CC BY
45
УДК 551.510.42; 504.064.36; 504.064.2.001.18
А.С. Вольнов, ассистент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет» e-mail: [email protected]
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ НА ПЕРЕКРЁСТКАХ ВНУТРИГОРОДСКИХ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Проведён анализ подходов по количественной оценке загрязнения выбросами вредных веществ от автотранспортных потоков приземного слоя атмосферы городов. Предложено при экологическом мониторинге автотранспортных потоков учитывать не только отработавшие газы двигателей автомобилей, но и продукты износа узлов и агрегатов автомобиля. Показана необходимость учёта параметров автотранспортного потока при оценке степени загрязнения атмосферы городов. Определены закономерности изменения массы выбросов вредных веществ от параметров автотранспортного потока. Разработана статическая полуэмпирическая математическая модель загрязнения автотранспортными потоками приземного слоя атмосферы перекрёстков автомобильных дорог с учётом продуктов износа узлов и агрегатов автомобиля, а также климатических условий, эффектов рассеивания и рециркуляции. Применение разработанной модели позволяет определить величину основной экологической опасности от эмиссии вредных веществ автотранспортного потока, а также управлять параметрами транспортного потока для прогнозирования концентраций вредных веществ, способных накапливаться в приземном слое автомобильных дорог.
Ключевые слова: математическая модель, автотранспортный поток, автотранспортное средство, выбросы вредных веществ, экологический мониторинг, отработавшие газы, автомобильные шины, тормозные колодки.
Широчайшее использование автотранспортных средств (АТС) оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду. После переноса основных промышленных предприятий за границы «спальных районов» городов именно автотранспортные потоки стали основным источником экологической опасности для населения городов. По данным статистики объемы выбросов вредных веществ (ВВ) от автотранспортных потоков ежегодно возрастают, в частности, в городах Оренбуржья суммарные выбросы ВВ достигают сотен тысяч тонн [7, 8]. Считается, что каждое АТС в день выбрасывает в приземный слой атмосферы около 3-х кг ВВ. Однако защита экологических систем городов и здоровья населения ограничивается совершенствованием конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС) вновь создаваемых автомобилей, обеспечивающих минимальное количество ВВ, выбрасываемых в приземный слой атмосферы городов, например, до 5 или 6 экологического класса или утилизацией устаревших АТС, предусмотренной федеральными программами [3, 6]. В настоящих экономических условиях нереально вывести из эксплуатации 17 млн устаревших автомобилей, выброс которых не соответствует даже нулевому экологическому классу.
Ранее авторским коллективом [4, 12, 13] было обосновано, что кроме отработавших газов (ОГ) автотранспортные потоки загрязняют атмосферный воздух веществами, которые попадают в приземный слой атмосферы в результате испарения топлива, изнашивания фрикционных материалов
тормозных колодок, протекторов автомобильных шин и дорожных покрытий. Износ дорожного полотна происходит в результате выбивания колёсами автомобиля отдельных частиц и его истирания в процессе проскальзывания шины в зоне контакта с покрытием. Одновременно с износом поверхности дороги происходит износ протектора шины. При изнашивании фрикционных накладок тормозных колодок механизм износа изменяется от абразивного вида (в период нарастания замедления) до износа в условиях пластического контакта на последней стадии торможения (при установившемся замедлении).
На интенсивность образования частиц износа и загрязнение ими воздуха влияют многие факторы, основные из которых: конструкция шин и тормозных механизмов, состав резины и фрикционного материала, тип АТС, режимы движения, условия окружающей среды и состав асфальтобетонного покрытия. По результатам расчёта [5] массы износа фрикционного материала и протектора на микроавтобусе «Газель» установлено, что каждые 1000 км пробега по городским магистралям от этого автомобиля в воздух поступает 23,8-33,2 г пыли от передних тормозных колодок, от передних и четырёх задних шин - от 80,5 до 260,7 г.
