CC BY
106
УДК 504.05: 504.064 DOI: 10.21209/2227-9245-2016-22-7-25-33
ВЛИЯНИЕ СЛОЖНОГО ЛАНДШАФТА И КЛИМАТА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРОДОВ АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ: ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ТЕРРИТОРИЙ И УПРАВЛЕНИЕ РИСКОМ
INFLUENCE OF THE DIFFICULT LANDSCAPE AND CLIMATE ON POLLUTION OF ATMOSPHERIC AIR OF THE CITIES WITH MOTOR TRANSPORT: ENGINEERING PROTECTION OF TERRITORIES AND
MANAGEMENT OF RISK
Л. П. Щербатюк, Забайкальский государственный университет, г. Чита
andrey. shcherbatyuk.63@.ru A. Scherbatyuk, Transbaikal State University, Chita
ill
ii \fil
Отмечено, что для Российской Федерации актуальность проблемы загрязнения атмосферного воздуха городов выбросами от автотранспорта увеличивается в связи с наличием территорий со сложным ландшафтом и длительным холодным периодом. В России ежегодно обновляется список городов, в которых регистрируется превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) токсичных веществ и вредных веществ (ТВ и ВВ) в атмосферном воздухе, величина индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5) в несколько раз превышает допустимые нормы.
Представлен Забайкальский край, в частности г. Чита, как составная часть Восточно-Сибирского региона, который из-за сложного ландшафта и длительного холодного периода является одной из характерных неблагоприятных территорий Российской Федерации. Проанализированы данные ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Забайкальского края». В результате проведенных исследований отмечается тесная корреляционная зависимость многих заболеваний от содержания в атмосферном воздухе ТВ и ВВ.
Показано, что одним из значимых источников загрязнения атмосферного воздуха в городах и крупных промышленных центрах является автомобильный транспорт. Значительная доля автомобилей от общего числа находящихся в эксплуатации в качестве энергетических установок использует бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Выявлено, что в отработавших газах (ОГ) бензиновых ДВС содержатся продукты неполного сгорания топлива, в том числе ТВ и ВВ, что является причиной роста заболеваемости населения городов, составляющей 10...37 % от суммарной заболеваемости.
Отмечено, что загрязнение атмосферного воздуха таких городов выбросами автомобильного транспорта в отдельных регионах нашей планеты является важнейшей экологической проблемой. Учтено, что для таких регионов типовые решения, приводящие к снижению загрязнения атмосферы, зачастую неприемлемы как по технологическим причинам, так и по экономическим затратам.
Предложены новые (нестандартные) варианты инженерной защиты атмосферного воздуха городов, расположенных в регионах со сложным ландшафтом и длительным холодным периодом, для различных периодов года с целью снижения заболеваемости населения и управления риском
Ключевые слова: регион; сложный ландшафт; климат; атмосфера; циркуляция; автотранспорт; выбросы; территории; инженерная защита; риск; управление
It is noted in the article that for the Russian Federation the relevance of air pollution problems of cities with vehicle emissions has increased due to the presence of areas with difficult terrain and long cold period. In Russia, the annually updated list of cities in which the registered excess of maximum permissible concentration (MPC) of toxic and hazardous substances (TS and HS) in the atmosphere, the amount of air pollution index (API5) is several times higher than permissible limits.
Chita region and its center — Chita is presented as a part of the East-Siberian region, due to the difficult terrain and a long cold period, is one of these specific adverse territories of the Russian Federation. The data of the «Center for Hygiene and Epidemiology of the Transbaikal Territory» are analyzed, and as a result of the research indicate a close correlation of many diseases of the content in the air TS and explosives.
It is shown that one of the major sources of air pollution in cities and industrial centers is road transport. A significant proportion of the total number of vehicles is used as power plants using gasoline internal combustion engines (ICE). It was found in the exhaust gas of petrol engines the products of incomplete combustion, including TS and HS are contained, and that is the cause of increased incidence of urban population of 10 ... 37 % of the total incidence.
