Прогноз экстремального загрязнения воздуха водным и автомобильным транспортом

Развитие городского транспорта предполагает учет риска причинения им ущерба населению и среде обитания [1]. По данным ежегодных государственных докладов в Санкт-Петербурге [2] автомобильный транспорт играет существенную роль в загрязнении воздушной среды – по разным оценкам [1 – 3] не менее 80%. Санкт-Петербург морская столица России. В местах расположения пассажирских и грузовых портов, вдоль фарватеров движения судов создается дополнительная нагрузка на атмосферу отработавшими газами (ОГ) дизельных двигателей речного и морского флота (рис. 1) [4, 5]. Современные круизные лайнеры огромных размеров представляют, по сути, мини-города. Так, круизные суда класса Quantum-Ultra компании Royal Caribbean International имеют длину 347,11 м, высоту над ватерлинией 41,2 м, осадку 8,8 м, водоизмещение 169379 тонн, оснащены двумя 16-ти цилиндровыми дизельными двигателями мощностью 19200 кВт, двумя 12-ти цилиндровыми дизельными двигателями мощностью 14400 кВт, вмещают на борт 4905 пассажиров и 1500 человек экипажа (суммарно 6405 человек) – рис. 1, слева. Силовые установки на них современны и отвечают жестким международным требованиям Tier-4.

Рисунок 1 – Круизный лайнер Spectrum of the Seas компании Royal Caribbean International (слева; г. Владивосток сентябрь 2019 г.) и речные круизные суда в акватории «Большого Обуховского Моста» (справа; г. Санкт-Петербург август 2016 г.).

Характерной особенностью эксплуатируемого в настоящее время в Санкт-Петербурге речного флота (рис. 1, слева) является его высокий возраст: трехпалубные пассажирские теплоходы 588 проекта выпускались с 1951 по 1961 гг., четырехпалубные теплоходы 301 проекта - с 1974 по 1983 гг., 92-016 проекта – с 1976 по 1983 гг., 302 проекта – с 1984 по 1992 гг., теплоходы типа «Метеор» проекта 342Э – с 1961 по 1991 гг., в связи с чем их дизельные двигатели имеют низкие экологические показатели. Грузовой автомобильный парк, эксплуатируемый в настоящее время в Санкт-Петербурге, в среднем, отвечает 3-му экологическому классу; легковой – 45 экологическим классам; автобусы – 4-му эко- логическому классу.

В статье приведены результаты экспериментально-расчетного исследования ожидаемого экстремального загрязнения воздушной среды ОГ автомобилей, речных и круизных судов приоритетным загрязнителем NO 2 при неблагоприятных транспортных и метеорологических условиях применительно к Санкт-Петербургу.

• 5 +     + W_gk_j4 )

at Z—।       а     ох, t=i где q – концентрация;

• u i и Ki – компоненты средней скорости ветра и коэффициента турбулентной диффузии вдоль декартовых координатных осей x i ;

• w g – скорость гравитационного оседания примеси (отлична от нуля в случае переноса частиц);

• k j i – символ Кронекера, равный 1 при совпадении индексов и нулю при их несовпадении;

• α – коэффициент, учитывающий метаболизм веществ;

Методика

Конкретной задачей исследования являлись экспериментально-расчетные оценки ожидаемых экстремальных локальных превышений ПДКМР NO2 ОГ силовых установок автотранспорта, речных и круизных морских судов в конкретных местах их эксплуатации: акватории пассажирского морского порта и автомобильного вантового перехода «Большой Обуховский Мост». В связи с тем, что КАД над рекой Нева находится по близости с грузовым речным терминалом и местом швартовки пассажирских речных лайнеров, а также под ней проложен фарватер проводки судовых потоков «река- море», - производилась оценка дополнительно «вклада» судов в локальное загрязнении атмосферного воздуха.

В основу математического решения поставленной задачи было положено численное решение уравнения атмосферной диффузии NO 2 в стратифицированной атмосфере:

—

aq + 5,

S – член, учитывающий влияние источников и стоков примесей, их химическую (в том числе, фотохимическую) трансформацию и другое.

