Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей в ЮФО

Экологический мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей

в ЮФО

Е.Г. Зубарева, С.Г. Курень, А.А. Юртаев Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье проведен комплексный анализ показателей выбросов от стационарных источников и выбросов от автотранспорта в Ростовской области и городе Ростове-на-Дону, а также сравнительный анализ по двум регионам ЮФО. Сделан прогноз экологической обстановки и проверена адекватность предложенной математической модели.

Ключевые слова: выбросы загрязняющих веществ, токсичность, отработавшие газы, стационарные источники, автотранспорт, двигатель внутреннего сгорания.

В воздушном бассейне Южного федерального округа наблюдается повышение уровня загрязнения, в частности автотранспортными выбросами, которые составляют 88,4% токсичных веществ, содержащихся в воздухе. Помимо отработавших газов автомобилей на экологическую ситуацию влияют выбросы в следствие работы железнодорожного транспорта, предприятий топливно-энергетической и машиностроительной и других отраслей.

Ежегодно уровень загрязненности вследствие выбросов от автотранспортных средств увеличивается на 3%, неизменным остается состав отработавших газов (ОГ) двигателя, в том числе его токсичные

компоненты, представленный на рисунке 1 [1-5].

Вредный компонент Единица измерения Нормативы платы за выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ стационарными источниками

В пределах установленных допустимых нормативов выбросов В пределах установленных лимитов выбросов

Оксид углерода СО р./т 0,6 3

Оксид азота N0 р./т 35 175

Диоксид азота N02 Р-/т 52 260

Бенз(а)пирен С20Н12 р./г 2,049801 10,249005

Прочие углеводороды СхНу р./т 5 25

Формальдегид НСНО р./кг 0,683 3,415

Акролеин СНг=СН-СН=0 р./кг 0,068 0,34

Уксусный альдегид СНзСНО р./кг 0,205 1,025

Сажа р./кг 0,08 0,4

Оксиды серы 502, БОз р./т 21 105

Сероводород р./т 257 1285

Сравнительный анализ по валовым выбросам (тыс. тонн) веществ-загрязнителей в 2017 году по сравнению с 2000 годом.

500 400 300 200 100 0

2МЮ»г.

о

о

СЧ О) X

О л О И Z о.

:о Ш

W

о. о - к

7 О

о. С

S °

о ш

Е

Рисунок 1. Состав отработанных автомобильных газов

В Российской Федерации в настоящее время действует стандарт Евро-2, однако, структура нефтепереработки не обеспечивает требуемого качества производимых бензинов и дизельного топлива из-за недостаточных объёмов вторичной переработки.

На основании полученных данных [1-5] нами проведен мониторинг токсичности отработавших газов автомобилей за период 2000-2017 гг.:

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Рисунок 2. Диаграмма выбросов загрязняющих веществ из различных источников

К наиболее эффективным способам снижения уровня токсичности отработавших газов относятся: модернизация процессов смесеобразования и сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, коррекция состава смеси и угла опережения зажигания; нейтрализация ОГ в системе выпуска: токсичные газы (СО, СХНУ и КОх) нейтрализуются до их выброса в атмосферу [7]. Использование этих методов не позволяет устранить выбросы соединений свинца, 8О2 и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Это вызывает необходимость ограничения содержания в топливе свинца, серы и ПАУ на стадии производства топлив.

Вследствие уменьшения токсичных выбросов в воздушный бассейн улучшается снижается расход углеводородного топлива. Переход к альтернативным видам топливам, в том числе не содержащим углерода (например, водород), приводит к улучшению экологических и экономических показателей.

Для разработки математической модели рассмотрим отношение загрязнение-очистка как конкуренцию между двумя видами процессов [6]. Предполагается, что оба вида процессов являются автотрофами, т.е. способны увеличивать количество объемов, загрязненных или очищенных токсических веществ независимо друг от друга. С самого начала полагаем, что в изоляции динамика обоих видов процессов подчиняется логистическому уравнению, а взаимно отрицательное влияние пропорционально объемам выбросов токсических веществ и очистки. Математической моделью описанной ситуации является следующая система:

или, в безразмерных переменных (замена в явном виде), В области система (2.2.3.2) всегда имеет три положения равновесия:

Кроме того, если 1, ау> 1, $>у или с$< 1 ,ау< 1,

г, то вД2

существует положение равновесия

;

/? — у ЩГ— 1\ хр - У ар- II

)

Матрица Якоби системы (2.2.3.1) имеет вид

т ъ)={

1 — — V

—V

—и у — и —

Положение равновесия А1 — неустойчивый узел (собственные числа равны 1 и у); Л^ — седло, если сеу> 1 и устойчивый узел, если СЕ^< 1; А3 —

.

Данная ситуация оказывается общей — практически всегда один из конкурирующих видов подавляет другой [8].

Сделаем прогноз развития процесса загрязнения атмосферы с помощью логистической модели [9,10] с целью проверки её достоверности. Рассчитаем величину загрязнения на следующий год. В уравнение модели подставляем найденные параметры: к=387,54 (тыс. тонн), г=0,58 (тыс. тонн/год), N0=8,13 (тыс. тонн), р=186,35 (лет).

Подставив параметры, получаем:

Отсюда значение N=638,1 (тыс. тонн).

Таким образом, расчёт произведенный авторами показал, что валовые выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта в Ростовской области в 2017 году составили N1=616 тыс. тонн. Относительная погрешность составляет 0,22, что говорит об адекватности предложенной модели.

Проведем сравнительный анализ загрязненности субъектов ЮФО по основным показателям.