In the article it is noted that air pollution of cities emissions with road transport in some regions of the planet is a major environmental problem. It is considered that for such regions typical decisions lead to a reduction of air pollution, often unacceptable, both for technological reasons, as well as economic costs.
New (non-standard) versions of artificial protection cities air located in regions with difficult terrain and long cold period, for different periods of the year are proposed in order to reduce morbidity and risk management
Key words: region; difficult terrain; climate; atmosphere; circulation; vehicles; emissions; territory; engineering protection; risk; control
Одними из основных причин загрязнения атмосферного воздуха городов, расположенных в исследуемом (Восточно-Сибирском) регионе, являются сложный ландшафт и длительный холодный период. Загрязнение атмосферного воздуха здесь всегда выше, чем на европейской части России. Под влиянием определенных условий рассеивания при одинаковых антропогенных выбросах создается различный уровень загрязнения экосистем и атмосферного воздуха таких городов, что усугубляется тенденцией роста количества автотранспорта, являющегося основной причиной загрязнения экосистем городов и заболеваемости населения. Научные исследования, проводимые в данном направлении, имеют большое социально-экологическое значение для поиска необходимых инженерных решений и управления риском.
Кроме оценки качества воздуха в целом по территории России важно знать ситуацию в отдельных городах. Поэтому ежегодно составляется Приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха. Это города, в которых показатель ИЗА5 равен или больше 14.
Приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха ежегодно обновляется. За последние пять лет в него включены Братск,
Иркутск, Комсомольск-на-Амуре, Магадан, Селенгинск, Улан-Удэ, Чита.
В ФГБУ «ГГО» («Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова») по данным наблюдений в 252 городах на 697 станциях сформирован список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха (Приоритетный список) в 2014 г. (табл. 1).
В список включены города с очень высоким уровнем воздуха, для которых комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА5) равен или выше 14. ИЗА5 учитывает пять загрязняющих веществ из полного перечня контролируемых в городе, вносящих наибольший вклад в уровень загрязнения. Величина ИЗА5 рассчитывается по значениям среднегодовых концентраций. Показатель характеризует уровень хронического длительного загрязнения воздуха.
Приоритетный список 2014 г. включает 19 городов с общим числом жителей 5,2 млн человек. В 2013 г. он включал 30 городов с общим числом жителей 18,7 млн человек.
По сравнению с 2013 г. из Приоритетного списка исключены Дзержинск (включая восточную промзону), Екатеринбург, Златоуст, Иваново, Краснотурьинск, Курган, Магнитогорск, Москва, Нерюнгри, Нижнекамск, Салехард, Саратов, Ханты-Мансийск, Чегдомын (рис. 1).
Таблица 1
Города с наибольшим уровнем загрязнения атмосферы и вещества, его определяющие, в 2014 г.
