CC BY
303
ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК: 625.712.36
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ВБЛИЗИ КАД САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
і 'у о
В. Н. Ложкин , С. В. Лукьянов , О. В. Ложкина
1 3
, Санкт-Петербургский университет( СПбУ) ГПС МЧС Росси , 196105, Санкт-
Петербург, Московский пр.-т., 149;
2 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет (СПбГАУ)
196601, г. Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2
Аннотация - Рассматривается проблема загрязнения воздушной среды вредными выбросами колесных транспортных средств вблизи автомагистралей на примере кольцевой автодороги вокруг Санкт-Петербурга.
Ключевые слова: кольцевая автомобильная дорога; интенсивность движения; автомобили; загрязняющие вещества; приземные концентрации; диоксид азота.
STATEMENT AND RESULTS OF EXPERIMENTALLY-ANALYTICAL PROBES OF POLLUTION OF ATMOSPHERE NEAR TO A RING ROAD OF ST.-PETERSBURG
V. N. Lozhkin, S. V. Lukyanov, O. V. Lozhkin
St. Petersburg university (SPbU) of GPS Ministry of Emergency Situations of Rossi, 196105, St.
Petersburg, Moskovsky Ave. - t., 149;
St. Petersburg state agrarian university (SPbSAU), 196601, Pushkin, Peterburgskoye Highway, 2
Summary - The problem of pollution of the air environment by harmful emissions of wheel vehicles near highways on the example of the ring highway round St. Petersburg is considered.
Keywords: ring highway; intensity of movement; cars; polluting substances; ground concentration; nitrogen dioxide.
Обоснование объекта исследования загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта. Автомагистрали, проходящие через города, являются наиболее значимыми с точки зрения негативного воздействия на окружающую среду и человека [1, 4-7]. В Санкт-Петербурге самой крупной и, одновременно, мощной по интенсивности транспортных потоков является «Петербургская кольцевая автомобильная дорога»
(КАД) вокруг Санкт-Петербурга (рис. 1).
Трасса КАД является объединяющим элементом транспортной системы региона и соединяет в единое целое все основные дорожные магистрали, расходящиеся из центра Санкт-Петербурга в
направлении Хельсинки, Мурманска, Москвы, Киева и Таллина. Управление строительством КАД осуществляет ГУ «Дирекция по строительству транспортного обхода города Санкт-Петербурга».
Данная магистраль и отдельные ее участки, наиболее напряженные по интенсивности движения АТС, были приняты в качестве объектов экспериментально-расчетного исследования и демонстрации применимости разработанной методики прогнозирования воздействия автомобильного транспорта на городское население при неблагоприятных метеорологических условиях.
Рисунок 1. Схема КАД вокруг Санкт-Петербурга
История проекта. Впервые необходимость строительства кольцевой автомобильной дороги была определена в 1965 году при разработке Генерального плана развития Ленинграда. В 1984 году было принято совместное решение исполкомов областного и городского советов о строительстве КАД, подтверждённое в 1995 году совместным распоряжением мэра Санкт-Петербурга и губернатора Ленинградской области во исполнение федеральной программы «Дороги России».
Характеристика дороги. Общая наземная протяженность КАД - 116,75 км, а с учётом участка, проходящего по Комплексу защитных сооружений Петербурга от наводнений - 142,15 км.
• Расчетная скорость движения -120 км/ч.
• Проектная пропускная способность восточного полукольца - 70^110 тыс. автомобилей в сутки.
• Количество полос движения - 4-8.
• Ширина проезжей части - 15-32
м.
• Ширина земляного полотна -27,5-48 м.
• Количество транспортных развязок - 26.
• Количество мостов, путепроводов, эстакад и тоннелей - 106.
При проектировании Кольцевой Автомобильной Дороги специалистами ОАО «Дорпроект» были сделаны подсчеты интенсивности движения по всем основным городским дорогам, выходящим на КАД. По результатам полученных данных в экономическом обосновании строительства КАД были сделаны прогнозы величины транспортных потоков с указанием среднегодовой суточной интенсивности движения по имеющимся направлениям (рис. 2).