По оценкам американских учёных, в последнем десятилетии в США эксплуатировалось в среднем 782 млн шин, от каждой из которых образовывалось свыше 1 кг пыли в год, так что общее количество шинной пыли, ежегодно выбрасываемой в городах автотранспортом, составляло 880-900 тыс. т. Кроме
этого, установлено [5], что при движении АТС по шоссе шириной 10 м и длиной 10 км в результате истирания колёсами асфальтового покрытия общая масса образовавшейся пыли может составлять не менее 100 т в год.
Токсичные свойства проявляют все химические соединения, находящиеся в частицах автомобильной пыли, но из них наиболее опасны канцерогены: бенз(а)пирен и другие полициклические ароматические углеводороды, а также ^нитрозамины. По оценке некоторых специалистов, из шин выделяется 58% канцерогенных веществ, в то время как из ОГ - около 41%.
Приведенные выше аргументы обуславливают актуальность разработки модели, позволяющей количественно оценивать комплекс источников выбросов ВВ от автотранспортного потока.
Целью исследования можно считать разработку математической модели для оценки загрязнения автотранспортными потоками приземного слоя атмосферы на перекрёстках внутригородских автомобильных дорог, позволяющей учитывать продукты износа узлов и агрегатов автомобиля, а также дорожного покрытия.
Среди множества математических моделей и методик, оценивающих влияние автотранспортного потока на экологические системы городов, отсутствует единство в понимании целей и задач построения адекватной модели. Поэтому на этапе обоснования факторов, оказывающих непосредственное влияние на выбросы ВВ от автотранспортного потока и выбора типа математической модели, проведён анализ существующих подходов к моделированию и количественному оцениванию выбросов от АТС.
Для оценки степени загрязнения атмосферного воздуха выбросами АТС в настоящий момент времени и последующего прогнозирования ситуации в краткосрочной и долгосрочной перспективах используются два принципиальных типа расчетных моделей. Первый тип основан на результатах натурного обследования структуры, интенсивности транспортных потоков на автомагистралях города, а второй - на использовании статистической информации о структуре автопарка (по данным учета ГИБДД).
Методология статистической информации о структуре автопарка [11] предназначена для оценки валовых выбросов основных ВВ воздушной среды и парниковых газов: СО, N0» летучих органических соединений (ЛОС), твердых частиц (ТЧ), КН3, СН4 (рассчитываемых на основе удельных пробеговых выбросов), а также С02, S02 и тяжелых металлов РЬ, Cd, Сг, Си, №, 2п, Se (определяемых по рассчитанному расходу потребляемого топлива), выделяющихся с ОГ АТС разных категорий, а именно, легковыми автомобилями, легким коммерческим транспортом (автофургонами и микро-
автобусами), грузовиками, автобусами, мотоциклами и мопедами. Эта методика позволяет оценить выбросы от двух типов источников: выбросы, производимые «горячим» двигателем, а также выбросы ВВ при запуске и прогреве двигателя автомобиля («холодные»). Однако данный подход имеет существенные недостатки: статистический учет АТС ведется отдельно в каждом субъекте РФ, а затем суммируется по Федеральным Округам или по России в целом, при этом не учитываются существенные различия погодных условий в разных регионах, разнородность структуры автопарка по типам и возрасту ТС в различных регионах Российской Федерации. Кроме того, не принимается во внимание экологический класс АТС, тип и объем двигателя, а также вес грузовых АТС и автобусов.
Ограниченность применения методики расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях [10] связана с учетом выброса ВВ типовыми АТС за единицу времени при непрерывном движении с учетом дополнительного выброса, связанного с остановками, работой на холостом ходу и последующим разгоном АТС. Причем дополнительный выброс АТС может в разы превышать основной. «Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов» [9] ориентирована только на оценку выброса двигателями СО, NO, S02, CH, Pb, сажи, формальдегида и бенз(а)пирена. Кроме этого, обе методики предполагают учет потребления топлива по маркам, который проводится только по 2-м позициям: потребление автомобильного бензина и дизельного топлива. Поэтому невозможно расчётным путём проверить выбросы ВВ по балансу топлива. Причем в методиках оценки выбросов не учитываются метеорологические условия, параметры автотранспортного потока, а удельные выбросы рассчитаны по стандартному ездовому циклу (не характерному для дорог России), а также не учитывается реальное техническое состояние АТС и дорожная ситуация.
