Научная статья на тему 'Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей в ЮФО'

Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей в ЮФО Текст научной статьи по специальности «Математика»

CC BY
138
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
ВЫБРОСЫ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ / EMISSIONS OF POLLUTANTS / ТОКСИЧНОСТЬ / TOXICITY / ОТРАБОТАВШИЕ ГАЗЫ / EXHAUST GASES / СТАЦИОНАРНЫЕ ИСТОЧНИКИ / STATIONARY SOURCES / АВТОТРАНСПОРТ / AUTO TRANSPORT / ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ / INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Зубарева Е. Г., Курень С. Г., Юртаев А. А.

В статье проведен комплексный анализ показателей выбросов от стационарных источников и выбросов от автотранспорта в Ростовской области и городе Ростове-на-Дону, а также сравнительный анализ по двум регионам ЮФО. Сделан прогноз экологической обстановки и проверена адекватность предложенной математической модели.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Зубарева Е. Г., Курень С. Г., Юртаев А. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Monitoring of Toxic Air Contaminants in Southern Federal District

The article presents a comprehensive analysis of emission indicators from stationary sources and emissions from motor vehicles in the Rostov region and the city of Rostov-on-Don, as well as a comparative analysis for the two regions of the Southern Federal District. The forecast of the ecological situation is made and the adequacy of the proposed mathematical model is checked.

Текст научной работы на тему «Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей в ЮФО»

Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей

в ЮФО

Е.Г. Зубарева, С.Г. Курень, А.А. Юртаев Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье проведен комплексный анализ показателей выбросов от стационарных источников и выбросов от автотранспорта в Ростовской области и городе Ростове-на-Дону, а также сравнительный анализ по двум регионам ЮФО. Сделан прогноз экологической обстановки и проверена адекватность предложенной математической модели.

Ключевые слова: выбросы загрязняющих веществ, токсичность, отработавшие газы, стационарные источники, автотранспорт, двигатель внутреннего сгорания.

В воздушном бассейне Южного федерального округа наблюдается повышение уровня загрязнения, в частности автотранспортными выбросами, которые составляют 88,4% токсичных веществ, содержащихся в воздухе. Помимо отработавших газов автомобилей на экологическую ситуацию влияют выбросы в следствие работы железнодорожного транспорта, предприятий топливно-энергетической и машиностроительной и других отраслей.

Ежегодно уровень загрязненности вследствие выбросов от автотранспортных средств увеличивается на 3%, неизменным остается состав отработавших газов (ОГ) двигателя, в том числе его токсичные

компоненты, представленный на рисунке 1 [1-5].

Вредный компонент Единица измерения Нормативы платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными источниками

В пределах установленных допустимых нормативов выбросов В пределах установленных лимитов выбросов

Оксид углерода СО р./т 0,6 3

Оксид азота N0 р./т 35 175

Диоксид азота N02 Р-/т 52 260

Бенз(а)пирен С20Н12 р./г 2,049801 10,249005

Прочие углеводороды СхНу р./т 5 25

Формальдегид НСНО р./кг 0,683 3,415

Акролеин СНг=СН-СН=0 р./кг 0,068 0,34

Уксусный альдегид СНзСНО р./кг 0,205 1,025

Сажа р./кг 0,08 0,4

Оксиды серы 502, БОз р./т 21 105

Сероводород р./т 257 1285

Сравнительный анализ по валовым выбросам (тыс. тонн) веществ-загрязнителей в 2017 году по сравнению с 2000 годом.

500 400 300 200 100 0

2МЮ»г.

о

о

СЧ О) X

О л О И Z о.

:о Ш

W

о. о - к

7 О

о. С

S °

о ш

Е

Рисунок 1. Состав отработанных автомобильных газов

В Российской Федерации в настоящее время действует стандарт Евро-2, однако, структура нефтепереработки не обеспечивает требуемого качества производимых бензинов и дизельного топлива из-за недостаточных объёмов вторичной переработки.

