CC BY
14РАСЧЕТ ОПАСНОСТИ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ НА АВТОМАГИСТРАЛИ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ СПОСОБОМ
Н.В. Невмержицкий, кандидат технических наук; С.В. Воронин, кандидат технических наук, доцент; И.Л. Скрипник, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Проводится анализ автотранспорта, как источника загрязнения воздуха взвешенными частицами на основе расчетного метода мониторинга окружающей среды крупных автомагистралей и рядом находящихся с ними населенных пунктов. Проведенный расчет позволит оценить экологическую обстановку и разработать комплекс организационно-технических мероприятий по снижению загрязнения воздуха.
Ключевые слова: автотранспортное средство, вредные вещества, предельно-допустимая концентрация, частицы РМ-10, РМ-2,5, взвешенные частицы, автомагистраль
THE CALCULATION OF RISK WEIGHTED PARTICLES ON THE HIGHWAY THEORETICAL AND EXPERIMENTALLY
N.V. Nevmerzhitsky; S.V. Voronin; I.L. Skrypnyk.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The analysis of motor transport as a source of air pollution by suspended particles on the basis of the calculation method of environmental monitoring of major highways and nearby settlements is carried out. The calculation will assess the environmental situation and develop a set of organizational and technical measures to reduce air pollution.
Keywords: motor vehicle, harmful substances, maximum permissible concentration, particles PM-10, PM-2,5, suspended particles, highway
Вопросы вредного воздействия отработанных веществ (газов) на крупных автомагистралях приобретают актуальное значение. Это связано с повышением числа автотранспортных средств (АТС), особенно в крупных городах.
Атмосфера загрязняется не только отработавшими газами, но и взвешенными частицами (ВЧ), образующимися в результате движения автомобилей по автомагистралям [1].
Они имеют разное химическое происхождение и состав, поэтому для удобства классификации и расчета наносимого ими вреда их различают по размеру фракции. Самыми опасными являются ВЧ с размером РМ-10 и менее. В табл. 1 представлены их характеристики.
Для определения среднего значения содержания ВЧ в воздухе в Российской Федерации берутся результаты измерений в течение 20 мин. Этого вполне хватает для получения экспериментальных данных.
Проведенные исследования во многих крупных городах показывают, что ВЧ оказывают негативное воздействие на здоровье людей. Они имеют малый диаметр и проникают в торакальный отдел дыхательной системы, что приводит к развитию респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, обострению астмы, возникновению рака легких. Наиболее уязвимыми являются люди пожилого возраста и дети [2], поэтому снижение воздействия загрязненного воздуха на здоровье человека имеет первостепенное
значение. Необходимо совершенствовать процедуры мониторинга воздействия ВЧ на население в окрестностях крупных городов и автомагистралей.
Данные инструменты помогут оперативным службам быстро реагировать на сложившуюся экологическую ситуацию [3].
Для этого необходимо определить параметры источника ВЧ, образуемых при движении АТС, разработать математические модели, позволяющие получить информацию о превышении предельно допустимых концентраций (ПДК) опасных ВЧ.
Таблица 1. Характеристики ВЧ
Вещество (ВЧ) Время осреднения (ПДК) [мг/м3]
Россия США Евросоюз
ВЧ РМ-10 20 мин 0,3 - -
24 ч 0,060 0,150 (ПДК < 1 раза за 3 года) 0,050 (ПДК < 35 раз в течение года)
1 год 0,040 - 0,040
ВЧ РМ-2,5 20 мин 0,16 - -
24 ч 0,035 0,035 (98 % за 3 года) -
1 год 0,025 0,015 (средняя за 3 года) 0,025
На основе экспериментальных исследований распространения ВЧ можно спрогнозировать их дальнейшее поведение. Для этого используется теория атмосферной диффузии (уравнения турбулентной диффузии). Задача прогноза загрязнения воздуха может быть решена при исходных заданных начальных и граничных условиях с помощью дифференциального неоднородного уравнения.
Данная модель предусматривает загрязнение атмосферы от точечного, линейного, площадного источников. Также ее целесообразно применять и для маломощных источников образования ВЧ (выбросы от движения АТС).
По характерным размерам атмосферные движения делятся на три вида: крупномасштабные (циркуляция атмосферы); среднемасштабные (бризы, грозовые воздействия); локальные (местные влияния топографии и др.). Представленные материалы относятся к решению локальных задач [4].