Современные полуэмпирические модели, представленные Benson P. (CALINE-4) и Berkowicz R. (OSPM), основаны на априорной параметризации условий переноса и рассеивания примесей в черте города. Модель CALINE-4 (California Line Sourse Dispersion Model) [14] базируется на гауссовой модели факела и даёт оценку концентрациям ВВ в радиусе не более 500 м от автомобильной дороги. При этом класс устойчивости приземного слоя атмосферы определяют с помощью модифицированных кривых Паскуалля-Гиффорда. Однако данная модель не учитывает влияния городской застройки, рельефа местности, местных ветров, различных на подветренной и наветренной сторонах дороги. Также не принимаются во внимание и метеофакторы, влияющие на турбулентную диффузию ВВ.
Модель OSPM (Danish Operational Street Pollution
Model) [15] ориентирована на расчет выбросов ВВ АТС с учетом городской аэрографии и метеоусловий. В расчетах модели используются понятия «горячие эмиссии» (из выхлопной трубы при нормальной работе двигателя), «холодные эмиссии холостого хода» и «летучие эмиссии», происходящие из-за испарений топлива в процессе работы. Основу OSPM составляет вычисление массы горячих эмиссий посредством умножения среднего выброса на ежечасный пробег каждой категории машин. При этом режим потока в пределах уличного створа определен геометрией машин: использованы коэффициенты высота/ширина (H/W) и длина/высота (L/H). Из других параметров учтено влияние фактора турбулентности взвеси ВВ из-за влияния местных ветров. При этом использованы модели Кеннеди и Кента (1997), испытанные в аэродинамической трубе и показавшие, что скорость ветра на улице вычисляется как «логарифмическое уменьшение скорости ветра, измеренной над крышей здания к низу улицы» (рисунок 1). При этом приводятся данные Vignati et all (1995), показавшие, что большинство различий в концентрациях ВВ в городских условиях связаны с различиями в преобладающей скорости ветров на уровне крыш домов над дорогой и даже выше. Авторы модели OSPM приходят к выводу, что влияние турбулизации выбросов ВВ столь велико, что при измерениях концентраций ВВ на уровне крыши объёмы прямого «горячего» выброса машинами уже не имеют значения.
Рисунок 1. Схематическая иллюстрация потока и распределение выброса в условиях ограниченного рассеивания уличного пространства (Berkowicz et а1, 1997)
Иными словами, поперечная рециркуляция воздуха между домами в уличном пространстве «сверху-вниз» под напором потока ветра над крышами прижимает к земле летучие соединения выброса автотранспортного потока, создавая повышенные концентрации ВВ. Имеет практическую значимость тот факт, что концентрации СО в уличном пространстве в продолжение рабочего дня возрастают в 4-6 раз при почасовом контроле, не достигая нуля даже в ночные часы (рисунок 2).
Рисунок 2. Дневное изменение эмиссии СО в условиях ограниченного рассеивания уличного пространства (Berkowicz et а1, 1997)
Установлено, что влияние атмосферной неустойчивости или температурной конверсии, принимаемых важными факторами при расчете рассеивания методом диффузии, считается незначимым, кроме как «при анализах над крышами домов в зимние месяцы и в безветренные ночные часы при ясном небе» [15]. Более существенно влияние геометри-
ческих данных АТС транспортного потока (высота, ширина и длина АТС). Авторы модели считают, что модуль эмиссии OSPM зависит от скорости и в будущем должен учитывать не только высоту зданий и ширину улиц, но и дорожный градиент, эффект летучих эмиссий, а также пересечение потоков и то, как последний фактор влияет на скорость АТС.
Для снижения концентраций ВВ в воздухе между домами улиц Berkowicz R. et al. [15] рекомендуют увеличить процент АТС в автотранспортном потоке, имеющих тройные каталитические системы, с 20 до 65%. Для города Gottingen (Германия) при полученных фактических концентрациях СО приземного слоя улиц около 3000 г/м3 результаты расчета загрязняющих веществ относительно концентраций СО по программе OSPM дали превышение этих концентраций на 5%. Модель OSPM показала высокую сходимость расчетных и фактических концентраций СО, особенно при скорости ветра свыше 2,0 м/с. При этом сопоставимые показатели получены как в рабочие, так и в выходные дни.
