в Евросоюзе введен стандарт Евро-4. Столичные власти намерены ввести в г. Москве экологический стандарт Евро-4 в 2010 г.
С октября 2008 г. для всех новых грузовых автомобилей, продаваемых в Евросоюзе, обязателен стандарт Евро-5. Для легковых автомобилей разработка стандарта Евро-5 еще не завершена. Важно отметить, что до введения стандарта Евро-5 выбросы сажи в выхлопах транспортных средств не учитывались.
Европа не собирается долго ограничиваться стандартом Евро-5. К 2012 г. должен вступить в силу стандарт Евро-6, согласно которому будет снижен выброс углекислого газа новыми автомобилями.
В нашей стране существуют два вида стандартов на нормы и методы определения вредных веществ в отработанных газах автомобилей и двигателей.
К первому относятся государственные стандарты. Они распространяются на автомобили, находящиеся в эксплуатации, т. е. на весь автомобильный транспорт РФ. Это ГОСТ 17.2.2.03-77. «Охрана природы. Атмосфера. Содержание окиси углерода в отработанных газах автомобилей с бензиновыми двигателями. Нормы и методы определения», ГОСТ 1393-75 «Автомобили с дизелями. Дымность отработанных газов. Нормы и методы определения», ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» и ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния».
Второй вид – отраслевые стандарты Минавтопрома на новую продукцию. Они предусматривают проверку токсичности отработанных газов автомобилей с искровым зажиганием массой от 400 до 3500 кг, двигателей грузовых автомобилей и автобусов при приемочных и контрольных испытаниях на предприятиях-изготовителях. В 1982 г. введен в действие отраслевой стандарт ОСТ 37.001.234-81 «Охрана природы. Атмосфера. Дизели автомобильные. Выбросы вредных веществ с отработанными газами. Нормы и методы определения». Стандарт устанавливает предельно-допустимые нормы выброса оксида углерода (II), углеводородов и оксида азота (IV), а также определяет методику проведения измерений указанных компонентов. Простая мера – регулировка двигателей, может снизить токсичность выхлопных газов в несколько раз.
7 марта 2003 г. Государственной Думой РФ принят закон «О запрете производства и оборота этилированного автомобильного бензина в Российской Федерации». Этилированный бензин – это топливо с добавлением тетраэтилсвинца – добавки, которая увеличивает октановое число автомобильного бензина с 76 до 93. Этиловый бензин – вещество, которое ведет к стойкой свинцовой интоксикации человека. Запрет производства этилированного бензина позволил снять существовавшее ранее ограничение, связанное с несовместимостью этилированного бензина и каталитического нейтрализатора отработанных газов.
Для того, чтобы снизить выбросы одиночных автотранспортных средств в процессе их эксплуатации, следует ужесточить экологический контроль, а также добиться вытеснения экологически опасных автотранспортных средств из эксплуатации. Для этого устанавливают экологические классы автотранспортных средств:
– 0-й класс – устаревшие модели;
– промежуточный класс – устаревшие модели, оснащенные устройствами, снижающими токсичность выбросов;
– 1-й, 2-й классы и т. д. – модели, соответствующие требованиям Еро-1, Евро-2 и т. д.
Действующий ГОСТ Р 52033-2003 «Автомобили с бензиновыми двигателями. Выбросы загрязняющих веществ с отработавшими газами. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» позволяет осуществлять контроль автомобилей 0-го и промежуточного классов.
Для контроля автотранспортных средств 2-го класса и выше необходима разработка новых поправок к данному стандарту.
Для дизелей всех типов автотранспортных средств экологические классы в эксплуатации пока не установлены. Согласно ГОСТ Р 52160-2003 «Автотранспортные средства с воспламенением от сжатия. Дымность отработавших газов. Нормы и методы контроля при оценке технического состояния» дизели проверяют на соответствие норм дымности.
Введение экономических стимулов в виде увязки экологического класса автотранспортного средства с уровнем транспортного налога (чем ниже экологический класс, тем выше налог), ограничения (платность) доступа на определенные территории автотранспортных средств низших экологических классов позволит создать условия для вытеснения из автомобильного парка экологически опасных автотранспортных средств и снизить загрязнение атмосферного воздуха вблизи транспортных сооружений.

