О защите информации санитарно-эпидемиологического контроля вредных выбросов авторанспорта Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

О ЗАЩИТЕ ИНФОРМАЦИИ

САНИТАРНО-ЭПИДЕМИОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ АВТОРАНСПОРТА

В.С. Артамонов, доктор военных наук, доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники.

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий. В.Н. Ложкин, доктор технических наук, профессор; О. В. Ложкина, кандидат химических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Приводится методика и новые результаты экспериментально-расчетного исследования загрязнения воздушной среды опасными веществами от автотранспорта. Внимание уделяется вопросам защищенности методики получения информации о концентрациях газообразных веществ и частиц в окрестности автомагистрали путем обоснования численных значений эмиссии загрязнителей для гипотетических групп автомобилей, движущихся по городским магистралям. Приводится сопоставление данных с европейской методикой COPERT.

Ключевые слова: автотранспорт, атмосферный воздух, вредные загрязнения, защита информации

ON DATA PROTECTION OF HARMFUL VEHICLES EMISSIONS DISEASE CONTROL

V.S. Artamonov. EMERCOM of Russia. V.N. Lozhkin; O.V. Lozhkina.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The article gives information about methods and new results of experimental and calculated research of air pollution by dangerous substances from vehicles. The attention is paid to security questions of methods of collection information about gas substances and particles concentration in the highway area by providing justification of numerical values of pollutants emission for hypothetical groups of the vehicles moving on city highways. There is comparison of data with the European COPERT method.

Keywords: vehicles, atmosphere air, harmful pollution, data protection

Расчетные методики оценки загрязнения воздушной среды вредными (загрязняющими) выбросами от автотранспорта [1-3] используют объемную информацию о типаже, возрасте, техническом состоянии эксплуатируемого парка транспортных средств, данных непосредственных наблюдений интенсивностей и структуры автомобильных потоков на транспортных магистралях, а также физических характеристиках рассеяния веществ в стратифицированной атмосфере в окрестности автомагистрали.

Такого рода методические инструменты в своей методологической основе, по сути, носят ярко выраженный междисциплинарный характер, всегда обладают известной оригинальностью и, следовательно, нуждаются в информационной защите. Одновременно

с этим, пользование ими заинтересованными лицами и организациями на коммерческой основе не должно вызывать у последних методических затруднений.

В настоящей статье излагается содержание методологического подхода, реализованного в региональной методике (Северо-Запад Российской Федерации) [1], определяющего порядок расчетной оценки загрязнения воздушной среды автотранспортом, двигающимся по городским магистралям. Вопрос защиты специальной узкопрофессиональной информации решается путем сведения транспортной и метеорологической задачи к экстремальной - неблагоприятные метеорологические условия и «часы пик». При этом численные значения удельных (пробеговых) выбросов вредных (загрязняющих) веществ назначаются для групп транспортных средств, особым оригинальным способом категорированных.

Методология

Окончательной целью расчетного прогноза является выявление на альтернативной сравнительной основе экологической эффективности проверяемых природоохранных мероприятий с позиций обеспечения интересов здоровья населения в условиях экстремальных транспортно-градостроительных и метеорологических ситуаций. Экологическая эффективность устанавливается на основе принятого в Российской Федерации соблюдения предельно допустимых концентраций (ПДКмр) в конкретных местах эксплуатации автотранспорта.

Расчетные оценки производятся с учетом метеорологических факторов, особенностей градостроительства и оформления дороги, ландшафта местности, атмосферного метаболизма химических веществ, взаимодействия последних с подстилающей поверхностью, потребных транспортных объемов движения, фоновых экологических нагрузок, характера отчуждения территории (промышленная, селитебная или рекреационная), состояния здоровья населения, социальной обстановки в регионе и т.д. [3]. Чрезвычайность ситуации определяется максимальной интенсивностью движения автотранспорта в «часы пик» и неблагоприятными метеорологическими факторами (штиль, атмосферные инверсии).

Теоретические закономерности распространения и пространственно-временного распределения загрязняющих примесей в атмосфере в окрестности автомагистрали определяются путем решения уравнения атмосферной диффузии [4]. Это уравнение в частных производных представляет собой математическую формализацию физического закона сохранения потока вещества и в этом смысле дает описание распространения атмосферных примесей от автотранспорта:

- + !«— = 1АК -ад,

ОТ ¿=1 ОХ. г=1 ОХ. ОХ.