Среднегодовая суточная интенсивность, например, по направлению Санкт-Петербург-Кировск на расчетный 2020 год составит 90000 физических единиц в сутки. Из них 2,67 % - автобусы (2400 физ. ед./сутки), 71,33 % - легковые автомобили (64200 физ. ед./сутки) и 26 % составят грузовые автомобили (23400 физ. ед./сутки). Для сравнения, интенсивность движения по направлению Санкт-Петербург-Москва составит 89100 физических единиц в сутки. Из них 2,69% - автобусы (2400 физ. ед./сутки),
71,38% - легковые автомобили (63600
физ. ед./сутки), 25,93% - грузовые авто-
мобили (23100 физ. ед./сутки).
Рисунок 2. Схема транспортных потоков выходящих на кольцевую автомобильную дорогу
вокруг Санкт-Петербурга
С введением КАД Санкт-Петербург оказался в «автомобильной экологической блокаде», которая при неблагоприятных транспортно-
метеорологических условиях может привести к чрезвычайному загрязнению ОГ АТС воздушной среды примыкающих районов.
Модель расчета выбросов загрязняющих веществ автотранспортом, двигающимся по автомагистрали.
За основу разработанной модели расчета выбросов загрязняющих веществ АТС был взят расчетный алгоритм методики, разработанной в 1998 году ФГУП «НИИ АТМОСФЕРА» [8] и утвержденной приказом Госкомэкологии России № 66 от 16
февраля 1999 года. Использование методики допускается в соответствии с дополнительным приказом Госкомэкологии России от 7 мая 1999 г. N 230.
Изменения и уточнения касались обоснования новых учетных категорий (групп) АТС и их пробеговых выбросов для характерных режимов движения на перегонах и перекрестках городских автомагистралей. Это необходимо было сделать в связи с реальным существенным изменением структуры транспортного потока и характеристик выбросов вредных веществ (реально наблюдаемого в городах РФ в связи с принятием Постановления Правительства РФ № 609 от 12 октября 2005 года).
Удельный выброс /-ого загрязняющего вещества (г/с) движущимся автотранспортным потоком на автомагистрали (или ее участке) с фиксированной протяженностью Ь (км) определяется по формуле:
т к
Мь=Щ> '?М"1У °к ' Гук-’ (')
где М1^ (г/км) - удельный выброс /-го вредного вещества автомобилями кой группы для городских условий эксплуатации, определяемый по табл. 1; к -количество групп автомобилей;
Ок (1/час) - фактическая наибольшая интенсивность движения, т.е. коли-
чество автомобилей каждой из к групп, проходящих через фиксированное сечение выбранного участка автомагистрали в единицу времени в обоих направлениях по всем полосам движения;
1/3600 - коэффициент пересчета часов в секунды;
гук/ - поправочный коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока (ук, км/час) на выбранной автомагистрали определяемый по табл. 2.
т (км) - протяженность участка автомагистрали.
Таблица 1. Значения пробеговых выбросов (г/км) для различных групп автомобилей
Наименование груп- Но- В ы б р о с , г/км
пы автомобилей мер груп- пы СО NOx (в пересчете на ш2) СН сажа SO2 Фор- маль- дегид бенз(а)- пирен
Легковые: отечественные зарубежные Ь Ь 5.0 2.0 1,3 0,7 1,1 0,4 0.03 0,02 0,03 0,03 0,005 0,002 0,4.10-6 0,2.10-6
Микроавтобусы и автофургоны II 12,0 2,0 2.5 0.08 0,05 0,011 0,810-6
Автобусы бензиновые Автобусы дизельные III 35,0 5,2 8.5 - 0,04 0,04 1,2.10-6
Грузовые бензиновые свыше 3,5т. IV 7,0 6,0 5.0 0,3 0,07 0,025 2,0.10-6
Грузовые дизельные до 12т. V 60,0 5,2 10,0 - 0,05 0,05 4,0.10-6
Грузовые дизельные свыше 12т. VI 9,0 7,0 5,5 0,4 0,1 0,025 2,0.10-6
VII 12,0 8,0 6,5 0,5 0,12 0,03 2,4.10-6
Таблица 2. Значения коэффициентов гу ^¿, учитывающих изменения количества выбрасываемых вредных веществ в зависимости от скорости движения
Скорость движения V, км/ч
V 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 100 110 120
^,1 1,4 1.35 1.30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,75 0,65 0,50 0,30 0,40 0,50 0,65 0,75 0,95
^,1 (Шх) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,2 1,5
Базовые (исходные) значения коэффициентов выбросов для СО, СН (аналогично, - для формальдегида и бенз(а)пирена), NO2 (как для NOx ) и сажи (как для частиц) определялись по отношению уровней ЕВРО-3 (2008 год) и ЕВРО-ГУ (2015 год) к ЕВР0-0 [2] (Правила ЕЭК ООН 15-04, директива ЕС 88/77, ОСТ 37.001.054-86, ОСТ 37.001.234-86). Коррекция базовых значений коэффициентов осуществлялась в предположении сохранения наблюдаемой тенденции роста численности иномарок по отношению к численности отечественных автомобилей. Значения коэффициентов выбросов для Б02 назначались на основании [7].