Градостроительные мероприятия

Для защиты атмосферного воздуха от загрязнений выбросами автомобильного транспорта большое значение имеют градостроительные мероприятия, направленные на снижение концентрации выхлопных газов в зоне пребывания человека.
Так, к мероприятиям по снижению концентрации загрязнений на пути их распространения относятся:
– удаление жилых зданий от автомагистралей;
– рациональное расположение домов и спальных комнат в квартирах;
– применение перекрытий, стен и окон с высокой герметичностью;
– развитие транспортной сети объездных дорог;
– строительство улиц, дублирующих магистрали;
– организация пересечений улиц в разных уровнях;
– организация проездов вне жилых территорий;
– применение зеленых насаждений.
Необходимы специальные приемы застройки и озеленения автомагистралей, размещение застройки по принципу зонирования: в первом от магистрали эшелоне застройки размещаются здания пониженной этажности, затем дома повышенной этажности и в глубине застройки – детские и лечебно-оздоровительные учреждения.
Тротуары, жилые, торговые и общественные здания изолируются от проезжей части улиц с напряженным движением многорядными древесно-кустарниковыми посадками – по три-четыре ряда и более. Известно, что запыленность воздуха в зеленых насаждениях в 2-3 раза меньше, чем на открытых территориях. Древесные и травянистые растения улавливают до 50 % пыли летом и до 37 % зимой. Хвойные породы, вследствие увеличенной адсорбции, осаждают пыли в 1,5 раза больше на единицу массы листа по сравнению с лиственными.
Отсутствие ухоженного газона под деревьями снижает осаждение пыли зелеными насаждениями, уменьшая их пылезащитную функцию в несколько раз. Поэтому, для удержания осевшей пыли, почва должна быть покрыта дерном или подстриженным газоном.
Газозащитные зеленые насаждения могут быть использованы в сочетании с земляными валами и защитными экранами.
Большое значение имеет сооружение транспортных развязок на разных уровнях, магистралей-дублеров, кольцевых дорог, использование подземного пространства для размещения автостоянок и гаражей.
Так как наибольший выброс продуктов неполного сгорания бензина происходит при задержках машин у светофоров, при стоянке с невыключенным мотором в ожидании зеленого света, при трогании с места и форсировании работы мотора, то необходимо устранить препятствия на пути свободного движения потока автомашин. Для этого нужны специальные автомобильные магистрали, не пересекающиеся с другими магистралями на одном уровне и движением машин или пешеходов. Необходимы переходы для пешеходов на всех пунктах скопления машин, а также эстакады или тоннели для разгрузки больших перекрывающихся потоков транспорта.

Организация движения городского транспорта

Любые вопросы организации движения надо рассматривать с точки зрения не только обеспечения безопасности, но и уменьшения токсичности выхлопных газов. Так, предельная скорость движения в городе установлена 60 км/ч. Именно на эту скорость у легковых автомобилей приходится минимум вредных выбросов. При резком увеличении или уменьшении скорости движения выброс возрастает более чем вдвое.
Должна проводиться большая работа по улучшению организации и безопасности движения транспорта. Возрастает роль техники регулирования. На улицах наших городов можно увидеть принципиально новые системы регулирования движения. Примером может служить «Бегущая волна». Она обеспечивает плавность автомобильного потока: по резервной полосе автомагистрали прокладывается гирлянда разноцветных ламп; по ним как бы двигаются светящиеся линии зеленого и красного цвета. Скорость перемещения того или иного света соответствует режиму движения транспорта. В этой ситуации «зеленый луч» становится своего рода пеленгом для водителей. Они получают возможность решать, какую скорость следует выбрать в данной ситуации. Вереница автомобилей растягивается по всей длине зеленого сигнала, и вероятность столкновения между соседними автомобилями уменьшается.
В Москве используется электронный регулировщик движения транспорта – телеавтоматическая система «Старт», предназначенная для автоматизированного управления движением транспортных потоков по всей улично-дорожной сети города.
Система позволяет из единого центра определять скорость движения транспорта на основных магистралях, места заторов и пробок, регулировать режим работы светофоров, оперативно осуществлять диспетчерское управление движением транспорта в экстремальных ситуациях, управлять движением в тоннелях, информировать участников движения с помощью динамических электронных табло и управляемых дорожных знаков о дорожно-транспортной ситуации. Переключение программ координации осуществляется по расписанию (по времени суток и дням недели с учетом сезона), либо адаптивно (по параметрам транспортных потоков).
Применение системы «Старт» позволяет сократить задержки транспорта у светофоров на 25 %, сэкономить горючего на 8-12 %, уменьшить количество дорожных происшествий.