где д - рассчитываемая примесь; Х; - координаты примеси, в дальнейшем обозначаются через х, у, г; щ - скорость ветра по х, у, г; К - составляющие средней скорости перемещения примеси и коэффициента обмена, относящиеся к направлениям оси Х; (. = 1, 2, 3); а - коэффициент, определяющий изменение концентрации за счёт атмосферного метаболизма (превращения примеси).

Использование данного подхода математического моделирования турбулентной диффузии, который называют К-теорией [4, 5], совместно с обоснованными упрощениями и эмпирическими уточнениями позволяет оценить значения наибольшей суммарной концентрации вредной примеси из состава отработавших газов См (мг/м3), которые устанавливаются на некоторых расстояниях (Хм) от автомагистрали:

С = ЛМ¥Шц

См н 7/3 , (1)

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (г/с), в случае автотранспортного потока - масса вещества, выбрасываемого группой автомобилей, образующих поток; F - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость гравитационного оседания твердых частиц (пыли) в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность, при расчете рассеивания в атмосфере сажи при работе двигателей передвижных транспортных средств рекомендуется принимать значения параметра F=1; m' - безразмерный коэффициент, равный 0,9; ]- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, ]=1; Н - высота магистрали, как неорганизованного источника выброса над уровнем земли.

Таким образом, транспортные потоки произвольной геометрической конфигурации и распределения интенсивности движения представляются в виде совокупности линейных источников вредных выбросов. Расчеты выполняются по нормативному документу ОНД-86 с помощью расчетного блока информационной системы «Эколог-город-Санкт-Петербург» [1], разработанной с участием авторов.

К метеорологическим характеристикам и коэффициентам, определяющим условия распространения загрязняющих веществ в атмосфере, кроме указанных в формуле (1), были отнесены:

- 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 %.

Методически расчеты загрязнения атмосферного воздуха производятся 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 принимаются ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе, утвержденные Министерством здравоохранения [1]. При этом для каждого ] вещества, выбрасываемого автотранспортом, назначалось требование выполнения соотношения:

С

q =-— < 1,

1 ПДКз

где С - 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 ПДКСС., согласно п. 8.1 ОНД-86, следует проверять выполнение гигиенических требований с помощью проверки условия:

0,1С<ПДКс.с.

Умножив обе части неравенства на 10, можно переписать его в форме:

С<10ПДКс.с.,

или, введя безразмерную характеристику концентрации

q =---< 1.

10 ПДКСС

Расчеты загрязнения атмосферного воздуха проводились по девяти вредным (загрязняющим) веществам, присутствующим в выбросах автотранспорта (табл.) [1].

Таблица. Значения критериев качества атмосферного воздуха для вредных (загрязняющих) веществ, присутствующих в выбросах автотранспорта

Вещество Критерий Значение критерия, мг/м3 Класс опасности

код наименование

1 2 3 4 5

0301 Азота диоксид (Азот (IV) оксид) ПДК м.р. 0,200 2

0304 Азот (II) оксид (Азота оксид) ПДК м.р. 0,400 3

0328 Углерод (Сажа) ПДК м.р. 0,150 3

0330 Сера диоксид (Ангидрид сернистый) ПДК м.р. 0,500 3

0337 Углерод оксид ПДК м.р. 5,000 4

0703 Бенз/а/пирен (3,4-Бензпирен) * 10-4 ПДК с.с. 1,000 1

1325 Формальдегид ПДК м.р. 0,035 2

2704 Бензин (нефтяной, малосернистый) (в пересчете на углерод) ПДК м.р. 5,000 4

2732 Керосин ОБУВ 1,200 -

Для семи веществ таблицы приведены значения предельно допустимой максимально разовой концентрации (ПДКм.р.), для 1 вещества - значения ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ), для 1 вещества среднесуточные ПДКСС [1]. В графе 5 указан класс опасности для веществ, имеющих ПДКм.р. или ПДКс.с.

