CC BY
237
УДК 504.064.36
1,2А.Р. Магдеева, 1А.Р. Шагидуллин,1А.Ф. Гилязова, 12Г.Ф. Амирянова, 1Р.Р. Шагидуллин
'Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, mag.all@mail.ru 2Казанский (Приволжский) федеральный университет
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ОТ АВТОТРАНСПОРТА НА ТЕРРИТОРИИ Г. КАЗАНИ
Проведены расчеты объемов загрязняющих веществ и парниковых газов, поступающих в атмосферу г. Казани с выхлопными газами автотранспорта. Основную массу выбросов составляют диоксид углерода, оксиды азота и углеводороды. Наиболее высокие приземные концентрации формируются диоксидом азота и оксидом углерода. Оценены соотношения выбросов автотранспорта различных экологических классов.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы; выхлопные газы; выбросы автотранспорта.
Введение
Атмосферный воздух представляет собой важнейший жизнеобеспечивающий компонент экосистемы, поэтому его загрязнение является мощным и постоянно действующим фактором воздействия на человека и окружающую среду. В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт. При этом динамика роста российского автомобильного парка является одной из самых высоких в мире на фоне отставания в развитии и техническом состоянии как парка автомобилей, в значительной мере представленного относительно старыми машинами, не соответствующими требованиям современных экологических стандартов, так и улично-дорожной сети, зачастую требующей реконструкции на базе новейшего опыта реализации архитектурно-градостроительных решений (Миронов, 2009).
Непрерывное повышение интенсивности движения автотранспортных средств способствует заметному увеличению загрязнения атмосферы крупных городов и индустриальных центров. Уровень выбросов вредных веществ зависит от технического состояния транспортного средства, качества и экологического класса топлива, уклонов и состояния дорожного покрытия, интенсивности и плотности движения, частоты и продолжительности остановок, количества и продолжительности циклов разгона и замедления и т.д. К числу приоритетных загрязнителей атмосферы, поступающих в городскую атмосферу с отработавшими газами автомобилей, относят выбросы оксида углерода, оксидов азота, бенз(а)пирена, летучих углеводородов.
Количественные оценки выбросов автотранспорта необходимы для решения целого ряда задач, к которым относятся расчетный мониторинг
загрязнения атмосферного воздуха выхлопными газами, планирование мероприятий, направленных на снижение выбросов автотранспорта, прогнозирование будущих уровней загрязнения атмосферы с учетом изменений экологических характеристик автопарков или схемы организации дорожного движения, расчет нормативов выбросов и размера платы за загрязнение окружающей среды для автотранспортных предприятий и т.д.
В РФ методики инвентаризации выбросов автотранспорта были утверждены и начали применяться в восьмидесятых годах прошлого века (Донченко и др., 2014). Существуют методики различных уровней: методики расчета выбросов автотранспорта на уровне предприятия, методики расчета выбросов для отдельных участков улич-но-дорожной сети, методики для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов или регионов. Целью данной работы является расчет загрязнения атмосферы автотранспортом на уровне города, поэтому применяются методики третьего уровня.
Материалы и методы исследования
Методология расчета выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта, принятая в различных странах, приблизительно одинакова (Дон-ченко и др., 2014). Оценка может основываться на объемах потребляемого топлива - упрощенная схема расчета, или на результатах исследования характеристик транспортного потока - детализированная схема. Вторая схема расчета позволяет получать более объективные оценки объемов выбрасываемых автотранспортом загрязняющих веществ. Для расчета по этой схеме используются данные о составе и интенсивности транспортных потоков и удельные пробеговые выбросы автотранспорта различных категорий.
Наиболее актуальными методиками, принятыми в РФ для расчета количества загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с выхлопными газами автотранспорта, участвующего в дорожном движении, в настоящее время являются (Методика ..., 2010) и (Расчетная ..., 2008). Указанные расчетные инструкции в 2016 г. вошли в ежегодно издаваемый ОАО «НИИ Атмосфера» перечень методик, используемых для расчета, нормирования и контроля выбросов в атмосферный воздух.
Первая методика предназначена для определения выбросов автотранспорта по детализированной схеме. В перечень компонентов, определяемых данной методикой входят оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, сажа, диоксид серы, формальдегид, бенз(а)пирен. Методика содержит значения удельных выбросов для автотранспорта 5 категорий. В настоящее время эта методика действует в формате ГОСТа (ГОСТ Р 56162-2014).