Расчёты максимальных приземных концентраций
Расчеты выполнялись на основании расчетной схемы нормативной методики ОНД-86 [3], - с помощью расчетного блока информационной системы «Эколог-город-Санкт-Петербург» [7] по данным о параметрах источников выбросов автотранспорта, разработанной с участием авторов, и данным о характеристиках рассеивания загрязняющих веществ в воздушном бассейне г. С. - Петербурга.
К метеорологическим характеристикам и коэффициентам, определяющим условия распространения загрязняющих веществ в атмосфере города были отнесены:
- коэффициент А, зависящий от температурной стратификации атмосферы;
- коэффициент рельефа местности;
- средняя максимальная температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца года, 0С;
- средняя температура воздуха наиболее холодного месяца года (для котельных, работающих по отопительному графику), 0С;
- скорость ветра и* (м/с), повторяемость превышения которой (по средним многолетним данным) не больше 5%.
Для проведения детальной оценки загрязнения атмосферного воздуха вред-
ными выбросами расчеты загрязнения атмосферного воздуха осуществлялись на «расчетном прямоугольнике» с заданным шагом расчетной сетки и в контрольных точках. Шаг по углу перебора направлений ветра принимался равным 10. Контрольные расчетные точки выбирались таким образом, чтобы получить максимальные концентрации загрязняющих веществ в массивах жилой застройки и территориях с повышенными требованиями к качеству атмосферного воздуха.
В качестве основных критериев качества атмосферного воздуха принимались предельно-допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе, утвержденные Министерством здравоохранения [1]. При этом для каждого 7-го вещества, выбрасываемого АТС, назначалось требование выполнения соотношения:
С,
4.,
< 1,
(2)
ПДК 7
где С7 - расчетная концентрация вредного вещества в приземном слое воздуха населенных мест в районе расположения жилой застройки на уровне дыхания человека.
По веществам, для которых установлены только среднесуточные предельно- допустимые концентрации ПДКс.с., согласно п. 8.1 ОНД-86 [3] следует проверять выполнение гигиенических требований с помощью проверки условия:
0,1С < ПДКс.с.. (3)
Умножив обе части неравенства на 10, можно переписать его в форме:
С < 10ПДКс.с (4)
или, введя безразмерную характеристику концентрации,
С
4 =------С-----< 1. (5)
10 ПДКСС
Расчеты загрязнения атмосферного воздуха проводились по девяти вредным (загрязняющим) веществам, присутствующим в выбросах автотранспорта (табл. 3) [1].
Таблица 3. Значения критериев качества атмосферного воздуха для вредных (загрязняющих) веществ, присутствующих в выбросах автотранспорта [1]
Для 7 веществ табл. 3 приведены значения предельно допустимой максимально разовой концентрации (ПДКм.р), для 1 вещества - значения ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ), для 1 вещества среднесуточные предельно- допустимые концентрации (ПДКс.с) [1]. В графе 5 указан класс опасности для каждого из веществ, имеющих ПДКм.р. или ПДКс.с.