В настоящее время вновь отмечено стремление отечественных исследователей к теоретиза-ции и формализации процессов взаимодействия автотранспортного потока и атмосферы городов с учетом закономерностей рассеивания примесей в атмосфере. При этом авторы рассматривают процессы рассеивания выбросов автотранспортных потоков между домами и до высоты 100 м от поверхности дорожного покрытия с интервалами 4-5 м по вертикали. А.В. Аргучинцева (2008) [1] предложила численную модель оценки мезомас-штабных процессов в атмосфере городов Иркутска и Братска, в основе которой применены уравнения гидротермодинамики, выражающие основные законы сохранения энергии и импульса массы. В систему дифференциальных уравнений нестационарной трехмерной нелинейной модели включены уравнения движения, уравнение неразрывности, уравнение тепла, уравнение состояния, уравнение баланса кинетической энергии турбулентности, скорости диссипации турбулентной энергии, соотношение Колмогорова и соотношение Смагорийского. Однако адекватность модели вызывает сомнения, так как на перекрестках городской дорожно-транспортной сети взаимодействуют четыре разнонаправленных направления движения автотранспортных потоков с взаимно исключающими тенденциями. Это приводит к усилению процессов перемешивания, взвешивания и рециркуляции ВВ и их преобладанию над процессами рассеивания, разбавления и осмотической диффузии газовой многокомпонентной смеси ВВ с различной молярной массой.
При разработке математической модели для устранения недостатков предыдущих разработок автором статьи использовался комплекс из 11 факторов, влияющих на концентрации ВВ в контрольной точке конкретного перекрёстка внутригородских автомагистралей 2-3 категории:
1) количество автомобилей в автотранспортном потоке, проезжающих через контрольную точку, ед./ч;
2) средняя скорость автотранспортного потока в городских условиях, км/ч;
3) техническое состояние АТС, в том числе его экологический класс;
4) качество моторных масел, топлива (состав и концентрации примесей) и их влияние на состав автомобильного выхлопа;
5) химический состав шин и их влияние на продукты износа шин, выделяющиеся при торможении и контакте с дорожным покрытием;
6) качество дорожного покрытия и влияние испарений из асфальта, в том числе коэффициент износа дорожного покрытия;
7) влияние замазучивающих накоплений (наслоений) на дорожном покрытии автомобильных дорог на загрязнение приземного слоя атмосферы;
8) местные метеоусловия (средние скорости местных ветров, м/с; периодичность выпадения осадков, перепады температур);
9) сезонные и суточные изменения состава загрязнений приземного слоя атмосферы городов за счёт выбросов предприятий;
10) адекватность экологического контроля состояния приземного слоя атмосферы внутригородских дорог (индикаторы загрязнения, методы отбора проб, методы анализа состава пробы и оценки суммарной токсичности);
11) дополнительные выбросы ВВ, связанные с остановками, работой на холостом ходу и последующим разгоном АТС.
Обобщающим показателем влияния этих факторов является суммарная фактическая концентрация ВВ, полученная в наиболее представительных точках приземного слоя атмосферы конкретного города.
Принимая во внимание представленные факторы, а также изменение массы выбросов ВВ от параметров автотранспортного потока, автором получены зависимости для определения массы ВВ от каждого источника выбросов.
Массу ВВ в продуктах износа шин от автотранспортного потока (Мшн шин, г) предложено определять по формуле:
М„знпшн= т^,, -М^ -к^, (1),
где тшин - удельный выброс ВВ продуктов износа шин на участке 100 м (тшин=0,01 г/т; величина удельного выброса получена на основе имеющихся литературных источников); Мпоток - масса автотранспортного потока, т; ^ шин - поправочный коэффициент изменения массы выброса продуктов износа шин с учётом средней скорости потока V (^=-6,55-10-5Г2 + 1,49).
Массу ВВ из топливных испарений от автотранспортного потока (Мтопл. исп., г) можно определить по формуле:
Мтопл исп = тисп -мп(т)к, (2),
где тисп - удельные топливные испарения на участке 100 м (тисп = 0,45-10-3, г/т для теплого периода; тисп = 0,60-10-4, г/т для холодного периода).
