CC BY
116
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
УДК 504.054 DOI 10.18522/0321-3005-2016-4-67-72
ХИМИЧЕСКОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГОРОДСКИХ ЭКОСИСТЕМ АВТОТРАНСПОРТОМ
© 2016 г. О.О. Дахова, Б.М. Хучунаев, Г.В. Куповых
CHEMICAL AND PHYSICAL CONTAMINATION OF URBAN ECOSYSTEMS BY AUTOMOBILE TRANSPORT
О.О. Dakhova, B.M. Khuchunaev, G.V. Kupovykh
Дахова Оксана Олеговна - кандидат географических наук, доцент, кафедра географии, Институт химии и биологии Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова, ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, е-mail: dakhva@rambler.ru
Oksana O. Dakhova - Candidate of Geography, Associate Professor, Department of Geography, Institute of Chemistry and Biology, Berbekov Kabardino-Balkarian State University, Chernyshevskii St., 173, Nalchik, KBR, 360004, Russia, email: dakhva@rambler.ru
Хучунаев Бузигит Муссаевич - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией микрофизики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, e-mail: buzgigit@mail.ru
Buzigit M. Khuchunaev - Doctor of Physics and Mathematics, Senior Researcher, Head of the Department of Physics of Clouds, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: buzgigit@mail.ru
Куповых Геннадий Владимирович - доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики, Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., 347928, е-mail: kupovykh@sfedu.ru
Gennadii V. Kupovykh - Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Head of the Department of Mathematics, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University, Nekrasovskii Lane, 44, Taganrog, Rostov Region, 347928, Russia, e-mail: kupovykh@sfedu.ru
Исследуется химическое и физическое (шумовое) загрязнение г. Нальчика. Рассчитана концентрация загрязняющих веществ, выделяемых автотранспортом в атмосферу города. Составлены карты миграций химических элементов (загрязняющих веществ), поступающих в ландшафты города от автомобильного транспорта. Определены эквивалентные уровни звука, создаваемые транспортными потоками на автомагистралях города. Приведены рекомендации для защиты населения, жилых и общественных зданий от транспортного шума; они включают градостроительные, архитектурно-планировочные, организационные и конструктивные мероприятия.
Ключевые слова: автотранспорт, вредные вещества, городские экосистемы, загрязнение атмосферы, карта загрязнения, шумовое загрязнение.
We study the chemical and physical (noise) pollution of the city of Nalchik. Calculate the concentration ofpollutant emissions into the atmosphere of the city by road. The maps of the migration of chemical elements (pollutants) entering the landscapes of the city on road transport. Determine the equivalent sound levels generated by traffic flow on the highways of the city. This article provides recommendations for the protection of the population, residential and public buildings from the traffic noise, which include urban planning, architectural planning, organizational and structural measures.
Keywords: automobile transport, pollutants, urban ecosystems, air pollution, pollution card, noise pollution.
В последние годы увеличение потока автотранспорта и снятие ограничения его движения привели к значительному увеличению физического и химического загрязнения курортных городов.
Сегодня во многих городах России наблюдается устойчивая тенденция к многократному, в десятки и более раз, превышению санитарно-гигиенических норм по содержанию в атмосфере городов окислов
углерода, азота, пыли, токсичных соединений металлов и других вредных веществ [1-4]. Имеются серьезные проблемы с мелиорацией земель, бесконтрольным применением в сельском хозяйстве минеральных удобрений, чрезмерным использованием пестицидов, гербицидов. Происходит загрязнение сточными водами промышленных и коммунальных предприятий больших и малых рек, озер,
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
прибрежных морских вод. Из-за постоянного загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, растительности происходит деградация экосистем, сокращение продуктивных возможностей биосферы.
Основная доля токсичных примесей от автотранспорта поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступают приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса. Количество вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей, особенно от двигателя — источника наибольшего загрязнения.
Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота — при разгоне. Автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью [5].