Данный подход (1) моделирования турбулентной диффузии [6] реализован с помощью официального методического документа «Методы расчета рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе», утвержденного приказом Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 273 от 6 июня 2017 года. Расчеты

Прогноз экстремального загрязнения воздуха водным и автомобильным транспортом были произведены с помощью программного обеспечения «Магистраль» и «Эколог» ООО «Интеграл» (Санкт-Петербург).

Исходными данными для расчета эмиссии NO 2 с ОГ автотранспорта на исследованном участке вантового перехода явились результаты натурных обследований структуры и интенсивности автотранспортных потоков по 5-ти категориям [6] транспортных средств: легковые – (Л); автофургоны и микроавтобусы до 3,5 тонн – (АМ); грузовые от 3,5 до 12 т – (Г≤12); грузовые свыше 12 т – (Г>12); автобусы свыше 3,5 т – (А>3,5).

Исходным условием для численного прогноза «вклада» речных судов в загрязнение воздуха в окрестности вантового перехода рассматривался гипотетический вероятный сценарий стоянки на причале пассажирского порта в Уткиной заводи одновременно трех теплоходов 588, 92-016 и 301 проекта, на которых работали вспомогательные двигатели и котлы. Удельные выбросы NO2 тепловыми установками переводились из единиц измерения «г/кВтч» в единицы мощности выбросов «г/c» по методике, предложенной в ГОСТ Р 56163-2014.

Расчетные оценки ожидаемого превышения концентраций NO 2 значений ПДК МР в районе «Морской фасад Санкт-Петербурга» были выполнены для условия максимальной загрузки порта с одновременным нахождением 4х круизных лайнеров Celebrity Constellation, Sapphire Princess, Costa Magica и Rotterdam.

Результаты исследования

Экспериментально-расчетные оценки ожидаемого превышения NO 2 ПДК МР в окрестности вантового перехода «Большой Обуховский Мост» по сценарию стоянки на причале пассажирского порта в Уткиной заводи одновременно трех теплоходов 588, 92-016 и 301 проекта для «часов пик» автомобильного движения по КАД при неблагоприятных метеорологических условиях (НМУ) приведены на рис. 2.

Рисунок 2 - Ожидаемое для НМУ загрязнение воздуха NO 2 (в долях ПДК мр ) от судов и автотранспорта по 1-му гипотетическому сценарию в районе вантового перехода «Большой Обуховский Мост» (г. Санкт-Петербур) в «часы пик»

Как видно из рис. 2, энергетические  устойчивое воздействие на качество атмосфер- установки судов при НМУ могут создавать ного воздуха в районе порта в течение стоянки.

Загрязнения атмосферы от них по NO 2 могут составлять до 7 ПДК МР , в то время, как от автотранспорта, в среднем, не превышать значения 5 ПДК МР .

Расчетные оценки вероятного превышения ПДК МР диоксидом азота в районе «Морской фасад Санкт-Петербурга», выполненные для условия одновременного нахождения 4-х круизных лайнеров, показаны на рис. 3.

Рисунок 3 – Прогноз загрязнения атмосферы NO 2 в окрестности морского порта «Морской фасад Санкт-Петербурга» четырьмя круизными судами типа Celebrity Constellation, Sapphire Princess, Celebrity Constellation и Rotterdam при НМУ

Как видим из рис. 3, энергетические установки 4-х круизных судов Celebrity Constellation, Sapphire Princess, Costa Magica и Rotterdam могут создавать устойчивое негативное воздействие на качество атмосферного воздуха в окрестности морского порта. Загрязнения атмосферы от них по NO 2 в близлежащем жилом квартале «Морской фасад Санкт-Петербурга» вероятно ожидать 1,2 ПДК МР , а непосредственно рядом с судами, – до 3 ПДК МР при НМУ.

Заключение

На примере Санкт-Петербурга продемонстрирована работоспособность разработанной методики прогнозирования экстремального воздействия на городское население диоксида азота NO 2 , выбрасываемого с отработавшими газами силовых установок автомобильного, речного и морского транспорта в местах их эксплуатации. Полученные численные оценки превышения ПДК МР от 1,2 до 5-7 раз относятся, исключительно, к имеющим место локально-временным периодам неблагоприятных метеорологических условий. При нормальной стратификации атмосферы и активной естественной

«продуваемости» акваторий исследуемых пространств, службами Росгидромета превышений ПДК МР не регистрируется.