Однако массу ВВ из топливных испарений необходимо учитывать только для устаревших АТС с бензиновыми двигателям (например, величина топливных испарений из системы питания грузового автомобиля типа ЗИЛ-130 достигает 1,2-1,5 л в сутки). На современных АТС устанавливаются системы улавливания топливных испарений (EVAP), которые аккумулируют скапливающиеся в системе питания за время стоянки автомобиля топливные испарения и обеспечивают вывод их во впускной тракт для сжигания в процессе нормального функционирования двигателя.
Массу ВВ в продуктах износа дорожного покрытия от автотранспортного потока (Мшн. дор покр, г) предложено определить по формуле:
Мизн. дор покр = тдор покр - Мпоток - кУД1, (3),
где тдор П0Кр - удельный выброс продуктов износа дорожного покрытия на участке 100 м (тдор покр = 0,06 г/т); кудп. - поправочный коэффициент изменения массы выбросов продуктов износа дорожного покрытия с учётом средней скорости потока и типа покрышек (кудп. = 1,01+1,66е-0 06у - с использованием нешипованных покрышек (летний период); кудп = 0,07у -с использованием шипованных покрышек (зимний период) при у>15 км/ч).
Массу ВВ в продуктах износа тормозных колодок от автотранспортного потока (М шн тормкол., г) рассчитывали по формуле 4.
Мизн ТОРМ.КОЛ. = П1ИЗН.Т.К. -Мпоток •^ущ» (4),
где Щвн ^ - удельный выброс продуктов износа тормозных колодок на участке 100 м (т^ = 1,40-10-3 г/т); к™. - поправочный коэффициент изменения массы продуктов износа тормозной системы с учётом средней скорости потока (кутк = 3,12е-002у).
Установленные закономерности изменения массы выбросов ВВ продуктов износа шин, тормозных колодок, дорожного покрытия, топливных испарений от интенсивности, средней скорости и массы АТС (рисунки 3-5) позволяют вести учёт количества ВВ, поступающих в приземный слой атмосферы автомобильных дорог при эксплуатации АТС на урбанизированной территории, а также комплексно оценить экологическую опасность автотранспортных потоков.
Наиболее значимым источником ВВ, поступающих в окружающую среду при эксплуатации АТС, остаются ОГ двигателя автомобиля. Для достоверной оценки выбросов ВВ, накапливающихся в приземном слое атмосферы в процессе маневрирования автотранспортного средства в городских условиях, количественный анализ ОГ необходимо проводить, сохраняя неизменность их состава.
0,221 '__0,217 0,211 0,203
0,193 0Д81 0,167
0,133
0,078
0,075 0,035
0,076
0,074
0,071 °'068
0
Шз ^U'ii
°l07L 0,069 оп" .......
0,034 ^033 0,032^0_ °^28
0,031 (Ц)30 О9)28 ~
0,047
025" ДДы
024 0,045 021 020
,0,009 0,008
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Средняя скорость АТС, км/ч
■ 1,4 т ВАЗ 2114 (кат. М1) —■ - 3,3 т ГАЭ-32213 (кат. М2)
■ 7,6 т ПАЗ-3205 (кат. МЗ) —♦ • 3,5 т ГАЗ-3302 (кат. N1) • 7,9 т ГАЗ 3309 (кат. N2) • 22,4 т КАМАЗ 55111 (кат. N3)
Рисунок 3. Зависимость изменения массы выбросов ВВ из продуктов износа шин от скорости АТС
&
о в о
1ч
о
о &
и ä U
0
1
3
о &
m m
cd
3,00
2,50
2,00
1,50
• 2,807
Щ.2,224
ЧЦ891 1,593
0,990 1,531 ^ 1,475 1,463
0,00
°'562 0,540 0,527 0.520 0,516
<МТГ ^¡ftg .^9^66^490^239 %?34
♦-- У7° cgsi IftM
1Б олДб
0,175 0,139 M?