Вторая методика позволяет проводить расчеты как по детализированной, так и по упрощенной схеме. При расчетах по детализированной схеме в перечень определяемых компонентов входят загрязняющие вещества и парниковые газы: оксид углерода, углеводороды суммарно, оксиды азота, дисперсные частицы, диоксид серы, соединения свинца, диоксид углерода, метан, аммиак, закись азота. В данной методике при расчете выбросов от автотранспортных средств учитывается расчетный тип и экологический класс автотранспортного средства, вид топлива, объем двигателя легковых автомобилей, масса грузовых автомобилей, класс автобусов. Научно-исследовательским институтом автомобильного транспорта (ОАО «НИИАТ») подготовлен актуализированный вариант указанной методики для применения на территории крупнейших городов в виде проекта национального стандарта «Инвентаризация выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух. Метод расчета выбросов вредных (загрязняющих) веществ от автотранспортных средств на территории крупнейших городов». В перечень определяемых данной методикой компонентов дополнительно входят акролеин, 1.3-бутадиен, толуол, ксилол, стирол, ацетальдегид, бензол, формальдегид, бенз(а)пирен. Удельные выбросы детализированы для шести экологических классов автомобилей и четырех экологических классов топлива.
Целью настоящей работы являлся анализ-структуры выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта на территории г. Казани. В качестве исходных данных для расчета использовались результаты исследования характеристик
транспортных потоков для 266 основных улиц города в периоды максимальной транспортной нагрузки (Ведение., 2015). Расчеты приземных концентраций загрязняющих веществ выполнялись с помощью программы «Эколог-Город», разработанной ООО «Фирма «Интеграл», реализующей методику расчета рассеивания примесей ОНД-86. В электронной базе данных программы автодороги были представлены в виде 2455 площадных источников загрязнения. В соответствии с принятой методологией регулирования выбросов вредных веществ в атмосферный воздух при проведении расчетов оценивались максимальные разовые концентрации. Расчеты рассеивания проводились для веществ, имеющих установленные в надлежащем порядке предельно допустимые концентрации.
Результаты и их обсуждение
Согласно результатам расчетов (Методика ., 2010), общая масса выбрасываемых автотранспортом загрязняющих веществ составляет 13 250.4 т/ год. Наибольшую долю по массе в общей сумме веществ имеет оксид углерода - 57.7%, доля оксидов азота - 26.9%, доля углеводородов в общей массе выбросов - 15.7%.
Как показали расчеты рассеивания примесей, проведенные на основе результатов инвентаризации выбросов (Методика ..., 2010), наибольшие значения приземных максимальных концентраций при неблагоприятных метеоусловиях способны формировать диоксид азота, сажа и оксид углерода. Полученные максимальные приземные концентрации диоксида азота на территории г. Казани доходят до 8.5 ПДК. Наибольшие концентрации могут формироваться в районе улиц пр. Победы, Ак. Арбузова, Н. Ершова, Вишневского, Оренбургский тракт, Ф. Амирхана, пр. Ямашева,-моста Миллениум. Максимальные концентрации оксида углерода могут достигать 2 ПДК (пересечение улиц Р. Зорге, Ю. Фучика, пересечение улиц Н. Назарбаева и Павлюхина, улица Сибирский Тракт). Высокие концентрации сажи (до 5.5 ПДК) получены в зоне действия наиболее оживленных перекрестков вследствие высоких значений выбросов дизельных грузовых автомобилей. Результаты инвентаризации выбросов автотранспорта по (Методике ..., 2010) и результаты расчета максимальных приземных концентраций на их основе представлены в таблице 1.
Согласно результатам инвентаризации выбросов, проведенных с помощью проекта методики ОАО «НИИАТ», общая масса выбросов составляет 20 255.9 т/год. Перечень компонентов, определяемых данной методикой, шире. Однако, основ-
34
российский журнал приютной экологии
Таблица 1. Результаты инвентаризации выбросов и расчета максимальных приземных концентраций
(Методика ..., 2010)
Код загр. Наименование Суммарный Валовый выброс, Максимальная концентрация в
в-ва вещества выброс, г/с т/год зоне действия выбросов (ПДК)
301 Диоксид азота 217.3495 2855.97 8.50
304 Оксид азота 35.3194 464.097 0.88
328 Сажа 11.511 151.2546 5.50
330 Диоксид серы 2.9561 38.8431 0.55
337 Оксид углерода 582.1499 7649.4536 2.00
703 Бенз(а)пирен 0.0001 0.0013 0.77
1325 Формальдегид 0.657 8.6329 0.83
2704 Бензин 130.3617 1712.95 0.84
2732 Керосин 28.0999 369.2210 0.89
Всего 1008,41 13250.42 -
ную массу так же, как и в предыдущем случае, составляют оксид углерода (77.0%), оксиды азота (10.4%), углеводороды (9.1%).