седло, если

и устойчивый узел, если $<у. Наконец, если А^ -Е Д+, то

451,&

Валовые выбросы веществ-загрязнителей (тыс. тонн) в двух соседних субъектах ЮФО, по данным за 2017 год.

Ставропольский край ^Ростовская область

400

353

300 -I

200 —

ш

о а

о ш а>

Р

а>

X

з-о а. С

Рисунок 3. Валовые выбросы веществ-загрязнителей в субъектах ЮФО

Выводы.

1. В рамках проведенного исследования осуществлён анализ состояния атмосферы в субъектах Южного федерального округа, который констатировал превышение концентрации загрязняющих веществ в Ростовской области по всем показателям.

2. Вследствие использования в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств моторного топлива на основе нефти происходит загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей. В свою очередь использование альтернативных видов моторного топлива и, в первую очередь, природного газа позволит достичь нулевой токсичности отработавших газов.

3. Рассмотрены способы математического моделирования загрязнения воздуха, разработаны модели прогнозирования экологической ситуации с учётом валовых выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта с помощью логистического уравнения.

4. Проведена проверка предложенной прогностической модели загрязнения атмосферного воздуха. Относительная погрешность предсказанного значения составила 0,22, что говорит о возможности

применения данной модели для прогнозирования экологической ситуации в отношении атмосферного воздуха в данном регионе.

Литература

1. Экологический вестник Дона «О состоянии окружающей среды и природных ресурсов Ростовской области в 2015 году» / Под общ.ред. В.Н. Василенко, Г.А. Урбана, А.Г. Куренкова, С.В. Толчеевой, С.Ю. Покуля. Ростов-на-Дону, 2016. - 212 с. С. 177-178.

2. Курень С.Г., Мишугова Г.В., Мул А.П., Рябых Г.Ю. Разработка модели, описывающей процесс загрязнения воздуха. Перспективы развития науки и образования: сб. науч. трудов по материалам Междунар. науч.-практич. конф. 28 сентября 2012 г.: в 14 частях. Часть 13; Мин-во обр. и науки РФ. Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2012. - 163 с. С. 77-78.

3. Курень С.Г., Николенко Г.В., Мул А.П., Рябых, Г.Ю., Валявин В.Ю., Сокол Н. А. Моделирование процессов загрязнения воздуха. Известия высших учебных заведений. Сев.-Кав. регион. Серия: Естеств. науки.- 2014.-№ 4(182). С. 78-81.

4. Курень С.Г., Рябых Г.Ю., Юртаев А.А., Чумакова А.Ю. Пути снижения токсичности отработавших газов автомобилей / Современные тенденции развития науки и технологий: сб. науч. тр. по мат-лам VIII Междунар. науч.-практ. конф., 30 ноября 2015 г.: в 10 частях.- г.Белгород: ИП Ткачева Е.П,. 2015. № 8-1. С. 120-122.

5. Зубарева Е. Г., Серпенинова О. О. Визуальное моделирование информационно-навигационной системы «ТИНС-INFO» // Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2016. Т. 17. С. 79-83. URL:e-koncept.ru/2016/46180.htm.

6. Морозов В. А., Морозова О.Н. Совершенствование эффективности и экологичности двигателей внутреннего сгорания // Инженерный вестник Дона, 2016, №1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/350312.

7. Елисеева Т.П., Ежова И.М., Лакирбая И.Д. Исследование воздействия техногенных факторов на окружающую среду с целью обоснования управленческих решений по обеспечению экологической безопасности регионов России // Инженерный вестник Дона, 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2361.

8. Rashidova E.V., Zubareva E.G. Visual modeling of planar mechanisms // Science without borders 2015. Materials of XI international research and practice conference. 2015. pp. 59 - 61.

9. Zubareva S. Integrated safety problems of "Y" generation in Black sea region // Science almanac of Black Sea region countries. 2016. № 4 (8). pp. 15-20. URL: science-almanac.ru/ru/new-issue.php

10. Zubareva S.S., Zubareva E.G. Russian millennials in modern consumer society: recent trends, perspectives and future prospects // Modern European Researches. 2017. № 2. pp. 160 -167.

References

1. Ekologicheskij vestnik Dona «O sostojanii okruzhajushhej sredy i prirodnyh resursov Rostovskoj oblasti v 2015 godu» [Ecological Herald of the Don «On the state of the environment and natural resources of the Rostov Region in 2015»]. Rostov-na-Donu, 2016.

2. Kuren S.G., Mishugova G.V., Mul A.P., Rjabyh G.Ju. Razrabotka modeli, opisyvajushhej process zagrjaznenija vozduha. [Development of a model

describing the process of air pollution] Perspektivy razvitija nauki i obrazovanija, 2012. pp. 77-78.

3. Kuren S.G., Nikolenko G.V., Mul A.P., Rjabyh, G.Ju., Valjavin V.Ju., Sokol N. A. Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij, 2014. № 4(182). pp. 78-81.

4. Kuren S.G., Rjabyh G.Ju., Jurtaev A.A., Chumakova A.Ju. Sovremennye tendencii razvitija nauki i tehnologij, 2015. № 8-1. pp. 120-122.

5. Rashidova E.V., Zubareva E.G. Materials of XI international research and practice conference, 2015. pp. 59-61.

6. Zubareva E.G., Serpeninova O.O. Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal «Koncept», 2016, №.17. URL: http://e-koncept.ru/2016/46180.htm.

7. Morozov V.A., Morozova O.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/350312.

8. Eliseeva T.P., Ezhova I.M., Lakirbaja I.D. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2361.

9. Zubareva S.S., Zubareva E.G. Modern European Researches. 2017. № 2. pp. 160-167.

10. Zubareva S. Modern European Researches. 2016. № 3. pp. 140-143.