Результаты экспериментальнорасчетного исследования загрязнения атмосферы вблизи КАД вокруг Санкт-
Петербурга. Сценарий чрезвычайной транспортно-метеорологической ситуации воздействия АТС на население жилых кварталов С.-Петербурга, примыкающих к КАД реализовал один из наиболее вероятных неблагоприятных исходов воздействия АТС на городскую среду, а именно: «соединение» реально регистрируемых максимальных интенсивностей движения АТС в, так называемые, «часы пик» с реально повторяемыми в регионе С.-Петербурга в течение календарного года, так называемых, в гидрометеорологии «нормально неблагоприятных метеорологических условий» [2, 4, 5]. Ситуация квалифицировалась как чрезвычайная в том случае, когда значения максимальных приземных концентраций загрязняющих веществ или одного их загрязняющих веществ выходили за пределы значений ПДКМР. Сущность физической и математической модели ЧС, развивающейся по данному сценарию, изложена в [2].
На КАД были определены 11 характерных участков (табл. 4) и на каждом участке выделены места (посты), с которых осуществлялось визуальное наблюдение за проезжающими АТС.
Как было ранее отмечено расчёты приземных максимальных концентраций диоксида азота были проведены на основании расчетной схемы нормативной методики ОНД-86 [3] с помощью лицензионной УПРЗА фирмы «Интеграл» -«ЭКОЛОГ-город». При расчётах загрязнения атмосферы каждый участок КАД моделировался как неорганизованный источник выбросов (автомагистраль) с заданным значением высоты выброса и реальными значениями длины и ширины, полученными при натурных обследованиях.
В качестве примера на рис. 3 представлены результаты расчетов максимальных приземных концентраций диоксида азота, отнесённые к максимальной разовой ПДК, равной 0,2 мг/м3 на одном из участков КАД.
Расчеты показали, что при неблагоприятных метеорологических условиях и интенсивностях движения АТС, характерных для «часов пик» вероятно суще-
Вещество Ис- польз. крите- рий Значе- ние крите- ри, мг/м3 Кла сс опас нос- ти
код наименова- ние
1 2 3 4 5
030 1 Азота диоксид (Азот (IV) оксид) ПДК м/р 0,2 2
030 4 Азот (II) оксид (Азота оксид) ПДК м/р 0,4 3
032 8 Углерод (Сажа) ПДК м/р 0,15 3
033 0 Сера диоксид (Ангидрид сернистый) ПДК м/р 0,5 3
033 7 Углерод оксид ПДК м/р 5,0 4
070 3 Бенз/а/пире н(3,4-Бензпирен) * 10-4 ПДК с/с 1,0 1
132 5 Формальде- гид ПДК м/р 0,035 2
270 4 Бензин (нефтяной, малосернистый) (в пересчете на углерод) ПДК м/р 5,0 4
273 2 Керосин ОБУВ 1,2
ственное превышение концентраций диоксида азота NО2.
Таблица 4. Перечень характерных участков КАД вокруг г. Санкт-Петербурга
Из анализа карт загрязнения воздушной среды вредными выбросами АТС на КАД Санкт-Петербурга можно сделать следующие выводы.
1. Не смотря на регистрируемые в последние годы тенденции существенного сближения структуры и технического состояния АТС в городах РФ с городами стран ЕС, при неблагоприятных метеорологических условиях и интенсивностях движения АТС, характерных для часов «пик» вероятно существенное (до 2-3 раз) превышение концентраций диоксида азота КО2 относительно ПДКМР (по КО2)в
примыкающих к КАД Санкт-Петербурга районах ближайших жилых застроек.
2. Основными причинами такого неблагополучия проживания населения в городах РФ являются небывалый рост численности АТС при пока сохраняющемся отставании технического состояния АТС и качества применяемого топлива от требований европейских стандартов.
3. В виду достаточно большого периода времени наблюдения таких экстремальных ситуаций (в настоящее время продолжительность часов «пик» занимает значительную часть суток - с 8-9 часов до 11 - 12 часов утром и с 14 - 15 часов до 19 - 20 часов вечером), который для главных городских автомагистралей, например, как КАД вокруг Санкт-Петербурга существенно (от 24 до 30 раз) превышает период предельно допустимого времени воздействия (20 минут) предельно допустимой максимально разовой концентрации ПДКМР (по NО2).
Такие ситуации сверхнормативного, по санитарным гигиеническим параметрам качества воздушной среды, загрязнения атмосферы для городов РФ следует признать как чрезвычайные ситуации для населения, проживающего в районах, примыкающих к автомагистралям.