Как показали результаты расчета рассеивания примесей, наибольшие приземные концентрации при неблагоприятных метеоусловиях могут формироваться диоксидом азота, аммиаком, оксидом углерода, ксилолом, ацетальдегидом и формальдегидом. Полученные максимальные приземные концентрации диоксида азота на территории города могут достигать 6.90 ПДК. Наибольшие концентрации могут формироваться на территориях, прилегающих к улицам Пр. Победы, Ак. Арбузова, Н. Ершова, Вишневского, Ф. Амирхана, Ленинская дамба, мост Миллениум. Концентрации аммиака могут достигать 0.81 ПДК (улицы Пр. Победы, Ак. Арбузова, Н. Ершова, Вишневского, Ленинская дамба). Наибольшие полученные концентрации оксида углерода составляют
значение 2.86 ПДК (улицы Пр. Победы, Ак. Арбузова, Н. Ершова, Вишневского, Ф. Амирхана, Ленинская дамба, мост Миллениум, Кировская дамба, Сибирский тракт, Оренбургский тракт). Приземные концентрации ксилола могут достигать 0.91 ПДК (улицы Пр. Победы, Н. Ершова, Вишневского, Ленинская дамба, Ак. Арбузова), формальдегида - 0.86 ПДК (улицы Пр. Победы, Н. Ершова, Вишневского). Результаты инвентаризации выбросов автотранспорта по методике НИИАТ и результаты расчета максимальных приземных концентраций на их основе представлены в таблице 2.
Согласно выполненным расчетам, наиболее «проблемными» загрязняющими веществами в выхлопных газах автомобилей являются диоксид азота и оксид углерода, для которых получены наиболее обширные зоны возможного формирования сверхнормативных приземных концентра-
Таблица 2. Результаты инвентаризации выбросов и расчета максимальных приземных концентраций
согласно методике НИИАТ
Код загр. в-ва Наименование вещества Суммарный выброс, г/с Валовый выброс, т/год Максимальная концентрация в зоне действия выбросов (ПДК)
301 Диоксида азота 128.2889 1685.717 6.90
303 Аммиак 12.01503 157.8775 0.81
304 Оксид азота 20.84695 273.929 0.55
328 Сажа 3.653644 48.00888 0.20
330 Диоксид серы 1.659388 21.80435 0.04
337 Оксид углерода 1187.247 15600.43 2.86
410 Метан 6.737911 88.53616 0.00
503 1,3-Бутадиен 2.406853 31.62605 0.01
602 Бензол 8.755631 115.049 0.30
616 Ксилол 14.1761 186.274 0.91
620 Стирол 0.840225 11.04056 0.21
621 Толуол 16.21487 213.0634 0.34
703 Бенз/а/пирен 0.000261 0.003435 0.34
1301 Акролеин 0.548049 7.201359 0.22
1325 Формальдегид 3.687725 48.45671 0.86
2704 Бензин 123.2022 1618.877 0.31
2732 Керосин 9.654345 126.8581 0.05
Всего 1541,545 20255.9 -
ций как на основе результатов инвентаризации (Методика ., 2010), так и на основе результатов методики НИИАТ.
Снижению негативного воздействия выбросов автотранспорта на окружающую среду и здоровье человека способствуют: оптимизация схем дорожного движения, строительство многоуровневых развязок, контроль токсичности выхлопных газов автомобилей, контроль качества топлива, введение в обращение топлива с высокими экологическими классами, а также стимулирование обновления парка транспортных средств с переходом на автомобили с более высокими экологическими классами. Очевидно, для достижения наибольшего эффекта указанные мероприятия должны реализовываться в комплексе.
Обсуждение проблемы загрязнения воздуха выбросами автотранспорта в последнее время приводят к необходимости введения ограничения передвижения автомобилей с низкими экологическими классами в наиболее напряженных районах крупных городов. С 1 сентября 2016 г. введение таких ограничений планируется в г. Москве: в центральную часть города, ограниченную Третьим транспортным кольцом, планируется запретить въезд грузовых транспортных средств, соответствующих по экологическим характеристикам требованиям ниже экологического класса 3; в часть города от МКАД до Третьего транспортного кольца планируется запретить въезд грузовых транспортных средств, соответствующих по экологическим характеристикам требованиям ниже экологического класса 2. Возможность введения подобных ограничений также обсуждается в Санкт-Петербурге и Казани.
