Научная статья на тему 'Расчетно-теоретический анализ экологических факторов в г. Архангельске'

Расчетно-теоретический анализ экологических факторов в г. Архангельске Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
100
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРАНСПОРТНЫЕ ПОТОКИ / ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА / ОТРАБОТАВШИЕ ГАЗЫ АВТОМОБИЛЕЙ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Картошкин А.П., Сысоева А.В.

А.П. Картошкин, А.В. Сысоева Расчетно-теоретический анализ экологических факторов в г. Архангельске Транспортные потоки, окружающая среда, отработавшие газы автомобилей В статье рассматриваются вопросы влияния метеорологических факторов и возрастающего количества автотранспортных средств на увеличение концентраций загрязняющих веществ.A.P.

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

Kartoshkin, A.V. Sysoeva Theoretical and simulation analysis of environmental factors in Arkhangelsk Traffic flows, environment, exhaust gases of cars The article discusses the influence of meteorological factors and the increasing number of vehicles on the increase in concentrations of pollutants.

Текст научной работы на тему «Расчетно-теоретический анализ экологических факторов в г. Архангельске»

УДК 621.673.47

Доктор техн. наук А.П. КАРТОШКИН (СПбГАУ, akartoshkin@yandex.ru) Аспирант А.В. СЫСОЕВА (Северный Арктический Федеральный Университет, a.sysoeva@narfu.ru)

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИИ АНАЛИЗ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В г. АРХАНГЕЛЬСКЕ

Транспортные потоки, окружающая среда, отработавшие газы автомобилей

В результате анализа исследований [5,6,7] в области влияния метеорологических факторов на экологическую обстановку городов в приоритете ставится вопрос о влиянии температуры окружающего воздуха, скорости ветра и автотранспортного комплекса на увеличение концентрации примесей загрязняющих веществ.

Практически все топливо, сгорающее в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания (ДВС), превращается в теплоту. Учитывая тот факт, что общая мощность работающих в настоящее время ДВС более чем в 5 раз превышает мощность всех электростанций страны, можно оценить, какое количество теплоты поступает в окружающую среду. Всё это приводит к образованию островов теплоты, когда в ночное время температура воздуха в городе может на 10 градусов превышать температуру за пределами мегаполиса [2,4].

Теоретическое влияние температурного фактора на экологическую обстановку в г. Архангельске.

Плотная застройка территории г. Архангельска промышленными и жилыми зданиями приводит к повышению температуры воздуха и появлению городского острова теплоты. Такое явление - результат совмещения множества факторов: микроклиматические изменения, застройка зданиями с зеркальным остеклением, асфальтирование поверхности. Стоит отметить, что наличие острова тепла играет немаловажную роль в ухудшении экологической обстановки городов. В ходе изучения материала была принята расчетная формула [7] для вычисления городского острова теплоты для г. Архангельска (1):

ДГ = 2,01- lgJV- 4,06 q)

где ДТ -температура городского острова теплоты (°С);

N - численность населения г. Архангельска (тыс. чел.)

Для расчета влияния низкотемпературного фактора на экологическую обстановку в г. Архангельске использовались линейные регрессионные модели Витца [5,6] между среднемесячными концентрациями загрязняющих веществ от автотранспорта: углерода (ppm), окислов азота (100 ppm) и метеорологическими факторами (2,3).

Я со = 14,6 +1,3 ■ х - 0,14 ■ у + 0,041 • z - 0,9 * w

окиси

qNO = 48,8 + 8,3 • х - 0,447 • у + 0,16 • z - 4,06 ■ w

5

где х - инверсия температуры (приземная = 1, приподнятая < 1); у - температура окружающего воздуха, (0С); z - количество суток (%) с преобладающими ветрами; w - среднесуточная скорость ветра (м/с).