4. Следует отметить, что оценки вероятного «чрезвычайного неблагополучия» проживания населения городов РФ вблизи автомагистралей были выполнены для, так называемых, нормально неблагоприятных, достаточно часто регистрируемых, метеорологических условий.
При вероятных аномальных состояниях атмосферы, существенно затрудняющих протекание естественных физических процессов конвективного газообмена и усугубления химических процессов опасного атмосферного метаболизма вредных веществ, например, -образования фотооксидантов (смога), -такие ситуации следует рассматривать как особо опасные.
№ п/п Наименование характерных участков КАД
1 Южный участок КАД (от Московского шоссе до Софийской ул.)
2 Южный участок КАД (от Софийской ул. до пр. Обуховской обороны)
3 Южный участок КАД - Большой Обуховский мост (от пр. Обуховской обороны до Октябрьской наб.)
4 Южный участок КАД (от Октябрьской наб. до Мурманского шоссе)
5 Восточный участок КАД (от Мурманского шоссе до Косыгина пр.)
6 Восточный участок КАД (от пр. Косыгина до Шафировского пр.)
7 Восточный участок КАД (от Шафировского пр. до Токсовского шоссе)
8 Восточный участок КАД (от Токсовского шоссе до пр. Культуры)
9 Северный участок КАД (от пр. Культуры до пр. Энгельса)
10 Северный участок КАД (от пр. Энгельса до Выборгского шоссе)
11 Северный участок КАД (от Выборгского шоссе до Приморского шоссе)
Рисунок 3. Карта вероятного загрязнения атмосферы NО2 в окрестности Восточного участка КАД Санкт-Петербурга (от Мурманского шоссе до пр. Косыгина)
Список использованной литературы
1. Ложкин В. Н., Артамонов В. С., Баскин Ю. Г. К вопросу управления риском биоэкологического воздействия автомобильного транспорта на население крупного города / Вестник Санкт-Петербургского университета МВД, № 4(8), СПб., 2000, С. 110-116.
2. Ложкин В. Н., Медейко В. В. Модели оценки экологического ущерба, применяемые в Российской Федерации, США и странах ЕС, при государственном регулировании воздействия транспортных средств на окружающую среду // Информационный бюллетень №2 (32): «Вопросы охраны атмосферы от загрязнения», НПК «Атмосфера» при ГГО им. А. И. Воейкова, СПб., 2005. -С. 103-116.
3. Общесоюзный нормативный документ Гос-комгидромета СССР (ОНД-86). Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л., Гидрометеоиздат, 1987 г. - 93с.
4. Буренин Н. С., Оникул Р. И., Соломатина И.
И. К оценке выбросов автотранспорта в атмосферу и загрязнения воздуха вблизи автомагистралей. Тр. ГГО, вып. 436, 1997, С.102-110.
5. Berlyand M. E., Burenin N. S., Genihovich E. L. Experimental investigation of atmospheric pollution due to motor vehicles. Proc. Sov. American. Symp on mobile sourses of air pollution. V.l.St.Petersburg, 1992, pp.105-121.
6. Uliasz M., Stocker R.A. and Pielke R.A.: Regional modelling of air pollution transport in the south-western USA. (In:) Zannetti P. (ed.), Environmental Modelling vol. III Comput. Mech. Public., Southampton, 1996.
7. Сорокин Н.Д. Система мониторинга атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге / Доклад на IV Международной научно-практической конференции «АВТОТРАНСПОРТ: от экологической политики до повседневной практики», VIII Международный экологический форум 20-21 марта 2008 г., Санкт-Петербург.
8. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчётов загрязнения атмосферы городов, - СПб., 1999.
1 Ложкин Владимир Николаевич- заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, профессор Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, тел.:+7 921 7777304, e-mail:vnlojkin@yandex.ru;
2 Лукьянов Сергей Владимирович - инженер института безопасности дорожного движения при СПбГАСУ, E-mail: sl.73@list.ru;
3 Ложкина Ольга Владимировна - к.х.н., доцент, кафедры физико-химических основ процессов горения и тушения СПбУ ГПС МЧС России, тел.: (812) 369-69-73 E-mail: olojkina@yandex. ru