Электрический транспорт

Оздоровлению атмосферы способствует расширение перевозок пассажиров с помощью электрического транспорта (как наземного, так и подземного). Электрический транспорт избавляет население от лишнего шума и выхлопных газов.
На периферии города целесообразно использование скоростных трамваев над обособленным полотном, пересекающимся с городскими магистралями на разных уровнях. Это позволит увеличить скорость трамвая до 32 км/ч (вместо 16-20 км/ч обычной скорости наземного городского транспорта). Трамвай – вполне современный, удобный и экономичный транспорт. Сооружение 1 км пути современного скоростного трамвая обходится в 8-12 раз дешевле 1 км линии метро. Трамвай имеет самый низкий удельный расход энергии. В ряде случаев, особенно при спаде пассажиропотока, скоростной трамвай, имеющий обособленное полотно для движения, может успешно конкурировать с метрополитеном.
Особенно выгодно применение наземного электрического транспорта в курортных зонах. В таких случаях, например, троллейбус может работать и в междугороднем сообщении: длина троллейбусных линий Симферополь-Ялта и Симферополь-Алушта более 100 км.

Добавление к топливу присадок

Добавлением к топливу присадок можно изменить ход реакций окисления углеводородов в сторону уменьшения образования некоторых токсичных компонентов: оксида углерода, углеводородов, альдегидов, сажи и др. В России и за рубежом предложен ряд присадок. Для карбюраторных двигателей самыми эффективными оказались смеси различных спиртов. Добавление их к бензину ведет к заметному снижению в выхлопных газах оксида углерода.
Разработано большое число присадок к дизельному топливу, снижающих содержание в выхлопных газах дизелей сажи. Наиболее эффективными оказались барийсодержащие присадки.
Перспективно использование присадок на основе ферроценов. Присадки этого типа сочетаемы с каталитическими дожигателями и используются в производстве бензинов.