Город Нальчик - столица Кабардино-Балкарской Республики, расположен в предгорьях Большого Кавказа на р. Нальчик (бассейн Терека). Его географическая широта - 43°29', географическая долгота - 43°37', расположен в 1873 км к югу от Москвы, является курортным городом. На его территории неизменных природных ландшафтов практически не осталось, сформировались различные модификации антропогенных ландшафтов, в которых элементы, созданные в результате деятельности человека, в разной степени преобладают над естественными. Всего в городе по социально-экономическим функциям выделено 7 основных типов и 17 подтипов антропогенных ландшафтов. С каждым годом увеличивается количество передвижных и стационарных источников загрязнения воздуха, что сказывается не только на состоянии окружающей среды, но и на здоровье населения [6].
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
Методика определения выбросов автотранспорта
Для экологических исследований натурный эксперимент является поставщиком исходных данных для моделирования процессов создания и распространения загрязнений.
Расчет концентраций загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от автотранспорта, проводится для улиц с наибольшей транспортной нагрузкой. Улицы Нальчика не везде прямолинейны и узки. Дома, прилегающие к автомагистралям, в основном состоят из 3-5-этажных зданий, реже -1-, 9-этажных [7].
Натурные исследования автотранспортного потока проводились в 2014 г. (весна — лето) в течение рабочей недели в часы пик — с 8 до 11 ч и с 16 до 19 ч. Для расчета использовали максимальное количество автотранспорта, проезжающего за 20-минутный период времени по автомагистрали [8].
Автотранспорт был подразделен на следующие группы:
1) легковые автомобили, отдельно отечественные (Ло) и зарубежные (Лз);
2) микроавтобусы (МА) и автофургоны (АФ) отечественного и зарубежного производства;
3) автобусы бензиновые (АК);
4) автобусы дизельные (АД);
5) грузовые бензиновые свыше 3,5 т (включая работающие на сжиженном нефтяном газе) (ГК > 3,5);
6) грузовые дизельные до 12 т (ГД < 12);
7) грузовые дизельные свыше 12 т (ГД > 12).
Результаты подсчетов автомобильного транспорта приведены в табл. 1.
Расчеты выбросов выполняются для следующих вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами автомобилей: оксид углерода (СО); оксиды азота КОх (в перечете на диоксид азота); углеводороды (СН); сажа; диоксид серы (Б02); формальдегид; бенз(а)пирен.
Таблица 1
Число движущегося автотранспортного потока за 20-минутный период времени / The number of moving vehicular traffic for the 20-minute period of time
Наименование улицы Число автомобилей по группам
Л ГК АК ГД АД Скорость движения потока, км/ч
Ло Лз МА, АФ ГК>3,5 ГД<12 ГД>12 Легковые Грузовые Автобусы
Ленина 171 88 67 - 12 1 - - 60 40 40
Шогенцукова 270 115 51 - 3 1 - - 60 40 40
Идарова 428 148 190 11 15 12 - - 60 40 40
Мальбахова 779 531 230 10 12 - - - 60 40 40
Кабардинская 625 284 114 7 11 - - - 60 40 40
Кирова 190 61 66 - - 10 - - 60 40 40
Чернышевского 104 28 49 - 7 3 - - 60 40 40
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII RE
Значения концентраций загрязняющих веществ, вычисленные по методике [9], показали, что концентрация оксида углерода, поступающего в воздушный бассейн г. Нальчик от автотранспорта, меняется от 2,2512 до 13,031 г/с, диоксида азота — от 0,4899 до 2,1417 г/с, углеводородов — от 0,59436 до 2,69865 г/с, сажи — от 0,01443 до 0,09033, диоксида серы — от 0,01005 до 0,05677 г/с, формальдегида — от 0,00258 до 0,024 г/с, бенз(а)пирена — от 0,03 10-6 до 1,5 • 10-6 г/с.
Все расчетные точки с концентрациями загрязняющих веществ были нанесены на карту г. Нальчика.