В результате преобразований и введения расчетного значения городского острова теплоты для г. Архангельска получаем зависимость (4, 5)

qco = 14,6 +1,3 ■ х - 0,14 ■ (0,55 ■ (у + АТ) - 32) + 0,041 ■ z - 0,9 ■ w

(2)

(3)

qNO = 48,8 + 8,3 • х - 0,447 • (0,55 • {у + ДТ) - 32) + ОД 6 • z - 4,06 • w

(4)

(5)

С введением поправок для г. Архангельска с преобладающими ветрами для периодов: осень (сентябрь), зима (январь), весна (март), лето (июль) поправки выбирались в

соответствии со средними скоростями ветра для каждого периода на рассматриваемых загруженных перекрестках. На основании расчета по приведенным уравнениям Витца для г. Архангельска (4, 5) расчетные значения среднесуточных концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта приведены в табл. 1.

Таблица 1. Расчетные значения среднесуточных концентраций загрязняющих веществ от автотранспорта на наиболее загруженных перекрестках г. Архангельска (ppm, 100 ppm)

Перекресток пр. Обводный канал - ул. Урицкого

Среднесуточная концентрация ОГ, ppm, 100ppm Период

январь март июль сентябрь

окислы углерода qCO 2,04 1,84 1,77 1,82

окислы азота qNOx 0,069 0,062 0,062 0,063

Перекресток ул. Тимме - ул. Воскресенская

Среднесуточная концентрация ОГ, ppm, 100ppm Период

январь март июль сентябрь

окислы углерода qTO 1,81 1,79 1,59 1,76

окислы азота qNOx 0,05 0,04 0,04 0,05

Максимальное значение уровня приземной концентрации оксида углерода наблюдалось в январе - 2,04 ppm и 1,81 ppm на обоих загруженных перекрестках,

причиной является отопительный сезон и автотранспортный комплекс [2]. Концентрация окислов азота в воздухе составляла около 0,07 ppm на перекрестке пр. Обводный канал -ул. Урицкого на протяжение всего года, в то время, как на перекрестке ул. Тимме - ул. Воскресенская концентрация составляла в среднем 0,04 ppm. Причиной является интенсификация транспортных потоков.

Теоретическое влияние аэродинамического фактора на экологическую обстановку в г. Архангельске.

Большую опасность для загрязнения атмосферы в городах представляют слабые ветра, что приводит к ситуациям застоя воздуха.

Сложность прогнозов возникает в условиях штиля, когда выброс концентрации и ее рост будет продолжаться длительное время. Наличие приземной инверсии температуры с уменьшением скорости ветра до штиля приводит к затуханию турбулентного обмена. Рассеивание примеси происходит медленнее, что вызывает неблагоприятную экологическую обстановку.

Принимая во внимание все особенности рельефа г. Архангельска, появление инверсий, направление и скорость ветрового потока была принята для расчета эмпирическая модель [7], которая устанавливает связь между загрязнением воздуха основных магистралей токсичными компонентами отработавших газов автомобилей, учитывая параметры транспортных потоков, скорости потока автомобилей и ветрового потока (6):

где N - интенсивность движения АТС, авт./ч; v - скорость потока, км/ч; и - скорость ветрового потока, м/с.

В ходе изучения материала, было принято учитывать воздействие примагистральной

застройки, а именно воздействие на условия рассеивания компонентов загрязняющих веществ от автотранспортных средств, так как, чем плотнее застройка, тем меньше воздуха она пропускает. В исследовании условий воздухообмена на улицах используется единая аэродинамическая характеристика фронтальной застройки, где учитывается этажность и композиция застройки. Для таких расчетов используется формула расчетной концентрации загрязняющего вещества, выбрасываемого автотранспортными средствами (7) [5,6]:

D^QZ

ч =----:—’

и-А (7)

где D - коэффициент, учитывающий влияние этажности примагистральной застройки на турбулентность ветрового потока;

*Р - коэффициент стабильности ветрового потока, учитывающий влияние порывистого ветрового потока и непостоянство направления его на изменение концентраций;

Q - интенсивность выброса загрязняющего вещества от потока автомобилей для расчетного периода с учетом неравномерности их движения, кг/(мс);

Z - комплексный параметр, учитывающий снижение концентрации с удаленностью расчетной точки от линейного источника выброса и условий турбулентности, 1/м;

и - расчетная скорость ветрового потока, м/с;

А - коэффициент ажурности, учитывающий влияние плотности застройки примагистральной территории.

