Закономерности пространственного распределения загрязняющих веществ в зонах влияния городских магистралей

В настоящее время основной объем загрязнения атмосферы в крупных городах формируется за счет транспортных выбросов. Так для областных центров Центрального Черноземья доля этих выбросов варьирует от 75 до 82% [2]. В качественном отношении среди элементов – загрязнителей основную долю составляют соединения азота. Высоким уровнем токсичности отличается бенз-а-пирен, который способен формировать дополнительные соединения. В результате имеют место чрезвычайные ситуации по пространственному отравлению жителей городов, проживающих в центральной, транспортно нагруженной части. Так подобный случай был зарегистрирован в Воронеже летом 2014 г. В этой связи изучение особенностей формирования аномалий загрязнения компонентов природной среды городов является весьма актуальной задачей.

Экспериментальное изучение данного процесса было проведено нами в пределах г. Липецка. Это крупный промышленно-селитебный центр Черноземья. Его отличительной особенностью является высокая доля загрязнителей атмосферы, поступающих от промышленных источников. Однако роль транспортного загрязнения также велика. За основу методики измерений были выбраны стандартные методы по ГОСТ 17.2.2.03-87 «Охрана природы. Атмосфера. Нормы и методы измерений содержания окиси углерода и углеводородов в отработавших газах автомобилей с бензиновыми двигателями» и ОСТ 33.001.234-81. Измерения проводились с помощью газодозиметра «Multiwarn-II».

В качестве измерительных баз были выбраны грунты следующих придорожных участков длиной в 1 км с интенсивным движением:

• 1.    Трехполосная магистраль – улица Студеновская от педуниверситета до МОУ №8.

• 2.    Двухполосная автодорога – улица Плеханова от д. № 36 до д. № 88.

• 3.    Однополосная дорога – улица Стаханова от д. № 2 до д. № 22.

Все измерения проводились на трёх постах – начале, середине и конце измерительной базы. Длина базы в 1 км позволяла проводить достоверное статистическое усреднение результатов измерений. Посты не совмещались с перекрестками, где характеристики турбулентного движения воздуха не соответствуют принятой модели. На каждом посту подсчитывалось число проходящих автомобилей за час: 8-9 утра, 12-13 часов дня и 17-18 часов вечера. Измерения проводились в течение 10 дней в сентябре 2014 г.

Усредненные по времени и пространству результаты измерений принимались за среднюю плотность автомобильного потока на измеряемой базе. Одновременно путем проезда туда и обратно определялась средняя скорость потока на базе. Концентрация ЗВ измерялась на этих же постах, начиная с края тротуара и далее с интервалом 1,5 м в 7 точках перпендикулярно полотну дороги. Посты наблюдения выбирались в разрывах между домами с целью увеличения расстояния, на котором измерялись концентрации ЗВ. В каждой точке проводилось три измерения с интервалом в 20 мин. За этот период осуществлялось 7 пространственных измерений.

Затем по каждой измерительной точке производилось усреднение концентрации ЗВ по времени за один час и пространству на базе в 1 км. Измерения проводились на высоте 1,7 м по поверхности земли.

Обработанные результаты измерений по плотности и средней скорости автомобильного потока сведены в таблицу 1. Здесь же приведены относительные ошибки ε их измерений. В знаменателе приведены оценки доверительной вероятности измерений Р. Поскольку объем статистической выборки невелик, и закон распространения случайной величины не известен, то доверительная вероятность определялась как число измерений попавших в доверительный интервал ± σ к общему числу измерений.

Таблица 1

Экспериментальные результаты плотности и скорости автомобильных потоков по г. Липецку

Вид автодороги	Трехполосная магистраль	Двухполосная автодорога	Однополосная автодорога
Средняя плотность потока, авт/ час	1380	589	161
ε N %	12,8	13,5	8,6
P	0,72	0,67	0,79
Средняя скорость	0,5	0,82	0,71
потока, км/мин
ε v %	13,4	15,2	6,8
P	0,69	0,66	0,8

Анализ результатов. Наибольший разброс в интенсивности движения и средней скорости потока в часы пик наблюдался для трехполосной магистрали, что связано с естественной изменчивостью этих случайных величин на широкой магистрали. Меньшие примерно одинаковые вариации этих величин наблюдаются для двухполосной и однополосной дороги. Наибольшая средняя скорость движения потока зафиксирована на двухполосной автодороге. Воспользовавшись формулой вычисления концентрации ЗВ линей-

Пространственное распределение ного источника для параметров автомобильного потока, приведенных в таблице 1, получаем следующие результаты, сведенные в таблицу 2.