Сжатый и сжиженный газ – топливо для автомобилей

В качестве автомобильного горючего используют два вида газового топлива: сжиженный нефтяной, или углеводородный, и сжатый компримированный газ.
Сжиженный газ, используемый как автомобильное топливо, в основном состоит из пропана, бутана, получаемых при добыче природного газа и нефти, и (около 1%) непредельных углеводородов.
Сжатый газ – это, в основном, метан, сохраняющий свое газообразное состояние почти при любой температуре и при повышенном давлении.
В выхлопе автомобилей, работающих на газе, содержится в три-четыре раза меньше оксида углерода, чем в выхлопе бензиновых двигателей. Газ сгорает почти полностью. В Российской Федерации существуют действующие и создаются новые автомобильные газозаправочные станции (АГНСК), предназначенные для заправки автомобилей сжатым газом. АГНСК рассчитана на 500 заправок в сутки при трехсменной работе в объеме заправки 100 м3. Время заправки 10-12 мин.
Как показал отечественный и зарубежный опыт, природный газ является весьма экономичным горючем для автомобильных двигателей: 1 м3 газа сберегает как минимум 1 л бензина. Ресурсы мотора увеличиваются в 1,5 раза; периодичность смены масла – в 2,5 раза. Во столько же снижаются затраты на топливо и себестоимость перевозок. Резко снижаются выбросы в атмосферу продуктов сгорания. Максимальная скорость автомобиля без прицепа при работе на природном газе – 95 км/ч. Контрольный расход газа при скорости 60 км/ч 40 м3 на 100 км пути.
Температура кипения сжиженного газа – 160°С. Во избежание испарения топливо помещают в криогенный бокс; 60 л сжиженного природного газа обеспечивают автопробег в 300 км. Газ легко смешивается с воздухом и образует идеальную «пищу» для мотора. Газовое топливо увеличивает срок службы двигателя примерно на треть.
Перевод автомобиля на газовое топливо не требует конструктивной переделки двигателя: достаточно установить газобаллонное оборудование. Межремонтный пробег газового двигателя более продолжительный по сравнению с бензиновым, на газовом двигателе увеличивается срок службы свечей зажигания. Применение газового топлива заметно снижает суммарную токсичность отработавших газов.
По данным «ВНИИГАЗ», в России возможен перевод на природный газ не менее 30 % грузовых автомобилей, 60-70 % автобусов и 10-15 % легковых автомобилей.
Помимо газа могут использоваться и другие виды топлива: спирт, биотопливо. В качестве автономного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем меньше примесей, а октановое число достигает 125 единиц. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку. Однако теплотворная способность этанола существенно ниже «бензиновой» – отсюда и более высокий расход топлива.
В настоящее время возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить биотопливом от 50 до 80 % всех легковых автомобилей. При сгорании топлива в атмосферу возвращается только тот углекислый газ, который был поглощен растениями при росте.
Биодизельное топливо (биодизель) – относительно новый вид экологически чистого топлива. Производится биодизель из растительного масла и является возобновляемым источником энергии. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно применение биодизеля как самостоятельного вида топлива, так и в смеси с обычным дизельным топливом.

Нейтрализаторы выхлопных газов

Отработанные газы автомашин можно обезвреживать с помощью специальных устройств в системе выпуска двигателя автомобиля, называемых нейтрализаторами. Устройство для обезвреживания отработанных газов методом каталитического воздействия получило название каталитического нейтрализатора. Пламенный нейтрализатор – устройство для обезвреживания отработанных газов двигателя автомобиля дожиганием в открытом пламени. Термический нейтрализатор – термоаккумулирующее устройство для нейтрализации отработанных газов автомобиля методом беспламенного окисления. Жидкостный нейтрализатор – устройство для обезвреживания отработанных газов автомобиля с помощью химического связывания жидкими реагентами.
В настоящее время наибольшее распространение получили каталитические нейтрализаторы, в которых используются платина, палладий. Эти металлы позволяют существенно снизить порог энергии, при котором начинаются окислительно-восстановительные реакции. Проходя через поры нейтрализатора, СО превращается в малотоксичный СO2, а оксиды азота восстанавливаются до безвредного N2.
В нашей стране в 1979 г. на городские трассы вышли первые «Волги», оборудованные необычной «ловушкой для дыма» – каталитическими нейтрализаторами, которые резко снижают токсичность выхлопных газов автомобиля. Эффект от использования нейтрализаторов внушительный: при оптимальном режиме выброс в атмосферу оксида углерода уменьшается на 70-80 %, а углеводородов – на 50-70 %.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания

Чтобы уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу, ученые многих стран стремятся улучшить конструкции существующих двигателей серийного производства. Так, в 1959 году в США запатентован карбюратор с раздельным смесеобразованием, конструкция которого позволяет кроме обычной смеси получать обогащенную смесь. Эта смесь подается в специальную предкамеру со свечой зажигания. В двигателе, оборудованным таким карбюратором происходит полное сгорание рабочей смеси, что обеспечивает минимальное содержание в отработанных газах оксида углерода и углеводородов. Поскольку средняя температура в камере сгорания понижается, резко уменьшается и выброс оксидов азота.
В 1979 года все автомобили, сходящие с «ВАЗ»а (Волжский автозавод), начали оснащать карбюраторами «Озон», которые обеспечивали нормы токсичности выхлопных газов. На базе «Озона» были созданы экономичные карбюраторы для «Москвичей», «ГАЗ»ов, «УАЗ»ов. На производственном объединении ГАЗ разработана новая система воспламенения рабочей смеси. Эта система – форкамерное зажигание – разработана отечественными специалистами, а способ зажигания называется процессом лавинной активации горения. В основную камеру сгорания бензино-воздушной смеси выбрасывается из вспомогательной форкамеры факел химически активных продуктов неполного сгорания этой смеси. Форкамерный двигатель благодаря большой мощности обеспечивает высокую экономичность в потреблении топлива и исключительно низкую токсичность отработанных газов. В настоящее время, все автомобили, сходящие с конвейеров ОАО «АВТОВАЗ»а, оснащаются системой электронного впрыскивания топлива, которая совместно с каталитическим нейтрализатором позволяет обеспечить соблюдение норм.

3. Порядок выполнения работы

Студенты определяют число единиц автотранспорта (по типам), проходящего на заданном участке автомагистрали за один час. Для этого на заданном участке автомагистрали в течение 20 мин фиксируются все проехавшие автомашины. Результаты подсчетов записываются в табл. 2.
Для аудиторного занятия данные приведены в табл. 10.

Таблица 2

№ п/п
Тип автомобиля
Интенсивность
движения, авт.



за 20 мин
за 1 ч

1
Легковые автомобили



2
Малые грузовые автомобили карбюраторные (до 5 т)



3
Грузовые автомобили карбюраторные (6 т и более), например ЗИЛ-130 и др.



4
Грузовые автомобили дизельные



5
Автобусы карбюраторные



6
Автобусы дизельные




Затем с использованием полученных данных выполняются расчеты загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ с отработанными автомобильными газами.

4. Методика расчета загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом

Методика расчета основана на поэтапном определении эмиссии (выбросов) токсичных веществ (оксида углерода – СО, углеводородов – CnHm, оксидов азота – NOx) с отработавшими газами автомобильного транспорта, концентрации загрязнения воздуха этими веществами на различном удалении от дороги и сравнении полученных данных с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) данных веществ в воздушной среде.
При расчете выбросов учитываются различные типы автотранспортных средств и конкретные дорожные условия.
В качестве расчетной принимается интенсивность движения различных типов автомобилей в смешанном потоке, которая определяется студентом или группой студентов на заданном участке автомагистрали.
Мощность эмиссии CO, CnHm, NOx в отработавших газах отдельно для каждого газообразного вещества определяется по формуле:

13 EMBED Equation.3 1415, (1)

где q – мощность эмиссии данного вида загрязнений от транспортного потока на конкретном участке дороги, г/м·с; 13 EMBED Equation.3 1415 – коэффициент перехода к принятым единицам измерения; m – коэффициент, учитывающий дорожные и автотранспортные условия, принимается по графику (рис. 1) в зависимости от средней скорости транспортного потока, 13 EMBED Equation.3 1415– средний эксплуатационный расход топлива для данного типа (марки) карбюраторных автомобилей, л/км; для оценочных расчетов может быть принят по средним эксплуатационным нормам с учетом условий движения, которые приведены в табл. 3; 13 EMBED Equation.3 1415– то же, для дизельных автомобилей, л/км; 13 EMBED Equation.3 1415– интенсивность движения каждого выделенного типа карбюраторных автомобилей, авт./ч. (табл. 2); 13 EMBED Equation.3 1415– то же, для дизельных автомобилей, авт./ч.; 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415– коэффициенты, принимаемые для данного компонента загрязнения для карбюраторных и дизельных типов двигателей соответственно по табл. 4.
При расчете рассеяния выбросов от автотранспорта и определения концентрации токсичных веществ на различном удалении от дороги используется модель Гауссового распределения примесей в атмосфере на небольших высотах.