После математических преобразований получим интенсивность выброса загрязняющего вещества от потока автомобилей для расчетного периода с учетом неравномерности их движения (8):

Q = (0,006-Л^-ы - 9\gv-u -0,3-и2 +\7-и)/К, ^

где К - поправочный коэффициент для каждой исследуемой экспериментальной площадки. Коэффициент К учитывает застройку и параметры турбулентности для г. Архангельска.

Расчетные значения интенсивности выброса загрязняющих веществ от потока автомобилей при постоянной скорости ветра для расчетного периода с учетом неравномерности их движения и поправочного коэффициента К для г. Архангельска приведены в табл. 2.

Таблица 2. Расчетные значения интенсивности выброса загрязняющих веществ от потока

автомобилей для г. Архангельска

Экспериментальная площадка Интенсивность выброса CO, ppm Интенсивность выброса ИОх, 100 ppm

Перекресток ул. Тимме -ул. Воскресенская 2,68 0,04

Перекресток проспект Обводный канал - ул. Урицкого 2,90 0,05

С учетом введения поправок на аэродинамический фактор, нами получены теоретические значения интенсивности выбросов загрязняющих веществ. Значения интенсивности выброса концентрации загрязняющих веществ не превысили значения предельно-допустимых концентраций.

Теоретическое влияние выбросов отработавших газов от автомобилей на экологическую обстановку в г. Архангельске.

Количество и степень влияния отработавших газов от автотранспортных средств и влияние их на окружающую среду определяется приземной концентрацией в атмосферном

воздухе. Создание и совершенствование различных моделей прогнозирования базируется на эмпирических зависимостях, которые были получены в результате статистической обработки данных натурных измерений и физического моделирования.

Метод меченых газов [4,5], основывается на определении скорости и направления рассеивания отработавших газов, это позволяет оценивать степень загрязнения окружающего воздуха.

В результате исследований была использована зависимость между интенсивностью движения и пробеговым выбросом отработавших газов (K, г/авт-км) в воздухе около автомагистралей (9):

(9)

где N - интенсивность движения, авт./ч.

Второй подход основывается на использовании основных зависимостей расчета концентраций примесей (q, ppm) от стационарных источников применительно к транспортному потоку [5,6,7] (10):

N' р- К

q =-------,

120 -и (Ю)

где K - пробеговый выброс отработавших газов, г/авт-км;

N - интенсивность транспортного потока, авт./ч; p - плотность транспортного потока, авт./км; и - скорость ветрового потока, м/с.

В результате математических преобразований и использования поправочных коэффициентов получаем зависимость концентрации загрязняющих примесей (q, ppm) от интенсивности и плотности транспортного потока, а также влияние скорости ветрового потока (11):

q =1,275 -p-N^/u ■ 106,

Расчетные значения концентраций загрязняющих примесей для основных перекрестков на экспериментальных площадках с учетом неблагоприятной метеорологической обстановки г. Архангельска приведены в табл. 3.

Т аб лица 3. Расчетные значения концентраций загрязняющих примесей для основных направлений перекрестков на экспериментальных площадках г. Архангельска

Экспериментальная площадка Перекресток проспект Обводный Канал - ул. Урицкого Перекресток ул. Тимме -ул. Воскресенская

Направление движения АТС пр. Обводный канал - ул. Смольный Буян ул. Тимме -пр. Ломоносова ул. Дзержинского -пр. Обводный канал ул. Урицкого -ул. Гагарина

Концентрация загрязняющих веществ, ppm 2,02 0,68 2,4 0,36

Суммарное значение концентрации загрязняющих веществ, ppm 2,70 2,76

Результаты теоретического анализа показывают, что при увеличении транспортного потока на загруженных перекрестках г. Архангельска концентрация окислов азота превышает значения ПДК. В целом экологическая ситуация находится в пределах нормы.

Проведенный расчетно-теоретический анализ показывает, что основным влияющим фактором является аэродинамический фактор, присутствующий во всех расчетных формулах.

Большое значение на увеличение примесей отработавших газов оказывает низкотемпературный фактор и городской остров теплоты, который составляет 7,6 0С. При расчетах наблюдалось превышение концентраций загрязняющих веществ в двух случаях, а также при ветрах с малыми скоростями ветрового потока :

- когда температура воздуха была ниже -120С;

- когда температура воздуха была выше +200С.