Получено, что на ул. Мальбахова, ближе к перекрестку улиц Мальбахова - Кирова, концентрация диоксида азота превышает ПДК в 1,12 раза, охватывая селитебные ландшафты (рис. 1).
|:::: | - леса и парки, садовые участки
Рис. 1. Карта миграции диоксида азота, поступающего в
ландшафты г. Нальчика от автотранспорта (масштаб 1: 60000) / Fig. 1. Migration map of nitrogen dioxide entering the landscapes of the city of Nalchik from motor vehicles (scale 1: 60,000)
На перекрестке улиц Мальбахова и Богдана Хмельницкого концентрация диоксида азота соот-
ON. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
ветствует ПДК. Концентрация остальных загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух г. Нальчика от автотранспорта, не превышает ПДК.
В работе также исследовалось физическое (шумовое) загрязнение Нальчика в связи с тем, что в наши дни шум стал одним из опасных факторов, вредящих среде обитания. Длительное воздействие шума вредит не только слуху, оно делает человека нервным и ухудшает его самочувствие.
К основным источникам шума в повседневной жизни относится движение транспортных средств, в том числе уличное движение в центре города и на основных городских магистралях, где автомобилям приходится тормозить и вновь разгоняться. Уровень шума зависит от числа автомашин, их технического состояния и удаления домов от проезжей части улицы.
Метод расчета ожидаемых уровней транспортного шума
Эквивалентные уровни звука (дБА), создаваемые транспортным потоком у фасада здания, могут быть получены путем измерений или рассчитаны на основании шумовой характеристики транспортного потока, определяемой по методике, исходя из характеристик движения и состава транспортного потока.
Наибольшие уровни транспортного шума у фасада здания наблюдаются на высоте третьего - пятого этажей. На высоте первого и второго этажей уровни шума могут быть ниже вследствие поглощения звука поверхностью земли и зелеными насаждениями.
Исходным параметром для расчета эквивалентного уровня звука, создаваемого у фасада здания потоком средств автомобильного транспорта (включая автобусы и троллейбусы), является шумовая характеристика потока L (дБА), определяемая по ГОСТу 20444-85 - на расстоянии 7,5 м от оси ближней полосы движения транспорта.
Ожидаемый эквивалентный уровень звука, создаваемый потоком средств автомобильного транспорта в расчетной точке у наружного ограждения здания, определяется по методике [10].
Проспекты Ленина, Шогенцукова и ул. Кабардинская, Идарова и Мальбахова имеют 4 полосы движения автотранспорта. Улицы Кирова и Чернышевского - 2 полосы.
Количество автотранспортных средств, проезжающих по основным улицам г. Нальчика (ед/ч), приведено на рис. 2.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2016. No. 4
Доля средств грузового и общественного транспорта в потоке на пр. Ленина составляет 19 %, на пр. Шогенцукова — 16, на ул. Идарова -28, на ул. Мальбахова - 16, на ул. Кабардинской -13, на ул. Кирова - 26, на ул. Чернышевского -29 %.
Рис. 2. Количество автотранспортных средств, проезжающих по основным улицам г. Нальчика (ед/ч) / Fig. 2. The number of vehicles passing through the main streets of Nalchik (u / h)
В табл. 2 приведены расчеты эквивалентных уровней звука, создаваемых автотранспортом на расстоянии 7 м от полотна дороги.
Таблица 2
Эквивалентные уровни звука LA3KB и L^,^^ / The equivalent sound levels LAekv. and LAekv.ter2
Наименование улицы LA3B3, дБА LAэкв.тер.2, дБА Превышение допустимого уровня (раз)
Ленина 73 71,5 1,2
Шогенцукова 74,1 73,5 1,22
Идарова 77,2 75,7 1,26
Мальбахова 79,2 76,2 1,27
Кабардинская 77,2 76,2 1,27
Кирова 73,8 72,8 1,2
Чернышевского 72,3 71,8 1,2
Допустимые значения эквивалентного уровня звука в жилых районах составляет днем 60 дБА, а ночью - 50 дБА. Как видно из данных табл. 2, превышение допустимого уровня звука на расстоянии 7,5 м наблюдается на всех улицах, максимальное —
на Мальбахова и Кабардинской (в 1,27 раза), а минимальное - на пр. Ленина и ул. Чернышевского (1,2 раза).