Cities with the highest level of air pollution and substances which have defined it in 2014
Города Вещества, определяющие уровень загрязнения
Биробиджан БП, ВВ^02, СО, сажа
Благовещенск (Амурская обл.) БП, N02,ВВ, Ф, аммиак
Братск БП, CS2 , Ф, HF, ВВ
Зима БП, N02, на, Ф, СО
Иркутск БП, N02, ВВ, Ф, N0
Красноярск БП, Ф, N02, ВВ, аммиак
Кызыл БП, сажа, ВВ, N02, СО
Лесосибирск БП, фенол, ВВ, Ф^02
Минусинск БП, N02 , Ф,ВВ, СО
Новокузнецк БП, N02 , ВВ, HF, СО
Норильск S02 , N02 , N0, БП, СО
Петровск-Забайкальск БП, ВВ, СО, N02, S02
Селенгинск БП, ВВ, Ф, N02, фенол
Улан-Уде БП, ВВ, О3, N02, Ф
Челябинск БП, Ф, N02, ЭБ, ВВ
Черногорск БП, N02, Ф, ВВ, СО
Чита БП, Ф, ВВ, N02, фенол
Шелехов БП, ВВ, Ф, N02, HF
Южно-Сахалинск БП, N02. сажа, N0, ВВ
Примечание. Ф — формальдегид, BB — взвешенные вещества, БП — бенз(а)пирен, ЭБ — этилбензол, HF — фторид водорода, NO2 — диоксид азота, NO — оксид азота, SO2 — диоксид серы, CS2 — сероуглерод, 03 — озон, HCI — хлорид водорода, СО — оксид углерода. Выделены вещества с наибольшим вкладом в уровень загрязнения
2005 2006 2007 200Й 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Годы
Рис. 1. Количество городов Приоритетного списка (по данным Росгидромета) за 2005-2014 гг. Fig. 1. A number of cities in the priority list (according to Roshydromet) for 2005-2014
Следует отметить, что исключение большинства городов из Приоритетного списка не связано с существенным улучшением экологической обстановки в них. Согласно постановлению Главного государственного санитарного врача от 17 июня 2014 г. № 37, увеличены значения максимальной разовой и среднесуточной величин
ПДК формальдегида. В результате изменения ПДК формальдегида, при сохранении уровня загрязнения, оценки степени загрязнения воздуха городов в 2014 г. резко снизились. Несмотря на это, Чита и ряд городов со сложным ландшафтом и длительным холодным периодом остались в списке неблагополучных.
Все города из Приоритетного списка расположены в азиатской части России, которая характеризуется в 2014 г. особенно неблагоприятными для рассеивания примесей метеорологическими условиями, а 17 из 19 городов (за исключением Новокузнецка и Челябинска) — в Восточной Сибири и Дальнем Востоке (рис. 2). Во всех городах отмечены максимальные концентра-
ции одного или нескольких веществ, превышающие 14 ПДК. Как видно из рис. 2, основными особенностями загрязнения атмосферного воздуха, как составной части экосистем таких городов, не отличающихся большим количеством населения и крупных производств, является сложный ландшафт (рис. 2), а также длительный холодный период этих регионов.
Рис. 2. Ландшафтная карта Российской Федерации Fig. 2. Physical map of the Russian Federation
Согласно документам РД 52 04 667-2005, выделяют четыре градации качества атмосферного воздуха («Н», «П», «В», «ОВ»), что соответствует низкому, повышенному, высокому и очень высокому уровню загрязнения. Также приведены города, для которых уровень загрязнения воздуха не определен, так как наблюдения проводились в объеме, недостаточном для оценки по комплексному индексу загрязнения (ИЗА5), что не позволяет выполнить сравнительный анализ качества воздуха с другими городами России.
Для определения основных причин загрязнения атмосферного воздуха городов России нами проанализированы данные списка качества атмосферного воздуха. В результате определено, что есть множество средних и малых городов по количеству населения, но имеющих очень высокий уро-
вень загрязнения атмосферного воздуха: Чита, Петровск-Забайкальский, Селен-гинск, Братск, Зима, Шелехов, Иркутск, Улан-Удэ и др. В основном все они расположены в регионах со сложным ландшафтом и длительным холодным периодом, а также входят в Приоритетный список по ИЗА5. Основные причины «ОВ» для названных городов следующие:
1) большое по численности население;
2) большое количество крупных тех-носферных производств;
3) значительное количество автотранспорта;
4) расположение в регионах со сложным ландшафтом и длительным холодным периодом.
Следует отметить, что для городов, расположенных в Восточно-Сибирских регио-
нах, имеющих, как правило, небольшое по численности население и отсутствие крупных производств (за исключением Ше-лехова, Братска и Иркутска), основным источником загрязнения атмосферного воздуха и экосистем является автотранспорт, чему способствуют сложный ландшафт и длительный холодный период. Из этой категории составлен Приоритетный список 19 городов, где ИЗА5 больше 14. Именно эти города имеют категорию ОВ (список категории), качества атмосферного воздуха в городах России в 2014 г.