Оценка эффективности подобных мероприятий возможна на основе методики НИИАТ. Согласно результатам расчетов,проведенных для г. Казани, на долю автотранспорта с экологическими классами ниже 3 приходится 86% от общей массы выбросов (рис.1). Соотношения выбросов диоксида азота и оксида углерода от автотранспорта различных категорий, не соответствующего требованиям 3 экологического класса, и автотранспорта 3 или более высокого класса приведены на рисунках 2-3. Наиболее значительный вклад в общую массу выбросов вносят легковые автомобили низких экологических классов. Для диоксида азота доля выбросов таких автомобилей составляет 36%, для оксида углерода - 61%.
Отдельного внимания заслуживают результаты оценки объемов выбросов парниковых газов. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают диоксид углерода (С02), метан (СН4) и закись азота (^О). Соотношение выбросов парниковых газов от автотранспорта различных экологических классов, согласно результатам инвентаризации выбросов автомобилей, проведенных по методике НИИАТ, приведено на рисунке 4.
3 класс и выше 14%
Ниже 3 класса
Рис. 1. Соотношение суммарных выбросов автотранспорта различных экологических классов
Автобусы ниже 3 класса 19%
Грузовые ниже 3 класса 19%
Микроав. автофур ниже 3 класса 5%
3 класс и выше 21%
Легковые ниже 3 класса 36%
Рис. 2. Соотношение выбросов диоксида азота от автотранспорта различных экологических классов
Автобусы ниже 3 класса
11%
Грузовые ниже 3 класса 10%
Микроав., автофург. ниже 3 класса
3 класс и выше 14%
Легковые ниже 3 класса 61%
Рис. 3. Соотношение выбросов оксида углерода от автотранспорта различных экологических классов
Грузовые ниже 3 класс; 6%
Микроав. автофург. ниже 3 класса 3%
Легковые ни класса 26%
Автобусы ниже 3 класса 7%
3 класс и выше 58%
Рис. 4. Соотношение выбросов парниковых газов в С02-эквиваленте от автотранспорта различных экологических классов
36
российский журнал гит экологии
Суммарный объем выбросов парниковых газов от автомобилей в г. Казани, выраженный в С02-эк-виваленте, составляет 684.9 тыс.т/год. 99.3% этой массы составляет собственно диоксид углерода. Масса закиси азота в выхлопных газах автомобилей составила 2.5 тыс.т/год в С02-эквиваленте (0.4% от общей массы), масса метана - 2.2 тыс.т/ год в С02-эквиваленте (0.3% от общей массы).
Заключение
Наиболее значимыми факторами воздействия выхлопных газов автомобилей в г. Казани являются диоксид азота и оксид углерода. При неблагоприятных метеоусловиях их концентрации в зоне влияния наиболее интенсивных магистралей могут в несколько раз превышать максимальные разовые значения ПДК. Основной вклад в общий объем выбросов совершают автомобили с экологическими классами ниже 3.
Одной из наиболее эффективных мер, направленных на снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, является ограничение передвижения автотранспорта с низкими экологическими классами. Так, например, ограничение передвижения грузовых автомобилей, не соответствующих требованиям 3 экологического класса, позволит снизить выбросы диоксида азота на 19% и оксида углерода на 10%.
Список литературы
1. Ведение сводного тома предельно допустимых выбросов в атмосферу г Казани. Отчет по государственному контракту № 15 МЭ-28с от 05.10.2015 г. Казань: ИПЭН АН РТ, 2015. 264 с.
2. ГОСТ Р 56162-2014. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Метод расчета выбросов от автотранспорта при проведении сводных расчетов для городских населенных пунктов.
3. Донченко В.В., Кунин Ю.И., Рузский А.В., Виженский В.А. Методы расчета выбросов от автотранспорта и результаты их применения // Журнал автомобильных инженеров. 2014. Т. 86, №3. С. 44-51.
4. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов. ОАО «НИИ Атмосфера». СПб., 2010. 15 с.
5. Миронов А.А. Изучение загрязнение атмосферного воздуха от автотранспортных потоков в условиях городских территорий: на примере города Чебоксары Чувашской Республики: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Ч., 2009. 14 с.
6. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с.
7. Расчетная инструкция (методика) по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух. М., ОАО «НИИАТ». 2008. 64 с.
A.R. Magdeeva, A.R. Shagidullin, A.F. Gilyazo-va, G.F. Amiryanova, R.R. Shagidullin. The analysis of the pollutant emission structure from motor transport on the territory of Kazan.
The amounts of pollutants and greenhouse gases emitted with vehicle exhaust gases in Kazan were calculated. The bulk of the emissions are carbon dioxide, nitrogen oxides and hydrocarbons. The highest ground level concentrations are formed by nitrogen dioxide and carbon monoxide. The ratio of emissions from vehicles of different emission classes was estimated.
Keywords: air pollution; exhaust gases; motor vehicle emissions.