Расчеты распространения уровня звука по городу проводились с использованием приведённых выше данных (табл. 2) при помощи программы «Экоцентр Шум». На рис. 3 приводятся результаты расчета в виде изолиний эквивалентного уровня звука. Как видно из рис. 3, в городе можно выделить три участка с его превышением.
Первый — между перекрёстком ул. Кабардинская — Идарова и ул. Суворова, площадью около 1 км2. Второй — вдоль ул. Чернышевского, начиная с перекрёстка ул. Кешокова — ул. Чернышевского, далее вдоль ул. Мальбахова до ул. Идарова, площадь участка — чуть более 2 км2. Третий участок — между пр. Ленина и пр. Шогенцукова, ограничен с юга ул. Тарчокова, а с севера — ул. Головко, площадь участка — 1 км .
Рис. 3. Карта распространения эквивалентного уровня звука по г. Нальчику (масштаб 1:50000) / Fig. 3. Distribution map of the equivalent sound level at Nalchik (scale 1: 50,000)
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Для оценки точности расчетов были проведены измерения эквивалентного уровня звука с помощью анализатора шума БУЛК 949. Сравнение эквивалентного уровня звука, полученного расчетным методом, и измеренного показало разницу от 3,8 до 8,2 %.
Расчеты проведённых исследований показывают, что в г. Нальчике для защиты населения от воздействия шума необходимо провести защитные мероприятия. Более того, в последние годы имеется тенденция к увеличению количества транспорта в городе.
Защиту жилых и общественных зданий от транспортного шума можно осуществить с помощью градостроительных (рациональное проектирование улично-дорожной сети, зонирование городских территорий), архитектурно-планировочных (специальные шумозащитные здания с ориентацией жилых комнат преимущественно в сторону внутриквартальной территории), организационных (ограничение грузового транспорта на селитебных территориях, ограничение скорости транспортных средств, запрет транзитного транспорта) и конструктивных мероприятий. Осуществить посадку зеленых насаждений. Плотная посадка зеленых насаждений и экранизирующие сооружения, расположенные вдоль магистралей, обладают свойством усиливать вертикальные воздушные течения. Это приводит к снижению в приземном слое воздуха за этими сооружениями, концентраций токсичных веществ, выбрасываемых с отходящими газами автомобилей. Кроме того, зелёные насаждения обладают свойствами осаждения и биологической переработки токсичных соединений, что усиливает их защитный эффект.
Выводы
1. Из анализа транспортного потока на территории г. Нальчика видно, что максимальное количество автотранспорта наблюдается на ул. Мальба-хова, Кабардинская, Идарова и на перекрестках ул. Мальбахова - Кирова, Кабардинская - Идарова, Кабардинская - Осетинская.
2. Получено, что в районе Стрелки концентрация диоксида азота, с учетом закономерностей миграции химических веществ в воздушном бассейне, превышает ПДК в 1,12 раза, охватывая селитебные ландшафты. Концентрация следующих загрязняющих веществ: сажи — 0,23 ПДК, оксида углерода - 0,51 ПДК, бенз(а)пирена - 0,24 ПДК, формальдегида - 0,42 ПДК, углеводородов - 0,44 ПДК, диоксида серы - 0,04 ПДК - не превышает ПДК. Концентрация группы диоксида азота и ди-
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
оксида серы в районе Стрелки превышает ПДК в 1,16 раза, охватывая ландшафты жилых застроек.
3. Составлена карта миграции диоксида азота, поступающего в ландшафты г. Нальчика от автомобильного транспорта.
4. Определено, что доля средств грузового и общественного транспорта в потоке на территории города-курорта Нальчика составляет 13-29 %.
5. Произведена оценка физического (шумового) загрязнения атмосферного воздуха города-курорта Нальчика. Выявлено, что на территориях, расположенных в непосредственной близости от автотрасс, по исследованным улицам наблюдается превышение санитарных нормативов по уровню шума на 15-20 дБА.
6. Сопоставление расчетных и измеренных значений шумового загрязнения показало их хорошее согласование (получили разницу от 3,8 до 8,2 %).