—1Ш5-с^азс
0,100 , 0,096 , 0,093
,217
0,216
10 20 30 40 50 60 Средняя скорость АТС, юн/ч
70
0,092 80
0,091 90
■ 1,4 т ВАЗ 2114 (кат. М1) ■7,6 т ПАЗ-3205 (кат. МЗ) ■7,9 т ГАЗ 3309 (кат. N2)
-3,3 т ГАЭ-32213 (кат. М2) • 3,5 т ГАЭ-3302 (кат. N1) — 22,4 т КАМАЗ 55111 (кат. N3)
Рисунок 4. Зависимость изменения массы выбросов ВВ в результате износа дорожного покрытия от скорости АТС
м
о g
!
X
m □
2 £
се и о и
о &
Я И
30 40 50 60 Средняя скорость АТС, км/ч
ÜJ02 <ДОЛ 70 80 90
0,022
0,008
ШТС7 0,003
0,003
■1,4т ВАЗ 2114 (кат. М1) ■7,6т ПАЗ-3205 (кат. МЗ) •7,9т ГАЗ 3309 (кат. N2)
- 3,3 т ГАЭ-32213 (кат. М2) • 3,5 т ГАЭ-3302 (кат. N1) — 22,4 т КАМАЗ 55111 (кат. N3)
Рисунок 5. Зависимость изменения массы выбросов ВВ из продуктов износа тормозных колодок от скорости АТС
Для этой цели разработаны методические основы экологического мониторинга автотранспортных потоков, базирующиеся на применении новых пробоотборных устройств (патент РФ № 2527980, № 2519405), позволяющих оценить экологическую опасность и техническое состояние АТС по составу газовой составляющей и конденсата ОГ двигателя автомобиля в процессе маневрирования АТС в городских условиях.
Применение пробоотборных устройств позволило установить зависимость для определения массы ВВ ОГ двигателя автомобиля (МОГ дВС, г):
Мог две -тог -М™ -kTi -kTOr, (5),
где щ,г - удельный выброс ОГ ДВС на участке 100 м (тог = 11,30 г/т); kv0r - поправочный коэффициент изменения массы выброса ОГ ДВС от средней скорости потока v (¿vor = (0,14+0,04|v-64,95|°'89; kTi -поправочный коэффициент, учитывающий влияние технического состояния автомобилей на массовый выброс i-го загрязняющего вещества [2].
Полученная зависимость позволила установить изменение массы ВВ в ОГ ДВС для АТС различных категорий с учётом их скорости (рисунок 6).
Средняя скорость АТС км/ч
■ 1,4 т ВАЗ 2114 (кат. М1) —■ -3,3 тГАЗ-32213 (кат. М2)
■ 7,6 т ПАЗ-3205 (кат. МЗ) —» • 3,5 т ГАЭ-3302 (кат. N1) • 7,9 т ГАЗ 3309 (кат. N2) —•— 22,4 т КАМАЗ 55111 (кат. N3)
Рисунок 6. Зависимость изменения массы выбросов ВВ в ОГ от скорости АТС
Таким образом, для проведения экологического мониторинга автотранспортных потоков разработана математическая модель (6) оценки массового выброса ВВ с учётом средней скорости (у, км/ч) и суммарной максимальной массы АТС, находящихся в этом потоке (Мпоток, т) без учёта рассеивания ВВ.
м
ВВ авт.поток
= 11,30МП(Ш)1[ -кГ1 -(0,14 + 0,04 I v-64,95 |°'89) +
+ 0,01 Мп<ш„. (-6,55 -10"5v2 +1,49) + 0,45 •10_3М„
(6).
-0,02v
+ 0,06МПОГОК -(1,01 + 1,66е ' ) +1,40 -10 М11оток .3,12е
Общий вид математической модели (7) оценки загрязнения приземного слоя атмосферы на перекрёстках автомобильных дорог позволяет определить предполагаемую концентрацию ВВ с учётом не только массового выброса ВВ от автотранспортного потока (6), но и массы асфальтовых испарений, остаточных выбросов промышленных
предприятий, эффектов рециркуляции (крец), рассеивания (крас), а также метеорологических параметров, оказывающих непосредственное влияние на процессы накопления токсичных веществ в объеме приземного слоя атмосферы участков улично-до-рожной сети (УДС). Причём учтены только те ВВ, которые способны накапливаться в приземном слое атмосферы автомобильных дорог.