В названных городах, в отличие от городов, расположенных в равнинной части Российской Федерации, отмечается более 40
жесткий, резко континентальный климат с большим перепадом среднесуточных температур, а также пересеченный рельеф месторасположения городов с большим перепадом высот относительно уровня моря.
В большинстве из этих городов значительное загрязнение воздуха в последнее время определяется выбросами от автотранспорта.
На примере Забайкалья и в частности г. Чита, как модельного региона, при установленной зависимости прослеживается ежегодное увеличение уровня загрязнения атмосферного воздуха пятью приоритетными веществами (рис. 3).
ИЗА
у - 0,165х3 - 998,1ха + 2Е+06Х - 1Е+
♦ ИЗА
2004 2006 2008 2010 2012 2014
Рис. 3. Комплексный индекс загрязнения атмосферы г. Чита пятью приоритетными веществами
за период с 2006 по 2014 гг.
Fig. 3. A complex air pollution index of atmosphere in Chita formed by five priority substances for the period
from 2006 to 2014
В основном выбросы автомобильного транспорта определяют количество загрязняющих веществ в атмосфере г. Чита. Причем объемы выбросов которого, в сравнении с предприятиями теплоэнергетического комплекса, котельными ЖКХ, ежегодно возрастают.
С 2002 по 2010 гг. уровень онкозабо-леваемости в г. Чита увеличился на 21 % с 276,62 до 383,4 случаев на 100 тыс. населения. Динамика заболеваемости характеризуется стабильной тенденцией (Т = 0,92).
Прирост за этот период составил 5,59 %. Ведущими локализациями в структуре заболеваемости являются новообразования трахеи, бронхов, легкого (12,77 %), кожи с меланомой (12,44 %) и молочной железы (12,57 %) (рис. 4) (Соц.-гиг. мониторинг, 2012).
Одним из эффективных инженерных решений по улучшению экосистемы горо-
да и управлению риском роста онкозабо-леваемости являются технологии создания зеленых городских лесозащитных зон, защищенные патентами на изобретения. Технологическим результатом предлагаемого решения является возможность естественной очистки атмосферного воздуха от загрязнения ТВ и ВВ, поступающих с ОГ автомобильных ДВС в теплое время года.
Сущность изобретения заключается в том, что в местах скопления ТВ и ВВ, т.е. в пределах нижних точек котловины, создается технологический парк.
Технологический парк (2) является естественным фильтром для очистки атмосферного воздуха от ТВ и ВВ, скапливающихся в нижних точках котловин (1). В результате, в летнее время года происходит естественная очистка атмосферного воздуха городов от загрязнения ТВ и ВВ, входящих в состав ОГ ДВС автомобилей.
12,77
12,57
12.44
органы дыхания
молочная железа
3
кожа
4
желудок
5
репрод. система
щитовидная железа
7
мочевой пузырь
Рис. 4. Структура первичной онкологической заболеваемости населения г. Чита за 2002-2010 гг. (средние значения) Fig. 4. The structure of primary oncological morbidity of Chita population for the period 2002-2010.
(Average meanings)
Горно-котловинное месторасположение городов отличается тем, что на закрытых (подземных) и открытых автомобильных стоянках создается система технологических скверов и технологический парк в пределах нижних точек кот-
ловин, являющихся дополнительными естественными фильтрами для защиты атмосферного воздуха в теплое время года от загрязнения ТВ и ВВ, составляющих часть ОГ ДВС автомобилей.
6
Рис. 5. Город с горно-котловинным месторасположением (1); технологический парк(2); система технологических скверов (3); основное направление ветра по розе ветров (4)
Fig. 5. A city with mine-trench location (1); technology park (2); system of technology squares (3); the main
direction of the wind on the wind rose (4)
Вторым из эффективных инженерных решений по улучшению экосистемы города и управлению риском роста онкозаболе-ваемости являются технологии перевода автотранспорта на альтернативные виды
топлива, защищенные патентами на изобретения. Обзор научной литературы и технических решений по проблеме снижения токсичных выбросов автомобилей в атмосферный воздух позволил установить, что
среди многочисленных способов снижения токсичных выбросов наиболее перспективным является замена бензинового топлива на газовое. Технологическим результатом предлагаемого решения является возможность естественной очистки атмосферного воздуха от загрязнения ТВ и ВВ, поступающих с ОГ автомобильных ДВС в холодное время года.