Литература
1. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. М., 2000. 672 с.
2. Коваленко В.Г. Экологическая безопасность в системах нефтепродуктообеспечения и автомобильного транспорта. М., 2004. 184 с.
3. Егоров А.А., Гроздова О.И., Царева Ю.И. Рассеяние в атмосфере оксида углерода от автомобильного транспорта // Экология и промышленность России. 2006. № 1. С. 38-41.
4. Плешхов Х.Х. Охрана окружающей среды КБР. Нальчик, 2007. 136 с.
5. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах: результаты экспериментальных исследований. Л., 1986. 199 с.
6. Разумов В.В., Перекрест В.В. Современная ландшафтно-функциональная структура территории Нальчика // Экологические проблемы г. Нальчика. Нальчик, 1998. С. 9-15.
7. Дахова О.О. Некоторые результаты исследования загрязнения г. Нальчика автотранспортом // Экология человека: концепция факторов риска, экологической безопасности и управления рисками : сб. ст. V науч.-практ. конф. Пенза, 2008. С. 39-42.
8. Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга. СПб., 2005. 8 с.
9. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л., 1987. 78 c.
10. Проектирование защиты от транспортного шума и вибраций жилых и общественных зданий. М., 1999. 20 с.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
References
1. Protasov V.F. Ekologiya, zdorov'e i okhrana okruzhayushchei sredy v Rossii [Ecology, health and environmental protection in Russia]. Moscow, 2000, 672 p.
2. Kovalenko V.G. Ekologicheskaya bezopasnost' v sistemakh nefteproduktoobespecheniya i avtomobil'nogo transporta [Environmental security in the systems of petroleum products and motor vehicles]. Moscow, 2004, 184 p.
3. Egorov A.A., Grozdova O.I., Tsareva Yu.I. Rasseyanie v atmosfere oksida ugleroda ot avtomobil'nogo transporta [Scattering in the atmosphere of carbon dioxide from road transport]. Ekologiya i promysh-lennost' Rossii. 2006, no. 1, pp. 38-41.
4. Pleshkhov Kh.Kh. Okhrana okruzhayushchei sredy KBR [Environmental protection KBR]. Nalchik, 2007, 136 p.
5. Bezuglaya E.Yu. Monitoring sostoyaniya za-gryazneniya atmosfery v gorodakh: rezul'taty eksperi-mental'nykh issledovanii [Monitoring of air pollution in cities: results of experimental studies]. Leningrad, 1986, 199 p.
6. Razumov V.V., Perekrest V.V. [Modern landscape and functional structure of the territory of Nalchik].
Поступила в редакцию /Received
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
Ekologicheskie problemy g. Nal'chika [Ecological problems of Nalchik]. Nalchik, 1998, pp. 9-15.
7. Dakhova O.O. [Some results of the study of pollution of Nalchik truck]. Ekologiya cheloveka: kontseptsiya faktorov riska, ekologicheskoi bezopasnosti i upravleniya riskami [Human ecology: the concept of risk factors, environmental safety and risk management]. Coll. of art. V scientific-practical conf. Penza, 2008, pp. 39-42.
8. Metodika opredeleniya vybrosov vrednykh (zagryaznyayushchikh) veshchestv v atmosfernyi vozdukh ot avtotransportnykh potokov, dvizhushchikhsya po avtomagistralyam Sankt-Peterburga [Method of determining emissions of harmful (polluting) substances into the air from the motor flows moving along St. Petersburg motorway]. Saint Petersburg, 2005, 8 p.
9. Metodika rascheta kontsentratsii v atmosfernom vozdukhe vrednykh veshchestv, soderzhashchikhsya v vybrosakh predpriyatii [The methodology for calculating the concentration in the air of harmful substances contained in industrial emissions]. OND-86. Leningrad, 1987, 78 p.
10. Proektirovanie zashchity ot transportnogo shuma i vibratsii zhilykh i obshchestvennykh zdanii [Design protection from traffic noise and vibrations of residential and public buildings]. Moscow, 1999, 20 p.
17 июня 2016 г. / June 17, 2016