В связи с ухудшением экологической обстановки в г. Архангельске потребовалась реализация математической модели прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций на основании метеорологического прогноза в виде программного продукта. Необходимость такого программного продукта позволяетт на основании метеопрогнозов наглядно увидеть экологическую ситуацию в г. Архангельске.

В основу программного продукта «АТМОСФЕРА» (рис.1), свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612931 [3], заложена

математическая модель, выполненная на основании уравнений множественной линейной регрессии. Зависимые факторы представлены концентрациями загрязняющих веществ (окислы азота и оксиды углерода), а независимые - это метеорологические факторы: влажность воздуха, скорость ветра, атмосферное давление и температура окружающего воздуха.

Рис. 1. Программа «АТМОСФЕРА» для прогнозирования концентраций загрязняющих веществ

на исследуемых экспериментальных площадках

Возможности программного продукта «АТМОСФЕРА» позволяют прогнозировать концентрации загрязняющих веществ (оксид углерода, окислы азота) на определенный момент времени, а также осуществлять расчет недельного прогноза. Апробация программного продукта «АТМОСФЕРА» проводилась на базе ФГБУ «Северное УГМС» Центром по мониторингу загрязнения окружающей среды.

Литература

1. Картошкин А.П., Сысоева А.В. Методы и методики исследования экологической обстановки в г. Архангельске // Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей: Сб. научн. тр. междунар. науч.-технич. конф. - СПб., 2014. - С.70-79.

2. Сысоева А.В., Дубров Н.В. Вклад теплоэнергетических производств автотранспортного комплекса в увеличении концентрации бенз(а)пирена в окружающую среду г. Архангельска //Улучшение эксплуатационных показателей и технический сервис автомобилей, тракторов и двигателей: Сб. научн. тр. междунар. науч.-технич. конф.- СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2015. - 225 с.

3. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «АТМОСФЕРА» № 2015612931 от 26 февраля 2015г.

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

4. Картошкин А.П., Сысоева А.В. Регрессионный анализ возрастающего экологического давления в г. Архангельске // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2014. -№ 37. - С. 272-277.

5. Безуглая Э.Ю. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере: Справ. пособие. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983г. - 328 с.

6. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы.-Л.: Гидрометеоиздат, 1985г. - 272 с.

7. Pasquill F. The estimation of the dispersion of wind borne material / F.Pasquill - «Met. Mag», vol. 90, 19611971 - p.1063.

УДК 387п

Аспирант А.В. СПИРИНА

(СПбГАУ, tonya.spirina@mail.ru)

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ ЗА СЧЕТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ БАШЕННОГО ГРУЗОПОДЪЁМНОГО КРАНА

Устойчивость, башенный кран, строительство, безопасность

Строительство относится к ряду работ, связанных с повышенной тяжестью и напряженностью трудового процесса, что в свою очередь говорит о повышенной опасности для исполнителей рабочих операций. Например, на начало 2015 г. по «удельному весу работников организаций, занятых во вредных и опасных условиях труда» (по данным Росстата), количество занятых на тяжелых работах в стране составляет: 29,8% - добыча полезных ископаемых, 18,8% - строительство, 15,8% - транспорт [1].

60,0 -|------5?т4-

ДОБЫЧА ПОЛЕЗНЫХ ОБРАБАТЫВАЮЩИЕ ПРОИЗВОДСТВО И СТРОИТЕЛЬСТВО ТРАНСПОРТ СВЯЗЬ

ИСКОПАЕМЫХ ПРОИЗВОДСТВА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ,

ГАЗА И ВОДЫ

Рис. 1. Удельный вес работников организаций, занятых во вредных и опасных условиях труда, по отдельным видам экономической деятельности (на начало 2015 года) в % от численности работников соответствующего вида экономической деятельности: занятые на работах с вредными и (или) опасными условиями труда; занятые на тяжелых работах; занятые на работах, связанных с напряженностью

трудового процесса

В то же время по объёму производимой продукции и количеству занятых людских ресурсов на строительную отрасль приходится примерно десятая часть экономики страны. Так, например, на конец 2015 г. численность работников в строительной отрасли составила

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.