Основной проблемой при переоборудовании автомобилей для использования газового топлива (смеси пропана и бутана) является проблема запуска двигателя в холодное время года при низких температурах. Особенно это актуально в условиях резко континентального климата, который наблюдается в Забайкалье. Эта причина тормозит перевод автомобилей на газовое топливо в регионах с холодными зимними условиями.
Автором предложено техническое решение данной проблемы, при реализации
которого появляется возможность перевода на газовое топливо значительного количества автомобилей, что существенно улучшит качественные показатели атмосферного воздуха городских территорий в холодное время года.
Стандартное газобаллонное оборудование для переоснащения автомобилей на газовое топливо включает баллон, штуцер, трубопровод, топливную систему. Недостатком этого оборудования является сложность запуска двигателя в холодное время года.
Сущность изобретения заключается в том, что в верхней части баллона с газом делается врезка и устанавливается дополнительный штуцер для отбора паров сжиженного газа, которые по отдельному трубопроводу доставляются к редуктору и далее — к топливной системе. Пары газа дают возможность запускать двигатель при любых низких температурах (рис. 6).
1
1 Л ПАРЫ ГАЗА 2
ЖИДКИЙ ГАЗ ^__3
4
7
Рис. 6. Схема газобаллонного оборудования: 1) баллон; 2) штуцер; 3) трубопровод; 4) тройник с электроклапаном; 5) термодатчик; 6) редуктор;
7) топливная система
Fig. 6. The scheme of balloon-gas equipment
5
Дополнительное оборудование для пуска в холодное время работает следующим образом. Пары газа через штуцер попадают в трубопровод, оттуда к тройнику с краном, далее в редуктор и топливную систему. После разогрева двигателя до рабочей температуры срабатывает термодатчик, который отдаёт команду на открытие электроклапана. Перекрывается трубопровод с парами газа, открывается трубопровод с сжиженным газом.
Данное изобретение апробировано и внедрено в практику переоборудования автомобилей в г. Чита.
Таким образом, инженерный комплекс обоснованных и запатентованных инженерных технических и технологических решений, предложенный автором, позволяет существенно улучшить качественные показатели атмосферного воздуха городских территорий в различные периоды года, что отразится на улучшении здоровья населения.
Прогнозное снижение заболевания органов дыхания населения городов, расположенных в таких регионах, может снизиться на 25...30 %, поэтапная реализация отдельных мероприятий и комплекса решений по-
зволит существенно улучшить показатели атмосферного воздуха и в целом экосистемы города на 20...30 %. Результаты проведенных исследований, запатентованные способы и технические устройства рационально использовать не только в Забай-
кальском крае, но и при определенных условиях для снижения техногенной нагрузки и управления риском городских экосистем и в других по ландшафту и температурному режиму регионах России и мира.
Список литературы_
1. Безуглая Э. Ю., Смирнова И. В. Воздух городов и его изменения. СПб.: Астерион, 2008.
2. Безуглая Э. Ю., Смирнова И. В. Проблема загрязнения воздуха. Крупнейшие города России // Инженерные системы. 2002. № 2. С. 19—21.
3. Ворожнин В. С. Разработка методики обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения (на примере крупного города): автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.01. М., 2014. 21 с.
4. Ворожнин В. С. Изучение автотранспортного воздействия на участников дорожного движения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2011. Т. 13 (39). № 1 (8). С. 1848—1852.