Исходными данными для решения локальных задач рассматриваемого источника образования ВЧ являются:
- площадь поверхности образования ВЧ на автомагистрали (м2);
- продолжительность (эпизод) выделения ВЧ (с);
- плотность ВЧ в воздухе (г/см3);
- скорость ветра (м/с);
- плотность выпадения ВЧ в окрестностях автомагистралей (г/м2);
- радиус ВЧ (мкм) и др.
Дорожное полотно во время движения, ремонта дороги является источником непрерывной генерации ВЧ. Они формируются при соприкосновении колеса с дорогой и истирании дорожного полотна. Внутри потока движущихся АТС постоянно действуют турбулентные и вихревые воздушные потоки. Вынос ВЧ происходит с автомагистрали на жилые дома. Суммарная мощность ВЧ на автомагистрали складывается из всех источников поступления (истирание колодок, дорожного полотна, шин АТС, твердых ВЧ, антигололедных реагентов, сажи АТС) [5].
Все эти элементы имеют разные размеры, но большая их часть находится в диапазоне от 2,5 до 40 мкм, что позволяет с легкостью обходить защитные свойства организма и попадать внутрь, тем самым нанося непоправимый вред здоровью человека. Наиболее опасны мелкие частицы сажи, которые адсорбируют молекулы бенз(а)пирена и являются опасным канцерогенным и мутагенным веществом.
Методика решения локальной задачи предназначена для всех инициаторов ВЧ для автомагистралей городов, позволяет рассчитывать скорости их гравитационного оседания в воздухе для соответствующих размеров частиц [5, 6].
По полученным данных экспериментов о плотностях выпадений частиц за время tпА на разном удалении от источника можно определить их концентрацию в воздухе.
Затем рассчитать значение суммарной массы частиц различных фракций и среднюю удельную сдуваемость ВЧ.
Для определения суммарной концентрации примеси ВЧ, а также параметров источника образования ВЧ выбран конкретный участок КАД, проходящий через жилые застройки, выбранный как наиболее неблагоприятный с точки зрения экологической ситуации [6].
На этом участке дороги средняя интенсивность движения в часы большого скопления АТС для легковых машин составляет 70 %, для грузовых машин 50 %, от максимально разрешенной скорости. Величина выбросов ВЧ дифференцирована по легковым и грузовым автомобилям и определяется природой их образования. В табл. 2 был произведен перерасчет выбросов грамм в секунду для последующего расчета концентраций [6].
Таблица 2. Характеристики источников ВЧ
Тип АТС Средняя скорость при движении на КАД в часы пик Итого
легковые 80 км/ч грузовые 50 км/ч
Скорость проезда 1 км 45,04 сек. 72 сек.
Источник Скорость выбросов гр/с Скорость выбросов гр/с
Тормозные колодки 3,5524^ 10-5 0,000125 0,000160524
Выхлопные газы 0,000452931 0,001652778 0,002105709
Вторичное вовлечение пыли 0,00062167 0,002222222 0,002843892
Итого 0,001110124 0,004 0,001022025*
* Итоговая скорость выброса ВЧ скорректирована под рассматриваемый участок дороги
Участок автомагистрали как источник образования ВЧ имеет следующие размеры: ширина проезжей части составляет 14,8 м длина 200 м (рис. 1).
Рис. 1. Участок автомагистрали
Определяется расход образования ВЧ, опасная скорость ветра и находится наибольшая суммарная концентрация ВЧ (табл. 3).
Таблица 3. Значения ВЧ
Обозначение Значения Ед. изм.
Ca 0,102950537 мг/м3
A 180 -
M 0,005110124 г/с
F 1 —
m 1,452805828 -
Ч 1 —
H 3 м
Исследования осуществлялись в период с августа 2017 г. по май 2018 г. Измерялась концентрация общего количества ВЧ размером РМ-10 гравиметрическим методом с использованием комбинированного полуавтоматического пылемера (рис. 2).
0,6--
вГ ■ ТБР
Р
о Ш РМ10
| 0,5--
21.08.17 г. 22.08.17 г. 14.09.17 г. 17.09.17 г. 21.09.17 г. 27.09.17 г. 17.04.18 г. 17.05.18 г.
_Дата отбора
Рис. 2. Концентрации общего количества твердых взвешенных веществ (Т8Р) и мелкодисперсных частиц РМ-10 в воздухе около КАД
Погрешность измерительного и расчетного метода составляет менее 10 %. Она не будет значительно влиять на решение большинства практических задач. Поэтому данный метод можно применять для решения локальных задач по определению массы ВЧ РМ 10. При этом есть возможность получать исходные данные в дистанционном режиме. Такие как скорость потока АТС, соотношение грузового и легкового транспорта, скорость ветра, плотность застройки и др.