Таблица 2

Концентрации оксида углерода и диоксида азота, коэффициенты их рассеяния для различных видов городских магистралей

Трехполосная магистраль		Двухполосная автодорога		Однополосная дорога
Концентрация загрязняющего вещества, мг/м3
СО	NO 2	СО	NO 2	СО	NO 2
122	10,2	54	4,5	44	3,7

Коэффициент рассеивания α , 1/м

0,31 □ 0,34 □ 0,33 □ 0,36 □ 0,36 □  0,4

Коэффициенты рассеяния определены экспериментально. Результаты приведены в таблице 2. Рассчитываем концентрацию ЗВ на различных расстояниях r≥Rg от края тротуара и далее в 7 точках. Результаты теоретического расчета по разработанной модели приведены в таблице 3 в числителе. В знаменателе приведены экспериментальные данные, а далее относительная ошибка их измерений ε% [1].

По оксиду углерода. Для трехполосной магистрали Rg=7,5 м на границе дорога-тротуар превышение максимально разового ПДК=5 мг/м3 в часы пик 10-кратное. Концентрация ЗВ достигает нормы на расстоянии 9 метров от этой границы за красной линией жилой застройки, расположенной в среднем на расстоянии 7 м от края магистрали. Для двухполосной автодороги R=4,5 м на границе дорога-тротуар превышение ПДК пятикратное. Норма наблюдается на расстоянии 5 метров от этой границы за красной линией жилой застройки, расположенной в среднем на расстоянии 4 м. Для однополосной дороги R=3 м результаты следующие: превышение ПДК шестикратное, норма – на расстоянии 5 м при расстоянии до красной линии в среднем 2,5 м.

Таблица 3 отработавших автомобильных газов

Трехполосная магистраль					Двухполосная автодорога					Однополосная дорога
r, м	СО, мг/м3	ε CO	NO 2 , мг/м3	ε NO2	r, м	СО, мг/м3	ε CO	NO 2 , мг/м3	ε NO2	r, м	СО, мг/м3	ε CO	NO 2 , мг/м3	ε NO2
7,5	48,14 48,14	8,7	2,85 2,85	19,2	4,5	27,9 27,9	7,2	2,0 2,0	18,2	3		9,6	2,0 2,0	20,1
9	30,23	7,2	1,71	18,6	6	17,0	6,4	1,17	13,2	4,5	16,72	8,0	1,1	18,7
	29,22		1,38			15,9		0,87			16,18		1,02
10,5	18,99 17,68	6,2	1,03 0,87	12,1	7,5	10,37 9,62	5,3	0,68 0,52	11,6	6	9,74 9,5	7,2	0,61 0,51	13,7
12	11,92 10,66	5,5	0,62 0,52	,3	9	6,32 5,81	4,4	0,4 0,29	10,8	7,5	5,58 5,51	6,7	0,34 0,30	10,3
13,5	7,49 7,52	4,6	0,37 0,33	7,7	10,5	3,85 2,2	3,7	0,23 0,17	7,8	9	3,31 3,29	5,8	0,18 0,13	8,6
15	4,71	3,7	0,22	5,1	12	2,35	2,9	0,13	5,1	10,5	1,93	4,2	0,10	7,9
	4,62		0,21			1,92		0,12			1,81		0,09
16,5	2,95	2,9	0,13	3,2	13,5	1,43	2,5	0,08	3,4	12	1,12	3,7	0,06	4,9
	2,73		0,13			1,08		0,08			1,03		0,06
18	1,86 1,38	2,5	0,08 0,08	2,9	15	0,87 0,58	1,2	0,05 0,05	3,2	13,5	0,65 0,61	3,5	0,03 0,03	3,8

Рис. 1. Содержание СО в атмосфере улиц.

3-х полосная магистраль (пр) 3-х полосная магистраль (теор) 2-х полосная автодорога (пр) 2-х полосная автодорога (теор) 1-х полосная дорога (пр) 1-х полосная дорога (теор)

Рис. 2. Содержание NO 2 в атмосфере улиц.

3-х полосная магистраль (пр) 3-х полосная магистраль (теор) 2-х полосная автодорога (пр) 2-х полосная автодорога (теор) 1-х полосная дорога (пр) 1-х полосная дорога (теор)

По оксиду азота. Трехполосная магистраль: превышение ПДК=0,2 мг/м3 14-кратное; норма на расстоянии 7,5 м от края магистрали. Двухполосная магистраль: превышение ПДК 10-кратное; норма - на расстоянии 5,5 м. Однополосная дорога - превышение ПДК 10-кратное; норма - на расстоянии 5,5 м.

Результаты по СО и NO 2 относительно ПДК на границе дорога-тротуар и влиянию на жилые дома схожие. Худший результат по превышению ПДК наблюдается для трехполосной магистрали. Однако влияние автодороги на жилую застройку наихудшее для однополосной узкой и насыщенной транспортом дороги.

Графики пространственного распределения оксида азота и диоксида углерода в пределах городских магистралей приведены на рис. 1 и рис. 2 соответственно. Видна хорошая сходимость расчетных и экспериментальных данных, что свидетельствует о достоверности разработанной модели.