13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415


Рис.1. Зависимость величины коэффициента «m», учитывающего дорожные и автотранспортные условия движения, от средней скорости транспортного потока




Таблица 3
Средние эксплуатационные нормы расхода топлива на 1 км пути в литрах


Тип автомобиля
Средний эксплуатационный расход топлива, л/км

Легковые автомобили
0,11

Малые грузовые автомобили карбюраторные (до 5 т)

0,16

Грузовые автомобили карбюраторные (6 т и более), например ЗИЛ-130 и др.

0,33

Грузовые автомобили дизельные
0,34

Автобусы карбюраторные
0,37

Автобусы дизельные
0,28



Таблица 4
Значения коэффициентов 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415

Вид выбросов
Тип двигателя


карбюраторный
дизельный

Оксид углерода (СО)
0,6
0,14

Углеводороды (CnHm)
0,12
0,037

Оксиды азота (NOx)
0,06
0,015


Концентрация загрязнений атмосферного воздуха окисью углерода, углеводородами, окислами азота вдоль автомобильной дороги определяется по формуле

13 EMBED Equation.3 1415 (2)
где C – концентрация данного вида загрязнения в воздухе, г/м; 13 EMBED Equation.3 1415 – стандартное отклонение Гауссового рассеивания в вертикальном направлении, м; принимается по табл. 5; 13 EMBED Equation.3 1415– скорость ветра, преобладающего в расчетный месяц летнего периода, м/с;
13 EMBED Equation.3 1415 – угол, составляемый направлением ветра к трассе дороги. При угле от 90 до 30° скорость ветра следует умножать на синус угла, при угле менее 30° – коэффициент 0,5; F – фоновая концентрация загрязнения воздуха, г/м.

Таблица 5
Значения стандартного Гауссового отклонения
при удалении от кромки проезжей части

Приходящая солнечная радиация
Значения стандартного Гауссового отклонения 13 EMBED Equation.3 1415 при удалении от кромки проезжей части, в метрах



10
20
40
60
80
100
150
200
250

Сильная
2
4
6
8
10
13
19
24
30

Слабая
1
2
4
6
8
10
14
18
22

Примечание: Сильная солнечная радиация соответствует ясной солнечной погоде, слабая – пасмурной (в т. ч. дождливой). Величина должна приниматься в расчетный период наибольшей интенсивности движения (летний период). Уровень солнечной радиации принимается в зависимости от того, какая погода превалирует в расчетный месяц.


Результаты расчета по формуле (2) сопоставляются с предельно допустимыми концентрациями (ПДК), установленными органами Министерства здравоохранения с учетом класса опасности для токсичных составляющих отработавших газов тепловых двигателей в воздухе населенных мест; они приведены в табл. 6.
По полученным результатам строится график загрязнения отработавшими газами придорожной зоны. Пример графика приведен на рис. 2.




Таблица 6
Предельно допустимая концентрация токсичных составляющих отработавших газов в воздухе населенных мест, мг/м3

Вид вещества
Класс
опасности
Среднесуточные предельно допустимые концентрации, мг/м

Оксид углерода (СО)

4

3,0

Углеводороды (СnHm)

3

1,5

Оксиды азота (NOx)

2

0,04



Для уменьшения ширины распространения загрязнения следует предусматривать защитные зеленые насаждения, экраны, защитные валы, прокладку автомобильной дороги в выемке. Снижение концентрации загрязнений защитными сооружениями в процентах к величине концентрации приведено в табл. 7.
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415

Рис. 2. Снижение концентрации СО за счет устройства
трехрядных посадок деревьев


Таблица 7
Снижение концентрации загрязнений различными типами защитных сооружений и зеленых насаждений

Мероприятие
Снижение концентрации, %

1. Один ряд деревьев с кустарником высотой до 1,5 м на полосе газона 3-4 м
10

2. Два ряда деревьев без кустарника на газоне 8-10 м
15

3. Два ряда деревьев с кустарником на газоне 10-12 м
30

4. Три ряда деревьев с двумя рядами кустарника на полосе газона 15-20 м
40

5. Четыре ряда деревьев с кустарником высотой 1,5 м на полосе газона 25-30 м
50

6. Сплошные экраны, стены зданий высотой более 5 м от уровня проезжей части
70

7. Земляные насыпи, откосы при проложении дороги в выемке при разности отметок от 2 до 3 м
50