Экспериментальные данные, представленные на рис. 1, показывают, что при решении обратной задачи приведенным методом можно определить зависимость суммарной
концентрации ВЧ РМ-10 и массы вредного вещества (ВЧ), выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (табл. 4, рис. 3).
Таблица 4. Значения ВЧ
№ эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8
Концентрация ВЧ в воздухе, Са, мг/м3 0,09 0,11 0,1 0,13 0,12 0,08 0,07 0,145
Мощность источников в единицу времени, М, г/с 0,004467 0,00546 0,004964 0,006453 0,005956 0,003971 0,003475 0,007197
Рис. 3. Зависимость модности источников за единицу времени от числа экспериментов
В настоящее время решение локальной задачи для определения характеристик образования ВЧ на автомагистралях является актуальной. ВЧ РМю и РМ25 считаются одним из опасных видов загрязнения воздуха. Учет источников их образования ВЧ и расчитанные характеристики помогут спрогнозировать распространение опасной концентрации ВЧ в населенных пунктах, находящихся вблизи автомагистралей.
Литература
1. Савельев Д.В., Скрипник И.Л. Вопросы контроля параметров двигателя внутреннего сгорания // Фундаментальные и прикладные разработки в области технических и физико-математических наук: сб. науч. статей по итогам работы V Междунар. «круглого стола». Казань: ООО «Конверт», 2018. С. 22-24.
2. Савельев Д.В., Скрипник И.Л., Воронин С.В. Экологическая обстановка в мегаполисах и ее влияние на уровень здоровья молодых людей // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. 2018. Т. 23. № 3. С. 61-64.
3. Савельев Д.В., Скрипник И.Л., Воронин С.В. Обеспечение безопасности населения от воздействия опасных экологических факторов и используемые при этом средства
защиты // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. 2018. Т. 23. № 3. С. 53-57.
4. Савельев Д.В., Скрипник И.Л. Технические решения в двигателе внутреннего сгорания, улучшающие экологическую обстановку // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. 2018. Т. 24. № 4. С. 35-39.
5. Ложкин В.Н., Грешных А.А., Ложкина О.В. Автомобиль и окружающая среда. Автомобильный транспорт как источник загрязнения воздушной среды. Проблемы и решения: справ.-метод. пособие. СПб.: НПК «Атмосфера», 2007.
6. Невмержицкий Н.В. Методика оценки и прогнозирования экстремального загрязнения воздуха на автомагистралях мелкодисперсными взвешенными частицами PM10 и PM25: дис. ... канд. тех. наук. М., 2017. 155 с.
References
1. Savel'ev D.V., Skripnik I.L. Voprosy kontrolya parametrov dvigatelya vnutrennego sgoraniya // Fundamental'nye i prikladnye razrabotki v oblasti tekhnicheskih i fiziko-matematicheskih nauk: sb. nauch. statej po itogam raboty V Mezhdunar. «kruglogo stola». Kazan':
000 «Konvert», 2018. S. 22-24.
2. Savel'ev D.V., Skripnik I.L., Voronin S.V. Ekologicheskaya obstanovka v megapolisah
1 ee vliyanie na uroven' zdorov'ya molodyh lyudej // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekologii i bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti. 2018. T. 23. № 3. S. 61-64.
3. Savel'ev D.V., Skripnik I.L., Voronin S.V. Obespechenie bezopasnosti naseleniya ot vozdejstviya opasnyh ekologicheskih faktorov i ispol'zuemye pri etom sredstva zashchity // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekologii i bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti. 2018. T. 23. № 3. S. 53-57.
4. Savel'ev D.V., Skripnik I.L. Tekhnicheskie resheniya v dvigatele vnutrennego sgoraniya, uluchshayushchie ekologicheskuyu obstanovku // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekologii i bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti. 2018. T. 24. № 4. S. 35-39.
5. Lozhkin V.N., Greshnyh A.A., Lozhkina O.V. Avtomobil' i okruzhayushchaya sreda. Avtomobil'nyj transport kak istochnik zagryazneniya vozdushnoj sredy. Problemy i resheniya: sprav.-metod. posobie. SPb.: NPK «Atmosfera», 2007.
6. Nevmerzhickij N.V. Metodika ocenki i prognozirovaniya ekstremal'nogo zagryazneniya vozduha na avtomagistralyah melkodispersnymi vzveshennymi chasticami PM10 i PM2.5: dis. ... kand. tekh. nauk. M., 2017. 155 s.