Одним из наиболее опасных автомобильных выбросов является бенз-а-пирен. Принимая, что средняя городская магистраль является двухполосной, со среднесуточной интенсивностью движения 100 авт/час, получаем С0=0,03 мг/м3. Проведя соответствующие расчеты по разработанной модели, получаем, что превышение среднесуточного ПДК=1 нг/ м3 наблюдается на расстояниях меньших 5 м от края магистрали. На больших расстояниях кривая насыщается при концентрациях бенз-а-пирен 0,18 мг/м3. Эта величина совпадает со среднегородской концентраций бенз-а-пирен, измеряемой на постах наблюдения [2].

Отметим, что коэффициент рассеяния для NO 2 на 10% больше чем для СО. Кроме того, относительные ошибки измерения СО меньше чем у NO₂. Эти выявленные факты можно объяснить тем, что оксид углерода инертный газ, в то время как оксид и диоксид азота легко реагирует с атмосферными составляющими в процессе фотохимических превращений.

Время жизни компонентов отработавших автомобильных газов и промышленных выбросов при взаимодействии с атмосферными составляющими до 60% разложения приведены в таблице 4.

Таблица 4 Время жизни компонентов отработавших автомобильных газов и промышленных выбросов

Компонент	Реакции с ОН -	Реакции с О3	Реакции с NO3 -	Реакции с НО2+
NO2	2 дня	12 часов	1 час	2 часа
NO	4 дня	1 мин	3 мин	20 мин.
HNO2	4 дня	>33 дней	-	-
HNO3	180 дней	-	-	-
SO2	26 дней	200 лет	-	600 лет
NH3	140 дней	-	-	-
CH3NH2	12 часов	2 года	-	-
NCH	2 года	-	-	-
H2S	5 дней	2 года	4 дня	-
CH3SN	8 часов	-	1 час	-
Пропан	19 дней	7 тыс. лет	-	-
н- Бутан	9 дней	4,5 тыс. лет	9 лет	-
1,2 - Дихлорэтан	100 дней	-	-	-
Формальдегид	3 дня	20 тыс. лет	210 дней	23 дня

Сопоставим эти времена с временем релаксации компонентов отработавших автомобильных газов. Результаты расчета сведены в табл. 5.

Таблица 5 Времена релаксации отработавших автомобильных газов

Трехполосная магистраль		Двухполосная автодорога		Однополосная дорога
NO2	CO	NO2	CO	NO2	CO
3*103c	3,3*103 c	4,2*103с	5,5*103c	7,4*103с	10*103c

Видно, что для диоксида азота время релаксации соизмеримо с временем жизни при реакциях с NO₃^- и HO 2 ⁺. Отсюда и значительные относительные ошибки измерения его концентрации, особенно в условиях повышенной влажности.

Эмпирически установлена связь между коэффи- циентом рассеяния α и геометрическими характеристиками проезжей части и тротуара для инертного ок- сида углерода.

„  - °-6         m

^■СО   T^S          (1)

Rg

Коэффициент рассеяния инертного газа определяется отношением ширины тротуара L_т к проезжей части дороги R g , т.е. проветриваемостью улицы. Коэффициент рассеяния других загрязняющих веществ зависит от их молярной массы, т.е. их способности к оседанию в процессе турбулентной диффузии. Эти коэффициенты можно привести к коэффициенту рассеяния инертного СО, используя следующую эмпирическую формулу.

на постах наблюдения и даваемые разработанной автотранспортной моделью. Среднегодовая скорость ветра в г. Липецке равна 2,7 м/с, отсюда следует, что средняя по городу концентрация СО равна 1,7 мг/м³, а диоксида азота 0,065 мг/м³. Из таблицы следует, что среднесуточная постоянная концентрация этих ЗВ вблизи различного типа городских магистралей равна: 1,38 мг/м³ , 0,58 мг/м³ и 0,61мг/м³ – для СО; 0,08 мг/м³ , 0,05 мг/м³ и 0,03 мг/м³ – для NO 2. Тогда в среднем по городу: <С_co> = 0,86 мг/м³; < С_NО2> = 0,05 мг/м³ .

Выводы:Проведенные экспериментальные исследования позволили выделить основные закономерности пространственного распределения загрязнения вдоль автомагистралей различного типа. Выявлено, что по оксиду углерода вклад промышленных и автомобильных выбросов в г. Липецке примерно одинаков, а по диоксиду азота автомобильный транспорт обеспечивает 90% выброса. Такая диспропорция связана с тем, ОАО «НЛМК» в процентном соотношении выбрасывает большее количество оксида углерода, чем оксида азота. Следовательно, уровень загрязнения компонентов природной среды соединениями азота в пределах города формируется в значительной степени за счет транспортного загрязнения.