На основании полученных данных [1-5] нами проведен мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей за период 2000-2017 гг.:

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Рисунок 2. Диаграмма выбросов загрязняющих веществ из различных источников

К наиболее эффективным способам снижения уровня токсичности отработавших газов относятся: модернизация процессов смесеобразования и сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, коррекция состава смеси и угла опережения зажигания; нейтрализация ОГ в системе выпуска: токсичные газы (СО, СХНУ и КОх) нейтрализуются до их выброса в атмосферу [7]. Использование этих методов не позволяет устранить выбросы соединений свинца, 8О2 и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Это вызывает необходимость ограничения содержания в топливе свинца, серы и ПАУ на стадии производства топлив.

Вследствие уменьшения токсичных выбросов в воздушный бассейн улучшается снижается расход углеводородного топлива. Переход к альтернативным видам топливам, в том числе не содержащим углерода (например, водород), приводит к улучшению экологических и экономических показателей.

Для разработки математической модели рассмотрим отношение загрязнение-очистка как конкуренцию между двумя видами процессов [6]. Предполагается, что оба вида процессов являются автотрофами, т.е. способны увеличивать количество объемов, загрязненных или очищенных токсических веществ независимо друг от друга. С самого начала полагаем, что в изоляции динамика обоих видов процессов подчиняется логистическому уравнению, а взаимно отрицательное влияние пропорционально объемам выбросов токсических веществ и очистки. Математической моделью описанной ситуации является следующая система:

или, в безразмерных переменных (замена в явном виде), В области система (2.2.3.2) всегда имеет три положения равновесия:

Кроме того, если 1, ау> 1, $>у или с$< 1 ,ау< 1,

г, то вД2

существует положение равновесия

;

/? — у ЩГ— 1\ хр - У ар- II

)

Матрица Якоби системы (2.2.3.1) имеет вид

т ъ)={

1 — — V

—V

—и у — и —

Положение равновесия А1 — неустойчивый узел (собственные числа равны 1 и у); Л^ — седло, если сеу> 1 и устойчивый узел, если СЕ^< 1; А3 —

.

Данная ситуация оказывается общей — практически всегда один из конкурирующих видов подавляет другой [8].

Сделаем прогноз развития процесса загрязнения атмосферы с помощью логистической модели [9,10] с целью проверки её достоверности. Рассчитаем величину загрязнения на следующий год. В уравнение модели подставляем найденные параметры: к=387,54 (тыс. тонн), г=0,58 (тыс. тонн/год), N0=8,13 (тыс. тонн), р=186,35 (лет).

Подставив параметры, получаем:

Отсюда значение N=638,1 (тыс. тонн).

Таким образом, расчёт произведенный авторами показал, что валовые выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в Ростовской области в 2017 году составили N1=616 тыс. тонн. Относительная погрешность составляет 0,22, что говорит об адекватности предложенной модели.

Проведем сравнительный анализ загрязненности субъектов ЮФО по основным показателям.

седло, если

и устойчивый узел, если $<у. Наконец, если А^ -Е Д+, то

451,&

Валовые выбросы веществ-загрязнителей (тыс. тонн) в двух соседних субъектах ЮФО, по данным за 2017 год.

□ Ставропольский край ^Ростовская область

400

353

300 -I

200 —

ш

о а

о ш а>

Р

а>

X

з-о а. С

Рисунок 3. Валовые выбросы веществ-загрязнителей в субъектах ЮФО

Выводы.

1. В рамках проведенного исследования осуществлён анализ состояния атмосферы в субъектах Южного федерального округа, который констатировал превышение концентрации загрязняющих веществ в Ростовской области по всем показателям.

2. Вследствие использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств моторного топлива на основе нефти происходит загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей. В свою очередь использование альтернативных видов моторного топлива и, в первую очередь, природного газа позволит достичь нулевой токсичности отработавших газов.

3. Рассмотрены способы математического моделирования загрязнения воздуха, разработаны модели прогнозирования экологической ситуации с учётом валовых выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта с помощью логистического уравнения.

4. Проведена проверка предложенной прогностической модели загрязнения атмосферного воздуха. Относительная погрешность предсказанного значения составила 0,22, что говорит о возможности

применения данной модели для прогнозирования экологической ситуации в отношении атмосферного воздуха в данном регионе.