Выброс г загрязняющего вещества (г/с) движущимся автотранспортным потоком на автодороге (или ее участке) с фиксированной протяженностью Ь (км) определяется по формуле:

Т х

мь =-у мь, ■ ок ■ г¥ '

ь 1200 1 г к гк,'

где МЬ. (г/км) - удельный пробеговый выброс , вредного вещества автомобилями

к категории; х - количество категорий автомобилей; Ок _ фактическая наибольшая интенсивность движения, то есть количество автомобилей каждой из к категорий, проходящих через фиксированное сечение выбранного участка автодороги в единицу времени (20 мин) в обоих направлениях по всем полосам движения; г - поправочный

"к, г

коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока Ук, (км/час) на выбранной автодороге (или ее участке); Ь (км) - протяженность автодороги (или ее участка).

В такой общей постановке решения задачи далее,

- реальные выбросы автотранспорта заменялись гипотетическими выбросами, определяемыми расчетным путем на основе моделирования типажа, структуры и режима движения автомобилей;

- все транспортные средства подразделялись на условные группы, характеризующиеся, в основном, принадлежностью к отечественным или зарубежным моделям; грузоподъемностью и классом (легковые, микроавтобусы и автофургоны, грузовые

двух категорий и автобусы); способу организации рабочего процесса двигателей (с воспламенением от сжатия или от искры); вида применяемого топлива (бензин, дизельное топливо, природный и сжиженный нефтяной газ - для современных условий в Российской Федерации, в связи с ничтожно малым количеством газобаллонных автомобилей, -последнее, пока, неактуально);

- для каждой группы выявлялся «унифицированный» (характерный по массовости использования в Российской Федерации) тип автомобиля, выброс отработавших газов которого характеризовал средний выброс отработавших газов данной группы автомобилей.

Таким образом, масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени, стала определяться для пяти категорий автомобильного транспорта путем суммирования [1].

Оценка удельных пробеговых выбросов вредных (загрязняющих) веществ для выбранных категорий автотранспорта представляет собой весьма сложную и, порою, неопределенную задачу. На данном обстоятельстве следует остановиться подробнее.

В региональной методике [1] используется подход, заключающийся в том, что технические нормативы выбросов вредных веществ, установленные Техническим регламентом по Постановлению Правительства Российской Федерации от 12 октября 2005 г. № 609 - Правила № 83 и № 49 Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН), принимаются в качестве неких базовых значений для категорий автотранспорта, установленных ГОСТ Р 51709-2001, обязательное Приложение А (Правила № 13 ЕЭК ООН).

В дальнейшем эти базовые значения трансформируются и окончательно назначаются экспертным путем, на основе анализа данных стендовых, дорожных и полигонных испытаний автомобильных двигателей и автотранспорта с учетом реального изменения структуры автотранспорта к текущему моменту и аналитического ее прогнозирования в долгосрочной 30-летней временной перспективе [5, 6]. При этом основное внимание уделяется качественному анализу доминирования выше перечисленных факторов, определяющих степень изменчивости реальных условий эксплуатации автотранспорта от неких «идеальных» условий проведения сертификационных испытаний.

Данный методологический подход и соответствующая ему методика оценки выбросов загрязняющих веществ автотранспорта подвергались проверке путем сопоставления расчетных данных с результатами систематических инструментальных наблюдений за качеством атмосферного воздуха стационарными и передвижными городскими станциями (по сведениям Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга, широкое применение методики демонстрировало удовлетворительную сходимость расчетов с данными систематических инструментальных наблюдений стационарными и передвижными станциями за качеством атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге вблизи автомагистралей), а также с данными, получаемыми в сопоставимых условиях при проведении расчетов по европейской методологии СОРЕЯТ, достигнутой хорошей сходимостью [5].

Результаты исследований

При расчете выбросов автотранспорт подразделялся, согласно методике [1], на пять категорий:

- легковые;

- автофургоны и микроавтобусы до 3,5 т;

- грузовые от 3,5 до 12 т;

- грузовые свыше 12 т;

- автобусы свыше 3,5 т.

Расчеты выбросов выполнялись для следующих загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами автомобилей:

- оксид углерода (СО);

- оксиды азота КОХ (в пересчете на диоксид азота);

- углеводороды (СН);

- сажа;

- диоксид серы (802);

- формальдегид;

- бенз(а)пирен.