5. Ворожнин В. С., Маркелов Ю. И. Изучение влияния загрязнения воздушной среды крупного города на участников дорожного движения / / Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов — теория, методы, практика: доклады IV Междунар. науч.-практ. конф. Нижневартовск: Нижневарт. гос. гуманит. ун-т, 2010. С. 221—224.
6. Щербатюк А. П., Оглы 3. П. Устройство подачи газообразного топлива к двигателю внутреннего сгорания // Патент на изобретение № 2325546 от 22 мая 2006 г.
7. Якимов М. Р. Научная методология формирования эффективной транспортной системы крупного города: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.22.01. М., 2011. 47 с.
8. Potoglou D., Kanaroglou P.S. Carbon monoxide emissions from passenger vehicles: predictive mapping with an application to Hamilton, Canada // Transportation Research Part D. 2005. Vol. 10. P. 97—109.
9. Ashmore M.R., Dimitroulopoulou C. Personal exposure of children to air pollution / / Atmospheric Environment. 2009. Vol. 43. P. 128-141.
List of literature_
1. Bezuglaya E. Yu., Smirnova I. V. Vozduh gorodov i ego izmeneniya [The air of cities and its changes]. St. Petersburg: Asterion, 2008.
2. Bezuglaya E. Yu., Smirnova I. V. Problema zagryazneniya vozduha. Krupneyshie goroda Rossii [The problem of air pollution. The largest cities of Russia]: Coll. articles Engineering systems, 2002, no. 2. Р. 19-21.
3. Vorozhnin V. S. Development of methods of environmental safety of road users (for example, major cities) [Metodika povysheniya ekologicheskoy bezopasnosti avtotransporta na ulichno-dorozhnoy seti krupnogo goroda (na primere zashhity vozdushnoy sredy uchastnikov dorozhnogo dvizheniya)]: Abstract. dis. ... cand. tehn. sciences. Moscow: 2014, 21 р.
4. Vorozhnin V. S. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk (Bulletin of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences), 2011, vol. 13 (39), no. 1 (8), pp. 1848-1852.
5. Vorozhnin V. S., Markelov Yu. I. Ekologo-geograficheskie problemy prirodopolzovaniya neftegazovyh regionov — teoriya, metody, praktika (Ecological-geographical problems of natural resources of oil and gas regions — theory, methods, practice): report of the IV International. scientific-practical. conf. Nizhnevartovsk: Nizhnevartovsk State Humanitarian University Press, 2010, pp. 221—224.
6. Scherbatyuk A. P., Oglu Z. P. Ustroystvo podachi gazoobraznogo topliva k dvigatelyu vnutrennego sgoraniya. Patent na izobretenie № 2325546 ot 22 maya 2006 g. (The device supply of gaseous fuel to the internal combustion engine / / Invention patent number 2325546 on May 22, 2006).
7. Yakimov M. R. Scientific methodology of formation of an efficient transport system of a large city [Nauchnaya metodologiya formirovaniya effektivnoy transportnoy sistemy krupnogo goroda]: Abstract. dis. ... doct. techn. sciences. Moscow, 2011, 47 р.
8. Potoglou D., Kanaroglou P. S. Transportation Research Part D (Transportation Research Part D), 2005, vol. 10, pp. 97-109.
9. Ashmore M. R., Dimitroulopoulou C. Atmospheric Environment (Atmospheric Environment), 2009, vol. 43, pp. 128-141.
Коротко об авторе
Briefly about the author
Щербатюк Андрей Петрович, канд. техн. наук, Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия. Область научных интересов: охрана окружающей среды, загрязнение атмосферного воздуха andrey.shcherbatyuk.63@.ru
Andrey Scherbatyuk, candidate of technical sciences, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: environmental protection, air pollution
Образец цитирования_
Щербатюк А. П. Влияние сложного ландшафта и климата на загрязнение атмосферного воздуха городов автомобильным транспортом: инженерная защита территорий и управление риском // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2016. Т. 22. № 6. С. 25—33. DOI: 10.21209/2227-9245-2016-22-7-25-33