Литература

1. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2015 году» / Под общ.ред. В.Н. Василенко, Г.А. Урбана, А.Г. Куренкова, С.В. Толчеевой, С.Ю. Покуля. Ростов-на-Дону, 2016. - 212 с. С. 177-178.

2. Курень С.Г., Мишугова Г.В., Мул А.П., Рябых Г.Ю. Разработка модели, описывающей процесс загрязнения воздуха. Перспективы развития науки и образования: сб. науч. трудов по материалам Междунар. науч.-практич. конф. 28 сентября 2012 г.: в 14 частях. Часть 13; Мин-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - 163 с. С. 77-78.

3. Курень С.Г., Николенко Г.В., Мул А.П., Рябых, Г.Ю., Валявин В.Ю., Сокол Н. А. Моделирование процессов загрязнения воздуха. Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. регион. Серия: Естеств. науки.- 2014.-№ 4(182). С. 78-81.

4. Курень С.Г., Рябых Г.Ю., Юртаев А.А., Чумакова А.Ю. Пути снижения токсичности отработавших газов автомобилей / Современные тенденции развития науки и технологий: сб. науч. тр. по мат-лам VIII Междунар. науч.-практ. конф., 30 ноября 2015 г.: в 10 частях.- г.Белгород: ИП Ткачева Е.П,. 2015. № 8-1. С. 120-122.

5. Зубарева Е. Г., Серпенинова О. О. Визуальное моделирование информационно-навигационной системы «ТИНС-INFO» // Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2016. Т. 17. С. 79-83. URL:e-koncept.ru/2016/46180.htm.

6. Морозов В. А., Морозова О.Н. Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания // Инженерный вестник Дона, 2016, №1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/350312.

7. Елисеева Т.П., Ежова И.М., Лакирбая И.Д. Исследование воздействия техногенных факторов на окружающую среду с целью обоснования управленческих решений по обеспечению экологической безопасности регионов России // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2361.

8. Rashidova E.V., Zubareva E.G. Visual modeling of planar mechanisms // Science without borders 2015. Materials of XI international research and practice conference. 2015. pp. 59 - 61.

9. Zubareva S. Integrated safety problems of "Y" generation in Black sea region // Science almanac of Black Sea region countries. 2016. № 4 (8). pp. 15-20. URL: science-almanac.ru/ru/new-issue.php

10. Zubareva S.S., Zubareva E.G. Russian millennials in modern consumer society: recent trends, perspectives and future prospects // Modern European Researches. 2017. № 2. pp. 160 -167.

References

1. Ekologicheskij vestnik Dona «O sostojanii okruzhajushhej sredy i prirodnyh resursov Rostovskoj oblasti v 2015 godu» [Ecological Herald of the Don «On the state of the environment and natural resources of the Rostov Region in 2015»]. Rostov-na-Donu, 2016.

2. Kuren S.G., Mishugova G.V., Mul A.P., Rjabyh G.Ju. Razrabotka modeli, opisyvajushhej process zagrjaznenija vozduha. [Development of a model

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

describing the process of air pollution] Perspektivy razvitija nauki i obrazovanija, 2012. pp. 77-78.

3. Kuren S.G., Nikolenko G.V., Mul A.P., Rjabyh, G.Ju., Valjavin V.Ju., Sokol N. A. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij, 2014. № 4(182). pp. 78-81.

4. Kuren S.G., Rjabyh G.Ju., Jurtaev A.A., Chumakova A.Ju. Sovremennye tendencii razvitija nauki i tehnologij, 2015. № 8-1. pp. 120-122.

5. Rashidova E.V., Zubareva E.G. Materials of XI international research and practice conference, 2015. pp. 59-61.

6. Zubareva E.G., Serpeninova O.O. Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal «Koncept», 2016, №.17. URL: http://e-koncept.ru/2016/46180.htm.

7. Morozov V.A., Morozova O.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/350312.

8. Eliseeva T.P., Ezhova I.M., Lakirbaja I.D. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2361.

9. Zubareva S.S., Zubareva E.G. Modern European Researches. 2017. № 2. pp. 160-167.

10. Zubareva S. Modern European Researches. 2016. № 3. pp. 140-143.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.