^ = , [(Мог ДВС — Млетуч-вв) Мизд пп^ + Мтога1 исп +
^ (7),
^^изнлор.покр. ^изн.кол ^-асф.исп. ^ттром.пред]
где крец. - коэффициент рециркуляции; крас. - коэффициент рассеивания; Масф. исп. - масса асфальтовых испарений, г; Мпром. пред. - остаточные выбросы промышленных предприятий, г; V - объём контролируемого участка УДС, м3.
С учётом установленных зависимостей изменения массы ВВ от факторов загрязнения, приведённых выше, математическая модель (7) примет вид:
с =
(11.30-M._-*,, -(0Д4+0,04| V-64,9510'89)) "М^ввНО.ОМ^-б^-Ш'у2+1,49)+
(8).
+0,45-10г3Мпога.+ 0,06 ■ М^,-(1,01+1,66е~0,06") + +1.40-10-3М_-3,12е0'021'+М^4„п+Мпроичв1. J
Разработанная модель относится к статическим полуэмпирическим моделям, в которой параметры влияния автотранспортного потока усредняются за определенный интервал времени на основе априорной параметризации условий переноса и рассеивания примесей на контрольном участке УДС. Концептуальная особенность этой модели состоит в возможности учета количественных зависимостей большинства факторов, влияющих на концентрации ВВ в контрольной точке и зависящих от суммарной массы автотранспортного потока.
Выводы:
1. В практике математического моделирования и количественной оценки выбросов ВВ автотранспортного потока учитываются только выбросы ОГ двигателей автомобилей, что не позволяет получить полного представления о реальной степени загрязнения приземного слоя атмосферы городов, в котором постоянно накапливаются и диффундируют токсичные вещества, состоящие из продуктов износа узлов и агрегатов автомобиля, а также дорожного покрытия.
2. Разработанные математические модели оценки степени загрязнения приземного слоя атмосферы на перекрёстках и линейных участках позволяют учитывать массу ВВ из состава ОГ двигателя автомобиля, продуктов износа узлов и агрегатов автомобиля, дорожного покрытия, топливных и ас-
фальтовых испарений, влияющих на концентрации ВВ приземного слоя атмосферы с учётом климатических условий, эффектов рассеивания, рециркуляции, а также параметров автотранспортных потоков.
3. Применение разработанных моделей позволяет определить величину основной экологической опасности от эмиссии ВВ автотранспортного потока, а также управлять параметрами транспортного потока для прогнозирования концентраций ВВ, способных накапливаться в приземном слое автомобильных дорог.
4. Исходными данными для расчета выбросов автотранспорта послужили результаты натурных исследований структуры и интенсивности автотранспортных потоков с их разделением по основным группам АТС.
5. Поправочные коэффициенты выбросов ВВ представляют собой усредненные для рассматриваемых групп автомобилей значения удельных выбросов ВВ, рассчитанные при их движении на различных УДС.
6. Полученные с помощью математической модели величины выбросов автотранспортных потоков на городских автомобильных дорогах могут применяться для сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха города (региона), а также для оценки степени негативного воздействия выбросов автотранспортных потоков на действующих и проектируемых автомобильных дорогах различной категории.
7. Повышение адекватности разработанных математических моделей оценки степени загрязнения приземного слоя атмосферы на перекрёстках и линейных участках УДС требует более детального изучения факторов, влияющих на состав и концентрации ВВ.
Литература
1. Аргучинцева, А.В. Оценка загрязнения воздушной среды городов автотранспортом - [Электронный ресурс] / А.В. Аргучинцева, В.К Аргучинцев, О.В. Лазарь. - Режим доступа: http://www.izdatgeo.ru/pdf/ gipr72009-17131.pdf - (дата обращения: 26.06.2016).
2. Бондаренко, Е.В. Дорожно-транспортная экология: учеб. пособие для вузов / Е.В. Бондаренко, Г.П. Дворников; М-во образования Рос. Федерации, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Оренбург. гос. ун-т», Каф. экологии и природопользования. - Оренбург: ГОУ ОГУ - 2004. - 113 с.