8. То же, 3-5 м
60

9. То же, более 5 м
70


Выбор защитных мероприятий следует осуществлять на основе сравнения следующих основных вариантов:
– изменение параметров дороги, направленное на повышение средней скорости транспортного потока;
– ограничение движения отдельных типов автомобилей полностью или в отдельные интервалы времени;
– усиление контроля за движением автомобилей с неотрегулированными двигателями по участку, чувствительному к загрязнению воздушной среды, в целях минимизации токсичных выбросов;
– устройство защитных сооружений.


5. Пример расчета загрязнения атмосферного воздуха
автомобильным транспортом

Задача: Определить концентрацию загрязнения атмосферного воздуха СО, СnHm, NOx на различном расстоянии от автомобильной дороги на расчетном поперечнике.
Исходные данные:
Автомобильная дорога III категории;
Интенсивность движения – N=190 авт./ч
Данные по составу транспортного потока представлены в табл. 8.

Таблица 8
Состав транспортного потока

Тип
автомобилей
Содержание
в потоке, %
Интенсивность, авт./час
Средний эксплуатационный расход топлива, л/км

Легковые
40
75
0,11

Малые грузовые карбюраторные
5
10
0,16

Грузовые карбюраторные
30
60
0,33

Грузовые
дизельные
20
35
0,34

Автобусы
карбюраторные
5
10
0,37


Средняя скорость потока движения – 60 км/ч, т. е. по рис. 1 m = 0,10.
Скорость господствующего ветра – 3 м/с.
Угол направления ветра к оси трассы – 30°.
Автомобильная дорога на рассматриваемом участке проходит в границах населенного пункта; застройка находится на расстоянии 20 м от кромки проезжей части дороги.
Данные по фоновой концентрации отсутствуют.
Решение:

1. По формуле (1) определяется удельная эмиссия загрязняющих веществ по компонентам:
для оксида углерода:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
для углеводородов:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
для оксидов азота:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415

2. По формуле (2) определяется концентрация загрязнений атмосферного воздуха различными компонентами в зависимости от расстояния от дороги. На расстоянии 20 м от кромки проезжей части, где в данном примере принята граница застройки, концентрация загрязнения составит:
для оксида углерода:
13 EMBED Equation.3 1415 г/м3 или 0,11 мг/м3;
для углеводородов:
13 EMBED Equation.3 1415 г/м3 или 0,024 мг/м3;
для оксидов азота:
13 EMBED Equation.3 1415 г/м3 или 0,011 мг/м3.

Аналогично определяется концентрация и для других расстояний. Результаты расчетов приводятся в табл. 9.

Таблица 9.
Зависимость концентрации загрязнений от расстояния
от проезжей части

Вид выбросов
Концентрация загрязнений в атмосфере на расстоянии в метрах от кромки проезжей части
дороги, мг/м


20
40
60
80
100
150

Оксид углерода (СО)
0,11
0,055
0,037
0,0275
0,022
0,016

Углеводороды (СnHm)
0,024
0,012
0,008
0,006
0,0048
0,0034

Оксиды азота (NOx)
0,011
0,006
0,004
0,003
0,0022
0,0016


По результатам расчетов строится график распространения загрязнений в зависимости от расстояния от дороги.
Вывод по результатам расчетов: результаты расчетов показывают, что величина транспортного воздействия на атмосферный воздух не превышает предельно допустимых концентраций, приведенных в табл. 7.

6. Требования к отчету

Результаты практической работы должны быть оформлены в виде отчета, в котором должны быть изложены:
– наименование работы;
– цель работы;
– название улицы, на которой находится изучаемая автомобильная трасса;
– результаты наблюдений и расчетов;
– график распространения загрязнений в зависимости от расстояния от дороги.
– вывод об экологической обстановке в районе исследованного участка автомобильной трассы.