Для проведения расчетов загрязнения атмосферы в целях учета трансформации оксидов азота в атмосфере осуществлялось разделение оксидов азота на диоксид азота (N02) и оксид азота (N0) [1].

Используемые при расчете выбросов параметры определялись на основе натурных обследований структуры и интенсивности транспортного потока, проведение которых осуществлялось по достаточно простой схеме, не требующей сложного инструментального оснащения и продолжительного обучения.

В качестве примера на рисунке представлены результаты расчетов максимальных приземных концентраций диоксида азота, отнесённые к ПДКМР, равной 0,2 мг/м3 на одном из участков кольцевой автомобильной дороги (КАД) вокруг Санкт-Петербурга.

Расчеты показали, что при неблагоприятных метеорологических условиях и интенсивностях движения автомобилей, характерных для «часов пик», вероятно существенное превышение концентраций диоксида азота NО2.

Из анализа карты загрязнения воздушной среды NО2 на КАД Санкт-Петербурга можно сделать следующие выводы.

1. Несмотря на регистрируемые в последние годы тенденции существенного сближения структуры и технического состояния автотранспорта в Санкт-Петербурге с городами стран Евросоюза, при неблагоприятных метеорологических условиях и интенсивностях движения, характерных для «часов пик», вероятно существенное (до двух-трех раз) превышение концентраций диоксида азота NО2 относительно ПДКМР (по NО2) в примыкающих к КАД Санкт-Петербурга районах ближайших жилых застроек.

2. Основными причинами такого неблагополучия проживания населения в Санкт-Петербурге в окрестности КАД являются небывалый рост численности автомобилей при пока сохраняющемся отставании технического состояния грузового транспорта и качества применяемого топлива от требований европейских стандартов [5, 6].

Рис. Карта вероятного загрязнения атмосферы NО2 в окрестности Восточного участка КАД Санкт-Петербурга (от Мурманского шоссе до пр. Косыгина)

Литература

1. Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга (утв. Распоряжением Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга от 17 февр. 2012 г. № 23-р). Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».

2. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculation models // Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D». 2015. № 36. P. 178-189.

3. Ложкин В.Н., Ложкина О.В. Управление экологической безопасностью автомобильного транспорта: монография. Germany, 2011. 195 с.

4. 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. SPb., 1992, V. l. Р. 105-121.

5. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculating models. The study was carried out as a part of the project. Air Quality Governance in the ENPI East Countries. 2011-2014. funded by the European Union. URL: http//: www.airgovernance.eu. (дата обращения: 10.02.2016).

6. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Results of haromonization of russian vehicle emission standards with eu directives at the example of Saint-Petersburg: International symposium «Environmental and engineering aspects for sustainable living». Gannover, 2014. P. 101-103.

References

1. Metodika opredelenija vybrosov vrednyh (zagrjaznjajushhih) veshhestv v atmosfernyj vozduh ot avtotransportnyh potokov, dvizhushhihsja po avtomagistraljam Sankt-Peterburga (utv. Rasporjazheniem Komiteta po prirodopol'zovaniju, ohrane okruzhajushhej sredy i obespecheniju jekologicheskoj bezopasnosti pravitel'stva Sankt-Peterburga ot 17 fevr. 2012 g. № 23-r). [Methods of determining the emissions of harmful (polluting) substances in atmospheric air from the vehicles flows, moving on motorways of St. Petersburg (app. Order of the Committee for Nature Use, Environmental Protection and Ecological Safety of St. Petersburg Government on 17 February 2012 number 23-p)]. (In Russ.).

2. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculation models // Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D». 2015. № 36. P. 178-189.

3. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Management of ecological safety of road transport: a monograph. Germany, 2011. 195 p.

4. 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. SPb., 1992, V. l. Р. 105-121.

5. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculating models. The study was carried out as a part of the project. Air Quality Governance in the ENPI East Countries. 2011-2014. funded by the European Union. URL: http//: www.airgovernance.eu.

6. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Results of haromonization of russian vehicle emission standards with EU directives at the example of Saint-Petersburg: International symposium «Environmental and engineering aspects for sustainable living». Gannover, 2014. P. 101-103.