3. В Мосгордуме задумались о запрете автомобилей старше 15 лет - [Электронный ресурс] / РосБизнесКонсалтинг. - Режим доступа: http://www.autonews.ru/automarket_news/news/1812745/?utm_ source=Medialand&utm_medium=banner&utm_content=268393&utm_campaign=745697 - (дата обращения: 30.06.2016).
4. Вольнов, А.С. О системном подходе к оценке влияния автотранспортных средств в процессе эксплуатации на экологию городов / А.С. Вольнов, Л.Н. Третьяк // Вестник Оренб. Гос. Ун-та. - 2014. -№ 1. - С. 161-166.
5. Гудков, В.А. Безопасность транспортных средств (автомобили) / В.А. Гудков, и др. // учебное пособие для вузов. - Москва: Горячая линия - Телеком. - 2010. - 431 с.
6. Для водителей старых автомобилей готовят суровый штраф - [Электронный ресурс] / «Вести» интернет-газета». - Режим доступа: http://auto.vesti.ru/news/show/news_id/653784/ccl_id/24/ - (дата обращения: 30.06.2016).
7. Животова, Е.О. Анализ влияния автомобильного транспорта на окружающую среду региона и мероприятия по снижению /Е.О Животова, Б.К. Жумашева // Прогрессивные технологии в транспортных системах: сборник материалов IX Российской НПК (26-27 ноября 2009 г). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ. - 2009. - С. 92-102.
8. Коротков, М.В. Оценка экологической опасности выбросов вредных веществ от автомобильного транспорта (на примере г. Оренбурга) / М.В. Коротков, А.И. Байтелова, О.В. Чекмарёва // Экологические системы и приборы. - 2008. - № 2. - С. 26-30.
9. Методика определения выбросов автотранспорта для сведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов - [Электронный ресурс] / [Утверждена Приказом Госкомэкологии России № 66 от 16 февраля 1999 года] - Режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/Metodikaopredeleniyavybro.html - (дата обращения: 26.06.2016).
10. Методика расчетов выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях - [Электронный ресурс] / [Утверждена Министерством Транспорта РФ, Москва, 1997 г.] -Режим доступа: http://files.stroyinf.rU/Index2/1/4293839/4293839444.htm. - (дата обращения: 26.06.2016).
11. Методические указания по расчету выброса вредных веществ автомобильным транспортом - [Электронный ресурс] / [Утверждены Госкомгидрометом СССР 06.10.1983] - Режим доступа: http://www.complexdoc.ru/ntdpdf/479736/metodicheskie_ukazaniya_po_raschetu_vybrosa_vrednykh_ veshchestv_avtomobilny.pdf - (дата обращения: 29.06.2016).
12. Третьяк, Л.Н. Новые подходы по совершенствованию методов экологического мониторинга автотранспортных потоков/ Л.Н. Третьяк, Е.В. Бондаренко, А.С. Вольнов// Информационные технологии и инновации на транспорте: материалы международной научно-практической конференции. - Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». - 2015. - С. 222-231.
13. Третьяк, Л.Н. Обеспечение экологической безопасности городов от влияния автотранспортного комплекса / Л.Н. Третьяк, А.С. Вольнов, Е.М. Герасимов // Современные концепции научных исследований: сборник статей VII международной научно-практической конференции (г. Москва, 30-31 октября 2014 г.). -2014. - С.152-156.
14. Benson, P.E. A review of the development and application of the CALINE3 and 4 models //Atmospheric Environment. Part B. Urban Atmosphere. - 1992. - I. 26. - Vol. 3. - P. 379-390.
15. Berkowicz, R. Modelling traffic pollution in streets [Электронный ресурс] / R. Berkowicz [et al.] // National Environmental Research Institute, Roskilde, Denmark. - Режим доступа: http://www2.dmu.dk/1_ viden/2_Miljoetilstand/3_luft^4_spredningsmodeller/5_OSPM/5_description/ModellingTrafficPollution_report. pdf - (дата обращения: 20.09.2016).