7. Контрольные вопросы

1. Приведите примеры передвижных источников вредных выбросов в атмосферу.
2. Какие вредные вещества содержатся в выхлопных газа автомобильного транспорта?
3. В какие периоды движения автомобиля в его выхлопных газах содержится наибольшее и наименьшее количество вредных примесей?
4. Дайте понятие токсичности выбросов автомобильного транспорта.
5. Назовите мероприятия, внедрение которых приводит к уменьшению вреда, наносимого атмосфере автомобильным транспортом.
6. В чем сущность градостроительных мероприятий, направленных на защиту атмосферного воздуха от вредных выбросов автомобильного транспорта?
7. Роль организации движения городского транспорта в защите атмосферного воздуха от вредных выбросов автомобильного транспорта.
8. Почему электрический транспорт меньше загрязняет атмосферный воздух, чем автотранспорт, работающий на бензине или на солярке?
9. Почему устанавливаются нормы на содержание вредных веществ в отработанных газах автомобилей и двигателей?
10. Каким образом присадки к бензину способствуют снижению токсичности отработанных газов автомобилей и двигателей?
11. Какие виды нейтрализаторов выхлопных газов Вы знаете?
12. В чем преимущества использования сжатого и сжиженного газа в качестве топлива для автомобилей по сравнению с бензином?
Список рекомендуемой литературы
1. Автотранспортные потоки и окружающая среда: учеб. пособие / под ред. В. Н. Луканина. – М.: ИНФРА–М, 1998. – 408 с.

2. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов. Разработаны ГипродорНИИ. Одобрены Федеральным дорожным департаментом Министерства транспорта Российской Федерации (протокол от 26 июня 1995 года).
3. Солодов, Г. А. Экология. Нормирование, управление, контроль качества окружающей природной среды: учеб. пособие / Г. А. Солодов, Г. В. Ушаков; КузГТУ. – Кемерово, 1999. – 137 с.
4. Трофименко, Ю. В. Экология: Транспортное сооружение и окружающая среда. Учеб. пособие / Ю. В. Трофименко, Г. И. Евгеньев. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 400 с.
5. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях / Министерство транспорта РФ. – М., 1997. – 54 с.
6. ГН 2.1.6.1983-05 Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.
7. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Временные указания по определению фоновых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе для нормирования выбросов и установления ПДВ (Л.: Гидрометеоиздат, 1981).

















Таблица 10

Исходные данные для расчетов



варианта
Интенсивность движения, авт./ч


Легковые
Малые грузовые карбюраторные
Грузовые карбюраторные
Грузовые дизельные
Автобусы
карбюраторные

1.
80
12
50
30
10

2.
85
20
60
35
15

3.
90
25
70
40
20

4.
95
30
80
45
25

5.
100
35
85
50
30

6.
115
40
90
55
35

7.
120
45
95
60
40

8.
125
50
100
65
45

9.
130
55
105
70
50

10.
200
55
-
-
50

11.
210
60
-
-
45

12.
220
65
-
-
40

13.
230
40
-
-
35

14.
240
35
-
-
30

15.
250
30
-
-
25

16.
260
25
-
-
20

17.
270
-
45
25
-

18.
280
-
40
20
-

19.
290
-
35
15
-

20.
300
-
30
12
-

21.
310
-
25
10
-

22.
320
10
50
30
10

23.
330
12
55
35
15

24.
340
20
60
40
17

25.
350
25
65
45
20























Составители
Алла Юрьевна Игнатова
Андрей Геннадьевич Ушаков
Геннадий Викторович Ушаков

РАСЧЕТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ

Методические указания к выполнению самостоятельной работы
по дисциплине «Экология» и «Промышленная экология»
для студентов всех специальностей

Печатается в авторской редакции

Рецензент А. В. Неведров

Подписано в печать 10.03.2010. Формат 60Ч84/16.
Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 1,4.
Тираж 175экз. Заказ

ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4 А.








13PAGE 15


13PAGE 14115







Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeСредняя скорость транспортного потока, кмч.Monotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:VeMonotype:Arial Regular:Ve

Приложенные файлы

  • doc 313407
    Размер файла: 727 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий