Исследование процесса рассеяния в атмосфере окиси углерода от автомобильного транспорта

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАССЕЯНИЯ В АТМОСФЕРЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

А.А. Егоров, О.И. Гроздова, Ю.И. Царева

Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия

В настоящей работе приводятся результаты исследования процесса рассеяния в атмосфере окиси углерода от автомобильного транспорта. Измерение концентрации окиси углерода было проведено в период со 2 по 4 июля 2002 г. у Варшавского шоссе г. Москвы около поста № 20 Московского Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (МосЦГМС). Полученные в эксперименте данные обработаны и интерпретированы.

Анализ проблемы. Постановка задачи. В Москве, как и во многих крупных урбанизированных агломерациях мира, атмосфера загрязняется в основном продуктами сжигания топлива (транспорт, энергетика, промышленность и др.). Атмосфера в городе в результате оказывается загрязнена пылью, окисью углерода, окислами азота и серы, формальдегидом, аммиаком, бенз(а)пиреном и тд.

Летом и осенью 2002 г. мощным фактором загрязнения воздуха в Москве и Московской области были продукты горения торфяников и лесов в Подмосковье. По данным Московского Центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (МосЦГМС) концентрация, например, СО нередко превышала предельно допустимую концентрацию (ПДК) в 1,5 — 3 раза. За период 1990 - 1999 гг. отмечается тенденция увеличения концентрации оксида углерода и диоксида азота, что связано с увеличением интенсивности движения автомобилей на автомагистралях. Для Москвы выбросы автомобилей составляют около 90 % антропогенных выбросов (Ежегодник. Состояние..., 2000).

Выбросы от автотранспорта в воздушный бассейн в 2001 г., оцененные по количеству реализуемого в городе моторного топлива (4200 тыс. т), составили более 1 млн. т токсических веществ в год (Автотранспортный..., 1999).

В таблице представлен список приоритетных веществ, определяющих уровень загрязнения атмосферы в г. Москве (Краткий..., 2001).

Таблица

Приоритетные вещества Доли ПДК Отрасли предприятий, которые ответственны за высокий уровень загрязнения

Диоксид азота 2,0 Автотранспорт, энергетика, промышленность, нефтехимия и др.

Формальдегид 2.0

Аммиак 1,8

Бенз(а)пирен 1,3

Оксид углерода 1,0

Из таблицы видно, что для Москвы характерно весьма высокое загрязнение воздуха диоксидом азота, что, в основном, связано с выбросами автотранспорта и ТЭЦ. Средняя концентрация бенз(а)пирена — индикатора загрязнения канцерогенными полиароматическими углеводородами — превы-

сила стандарт ВОЗ в 1,3 раза. Высокое содержание в воздухе характерно также для углеводородов (СХНУ).

Следует отметить, что в благоприятных условиях СО легко рассеивается. Значительному же повышению уровня загрязнения воздуха в Москве способствуют «пробки» на дорогах, нередко продолжающиеся десятки минут, инверсии, а также низкие скорости ветра в городе. Наиболее сложная экологическая обстановка связана с дорожной сетью, составляющей около 4,5 тыс. км, и особенно — с крупными автомагистралями, протянувшимися в городе на 1220 км. Основная причина заключается в низких экологических качествах эксплуатируемых автомобилей. По официальным данным 30 — 40 % автомобильного парка Москвы по техническому состоянию не соответствуют действующим в нашей стране экологическим нормативам, которые отстают от европейских более чем на 10 лет (Автотранспортный..., 1999). В результате для воздуха московских улиц стало характерным превышение даже среднегодовых значений ПДК.

В настоящее время существуют серьезные недостатки в развитии транспортного комплекса г. Москвы. За последние годы автомобильный парк города значительно вырос. По аналогии с мегаполисами с численностью населения Москвы (около 10 млн. человек) автопарк города может достигнуть к 2010 году 3,5-4 млн. единиц, т.е. 400 автомашин на 1000 населения.

В целях снижения объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в Москве производится установка систем нейтрализации на транспортных средствах, находящихся в муниципальной собственности. Так, на начало 2002 г. нейтрализаторы были установлены на 18,5 тыс. единиц автотранспорта городских предприятий. Пассажирский транспорт Мосгортранса и Мосавто-транса оснащен нейтрализаторами полностью. Планируется перевести на пропан-бутан 300 - 330 тыс. автомобилей, что позволит снизить суммарные выбросы отработанных газов на 3,5 - 4 %. Также производится замена двигателей на более экономичные и менее токсичные модификации, организация пересечения улиц на разных уровнях, выделение скоростных дорог безостановочного движения и полос движения общественного транспорта и др. Проведение подобных мероприятий позволило снизить суммарные выбросы от автотранспорта в 2000 г. на 7,7 %, в 2001г. — на 14,5 %.

В связи с вышесказанным настоящая работа посвящена исследованию процесса рассеяния в атмосфере окиси углерода от автомобильного транспорта как одного из основных источников загрязнения атмосферного воздуха в Москве СО. Актуальность и важность таких исследований обусловлена тем, что наибольшую сложность при мониторинге загрязнения атмосферы представляет анализ процесса рассеяния в атмосфере (Уорк К., Уорнер С., 1980) и оценка выброса вредных веществ в атмосферу от передвижных источников (Климат..., 1995).

Результаты исследования. Выводы и дискуссия. Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания содержат около 2000 компонентов, в том числе окись углерода. Окись углерода представляет собой бесцветный газ, который образуется при неполном сгорании органических соединений углерода. СО поступает в атмосферу Москвы в основном от автотранспорта с бензиновыми двигателями. До 1993 г. концентрация СО в атмосфере города не превышала ПДКсс. В 1993 - 1995 гг. в связи с ростом автомобильного парка города (в основном за счет подержанных автомашин) отмечался устойчивый рост загрязнения атмосферы Москвы оксидом углерода. В 1995 - 1998 гг. наблюдалось сначала незначительное, а в 1997 - 1998 гг. — заметное снижение уровня

загрязненности атмосферы г. Москвы оксидом углерода, что обусловлено мерами по ужесточению контроля над выбросами этой примеси в атмосферу от автотранспорта. В 1998 - 1999 гг. вновь наметился рост средней концентрации оксида углерода в атмосферном воздухе города. Среднегодовая концентрация оксида углерода в 1999 г. превысила ПДКсс, что можно объяснить как ослаблением контроля за выбросами вредных веществ в атмосферу, так и увеличением выбросов в период работы двигателей автомобилей на «холостом» ходу (в автомобильных пробках). Известно, что оксид углерода считается вдыхаемым ядом, который лишает ткани человека кислорода, из-за чего нарушается процесс дыхания. Более того, высокие концентрации СО могут приводить к смерти человека. Исследования Московского центра Госсанэпиднадзора показали, что динамика распространения среди москвичей экологически зависимых заболеваний, вызванных загрязнением атмосферного воздуха, имеет устойчивую тенденцию и совпадает с динамикой роста выбросов загрязняющих веществ автотранспортом (Автотранспортный..., 1999; Государственный..., 2000).

Измерение концентрации окиси углерода было проведено в период со 2 по 4 июля 2002 г. у Варшавского шоссе г. Москвы около поста № 20 МосЦГМС, по данным которого Москва включена в Приоритетный список городов с наибольшим загрязнением воздуха. Интенсивность движения автотранспорта была не ниже 6000 автомобилей в час. Отбор проб воздуха проводился на высоте I— 1,6 м в течение 5-7 мин. Измерения концентрации СО проводились с помощью газоанализатора «Палладий-3». Метод измерения — электрохимический. Диапазон измерения: 0 — 50 мг/м3. Обработанные результаты измерений представлены на рис. 1. На рис. 1 цифрами 1-3 обозначены графики зависимости концентрации угарного газа С со в зависимости от расстояния х от дороги в перпендикулярном к ней направлении Ссо ~ Ссо(х) (последний замер проведен вблизи наиболее близкого от дороги здания) в указанные дни соответственно. Цифрой 4 обозначен график, являющийся результатом усреднения графиков 1-3. Усреднение результатов измерений проЕедено для учета усредненного движения масс воздуха, турбулентных флуктуаций скорости и массовой диффузии на процесс рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы (Егоров А.А., 1996). Такое усреднение было возможно по двум причинам: 1) близость основных метеопараметров в дни измерений в районе поста: I ~ 24-25° С; скорость ветра и < 1 м/с; отсутствие инверсий, дождя и тумана; 2) линейный «источник» загрязнения был в пределах 10 % погрешности примерно одной и той же интенсивности ( 0,22 автомобиля/м). Отметим, что в работе (Егоров А.А., 1996) приведена общая формула усредненной по ансамблю реализаций концентрации загрязнителя для случая комбинации инверсии оседания и радиационной инверсии и проанализированы основные частные случаи.

Как видно из рис. 1, концентрация загрязнителя в стороне от дороги не превышает максимальной разовой ПДКмр (Ссопдк.мр ~ 5 мг/м3). В центре шоссе в один из дней отмечалось примерно трехкратное превышение максимальной разовой концентрации (ПДКмр), т.е. в дни с таким типом погоды наиболее подвержены воздействию оксида углерода люди, переходящие шоссе с аналогичным движением автотранспорта, водители и пассажиры. Следует заметить, что среднее за год содержание в воздухе угарного газа немногим превышает ПДК, а максимальные разовые значения достигают 3-5 ПДКмр на ряде автомагистралей (около постов № 20 и № 35 МосЦГМС).

X, м

Рис. 1. Графики зависимости концентрации угарного газа Ссо в зависимости от расстояния х от дороги в перпендикулярном к ней направлении: 1-3 — экспериментальные данные; 4 — график, являющийся результатом усреднения экспериментальных данных. Вертикальные линии — 10 %

погрешность

Отметим, что основную информацию о загрязнении атмосферного воздуха в Москве получает МосЦГМС. Ряды наблюдений по нескольким постам составляют более 25 лет. В настоящее время действующими являются 16 стационарных постов, расположенных в разных округах города по принципу максимального охвата различных условий формирования загрязнения атмосферы (3 — в жилых массивах; 5 — в жилых массивах, подверженных влиянию промзон; 4 — на автотрассах; 2 — в промзонах; по одному в центре города и в зеленой зоне).

На рис. 2 цифрой 1 обозначен график 4 с рис. 1, а цифрой 2 — его экстраполяция при х > 45 м. Цифрой 3 отмечен график гауссовой функции, аппроксимирующей данную кривую. Видно, что в пределах указанной 15% погрешности усредненный график зависимости Ссо(х) хорошо описывается подобранной гауссовой аппроксимирующей функцией при 0 < х < 100 м. Цифрой 4 отмечен график, полученный в результате расчета по известной гауссовой модели турбулентной диффузии (см. ниже) (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров А.А., 1993; 1996; Егоров А.А., Боргояков B.C., 1999). На рис. 2 приведен один из полученных в результате численного эксперимента графиков (график 4), хорошо совпадающих в пределах указанной 15% погрешности с усредненным графиком 1 при 10 < х < 70 м (см. вставку на рис. 2). При расчетах варьировались следующие параметры: скорость и направление ветра, интенсивность выброса загрязнителя линейным источником, высота линейного источника и ряд других (естественно в определенных пределах). В интервале изменения 10 < х < 100 м в пределах указанной погрешности усредненный график зависимости Ссо(х) удовлетворительно описывается кривой, рассчитанной в рамках известной гауссовой модели, приближенно описывающей явление турбулентной атмосферной диффузии (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров А.А., 1996). Расхождение данных графиков при х < 10 м объяс-

няется, по-видимому, недостаточно точным учетом в приближенной модели зависимости коэффициентов турбулентной диффузии от величины х, а также особенностями поведения решения при X —> 0 (поэтому график 4 при X < 10 м дан штриховой линией); а при х > 95 м — в основном тем, что данные в интервале 45 < х < 100 м (график 2) не измерены, а экстраполированы по экспериментальным данным, т.к. здания помешали нам провести отбор проб воздуха при х > 45 м.

Модель турбулентной диффузии является отправной для различных моделей рассеяния примесей (загрязнителей и др.) в атмосфере. Основное уравнение модели достаточно сложно, но при некоторых допущениях для инженерных приложений оно может быть упрощено и представлено в следующем виде (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров А.А., 1996)]:

йС _ д2С _ Э2С _ д2С Л=д&г+°'^г+д^г’

где С(х, у, I) — концентрация примесей в атмосфере, 1 — время, Д — величины коэффициентов турбулентной диффузии в направлении трех координатных осей (массовые коэффициенты диффузии).

X, м

Рис. 2. Графики концентрации угарного газа в зависимости от расстояния х от дороги в перпендикулярном направлении: 1 - график 4 с рис. 1; 2 - экстраполяция графика 1 при х > 45 м.; 3 — график гауссовой функции, аппроксимирующей кривую 1-2; 4 — расчетная зависимость

Это уравнение иногда называют уравнением фикковской диффузии. К реальным процессам в атмосфере его применить затруднительно. Поэтому решение (1) ищется при типичных предположениях: 1) источник загрязнения точечный (или линейный протяженный), непрерывно работающий; 2) процесс квазистационарен (дС/дt - 0); 3) направление основного переноса, обусловленного ветром, совпадает с осью х; 4) скорость ветра и на уровне источника высотой Н предполагается постоянной; 5) перенос загрязнителей по ветру преобладает над диффузией в том же направлении, т.е. \идС/дх\ » \Ох(<Р-С/дх2)\\ 6) коэффициенты массовой диффузии при заданном расстоянии считаются постоянными. Решение уравнения (1) ищется при вполне естественных физических граничных условиях (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров

А.А., 1996): 1) С — +оо при х — 0, 2) С —> 0 при х, у, z — да, 3) Dz(dC/dz) — 0 при z —» О (диффузия на поверхности отсутствует), 4) Q = \\uCdydz, х > 0 (скорость выброса Q из источника равна скорости переноса загрязнителей в направлении ветра и постоянна). Решение так называемой прямой задачи рассеяния газообразного загрязнителя (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров А.А., 1996) при заданных величинах и, Q, Н и известном типе погоды (классе атмосферной устойчивости) заключается в расчете зависимости концентрации загрязнителя С в зависимости от расстояния х. С = С (х, у, £), где значения у и z определяются условиями эксперимента (как указано выше z = 1,6 м). Расчет значений С(х, у, Z) в зависимости от х проводился в основном с шагом Ах = 0,5 - 1 м, т.е. выходной файл данных имел 150 — 300 значений. Построение соответствующих графиков и обработка полученных численных данных проводилась с использованием системы статистического анализа численных и графических данных «Microcal Origin 5.0». Построенные графики экспортировались в растровом формате, позволяющем представить зависимость С = С (х, у, z) в удобном для зрительного анализа виде. На рис. 2 приведена часть графиков, полученных при обработке входного массива экспериментальных и модельных данных.

Поведение экстраполированного графика 2 и графиков 3-4 достаточно очевидно и хорошо соответствует поведению концентрации загрязнителей при неустойчивой стратификации атмосферы: при удалении от автомагистрали на расстояние порядка 50-100 м вдоль оси х концентрация не превышает ПДК. Этот факт широко используется при строительстве домов около автомагистралей. Однако надо учитывать, что при невысоких скоростях ветра в направлении оси х и, особенно при приподнятых атмосферных инверсиях, возможно резкое увеличение концентрации загрязнителей даже на расстояниях около 50-100 м от дороги. Поэтому, на наш взгляд, расстояние 80-100 м является минимально необходимым при строительстве жилых домов около крупных автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта. По этим же причинам не рекомендуется увеличивать поток автотранспорта в «спальных» районах, ограниченных высотными зданиями, где расстояние домов от дороги менее 30-50 м., поскольку это ведет к уменьшению расчетной способности рассеяния газовых выбросов автомобилей в данном микрорайоне. И, как следствие, наблюдается интенсивное загрязнение атмосферного воздуха угарным газом и другими компонентами выхлопов, как на улицах, так и в жилых зданиях, расположенных вдоль данных улиц, особенно при неблагоприятных атмосферных условиях. Например, учет приподнятой инверсии (расположенной на уровне « 50 — 70 м) по простой модели двух отражающих поверхностей (Уорк К., Уорнер С., 1980) показал, что максимальное значение концентрации СО (рис. 2, кривая 4) может возрастать от 1 до 10 ПДК при уменьшении высоты отбора проб воздуха z примерно от 2 до 0,9 м.

Важно также отметить, что для территории Москвы характерен умеренный потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА), который меняется в течение года. Так, зимой при малой повторяемости слабых ветров и увеличении количества осадков метеорологические факторы, способствующие очищению атмосферы, преобладают над факторами, способствующими ее повышенному загрязнению. Летом же — наоборот — создаются наиболее неблагоприятные условия. Однако для всех сезонов проявляется существенное различие ПЗА для севера и юга города: в северных районах Москвы наблюдаются условия, способствующие рассеянию примесей, а в южных — накоплению. В связи с этим строительство крупных предприятий и транспортных магистралей в южной части города, которое активно реализуется в настоящее время, может усугу-

бить ситуацию с загрязнением воздушного бассейна г. Москвы. То же самое можно сказать о центре города: здесь главная причина заключается в наличии очага теплоты над центром, который создает местную циркуляцию с окраин к центру города.

В результате проведенного исследования установлено, что можно с точностью, удовлетворяющей экспериментальные потребности, описывать усредненный график зависимости концентрации загрязнителя и проводить оценку выброса вредных веществ в атмосферу от подвижных источников в рамках гауссовской модели турбулентной диффузии. Следовательно, в пределах указанной выше погрешности можно анализировать процесс переноса и рассеяния примесей в атмосфере! и прогнозировать концентрации веществ, загрязняющих атмосферу с помотцью достаточно простой гауссовой модели, широко применяемой в прикладных экологических исследованиях. Заметим, что гауссова модель атмосферной диффузии относится к числу наиболее распространенных методов расчета загрязнения атмосферы (Уорк К., Уорнер С., 1980; Егоров А.А., 1996; Мониторинг..., 2001). В частности, подобная методика рекомендована для применения в США Агентством по охране окружающей среды. Достоинством модели является ее сравнительно высокая точность при достаточно простой параметризации факторов, которые влияют на рассеяние примесей в атмосфере (Уорк К., Уорнер С., 1980; Мониторинг..., 2001).

В результате проведенного исследования установлено, что процесс рассеяния окиси углерода и формирование профиля концентрации на удалении от линейного источника загрязнения зависят в основном от следующих факторов: 1) интенсивности выброса загрязнителя (пропорционально числу автомобилей/м); 2) его высоты; 3) скорости и направления ветра; 4) метеорологических условий (тип атмосферной устойчивости). Проведенные исследования, несомненно, указывают на необходимость дальнейшего развития и совершенствования, как экспериментальной методики, так и теоретической модели, описывающей процессы рассеяния загрязнителей в атмосфере города Москвы. В заключение важно, отметить, что МосЦГМС не имеет станций и постов лазерного мониторинга атмосферы, позволяющих проводить дистанционное оперативное наблюдение за приоритетными загрязнителями в экологически неблагополучных районах города. Поэтому нам представляется важным и перспективным, как развитие исследований процесса рассеяния в атмосфере газообразных загрязнителей от основных источников загрязнения атмосферного воздуха в Москве, так и скорейшее внедрение в практику станций лазерного мониторинга состояния атмосферы (Назаров И.М., и др., 1983; Зуев В.Е., Наац И.Э., 1982).

Благодарности. Авторы выражают искреннюю благодарность сотрудникам отдела мониторинга атмосферы МосЦГМС (начальник Чиркова Л.П., ведущий инженер Оновалюк Т.И. и др.) за помощь в проведении измерений концентрации оксида углерода и метеопараметров.

ЛИТЕРАТУРА

Автотранспортный комплекс и экологическая безопасность. — Московская городская Науч.-пракг. конфер. - М.: Издат. Прима-Пресс, 1999. - 306 с.

Краткий ежегодник состояния атмосферного воздуха в г. Москве и городах Московской области за 2000 г. / Гл. ред. Ефименко Н.В. - М.: МосЦГМС, 2001.- 30 с. Ежегодник. Состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России в 1999 г. - СПб: Гидрометеоиздат, 2000. - 240 с.

Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль.-М.: Мир, 1980.—640 с.

Климат, Погода, Экология Москвы / Под ред. Клинова Ф.Я. С.-П.: Гидрометеоиз-дат, 1995. — 439 с.

Егоров А.А. Рассеяние примесей в атмосфере // Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 1996, №1. — С. 54-60.

Егоров А.А. Рассеяние примесей в атмосфере с температурной инверсией // Тез. докл. 29-й Научн. конф. ф-та физ.-мат. и естеств. наук РУДН, 17—31 мая 1993, Москва. - М.: РУДН, 1993. - С. 46.

Егоров А.А., Боргояков B.C. Перенос загрязнителей в атмосфере: моделирование и лазерные методы контроля // Тез. докл. 10-й Межд. НТК "Лазеры в науке, технике, медицине", 20-24 сентября 1999, Сочи. М., 1999. - С. 146-148.

Мониторинг и методы контроля окружающей среды: Учеб. пособие в двух частях: Часть 2. Специальная / Ю. А. Афанасьев, С. А. Фомин, В. В. Меньшиков и др. — М.: Изд-во МНЭПУ, 2001 - 337 с.

Государственный доклад о сотоянии окружающей природной среды Москвы в 1999 году // Госкомитет по охране окружающей среды Москвы. — М.: Издат. Прима-Пресс, 2000. — 305 с.

Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. - JL: Гидрометеоиздат, 1983. - 278 с.

Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. — Новосибирск: Наука, Сибирское отд., 1982. - 242 с.

INVESTIGATION OF THE PROCESS OF THE CARBON’S OXIDE DIFFUSION IN THE ATMOSPHERE FROM THE MOTOR

TRANSPORT

A.A. Egorov, O.I. Grozdova, Yu.I. Tsareva

Ecological Faculty, Peoples’ Friendship Russian University,

Podolskoye shosse, 8/5, 113093, Moscow, Russia

In the present paper the results of the investigation of the process of the carbon’s oxide diffusion in the atmosphere from the motor transport are presented. The concentration of the carbon’s oxide was measured near the post # 20 of the Moscow Hydrometeorology and Environment Monitoring Center from 2 to 4 July 2002. The experimental data are processed and interpreted.