О решении обратной задачи моделирования опасного воздействия частиц РМ 2,5 и pМ 10 в окрестности автомагистрали

БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

О РЕШЕНИИ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОПАСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ РМ2,5 И РМ10 В ОКРЕСТНОСТИ АВТОМАГИСТРАЛИ

В.Н. Ложкин, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации; М.А. Марченко; Н.В. Невмержицкий. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России

Излагается гипотеза физической природы образования взвешенных частиц в автотранспортном потоке, ставится и экспериментальным путем решается обратная задача моделирования источника чрезвычайно опасной эмиссии частиц РМ2,5 и РМ10 на автомобильной дороге. Полученные результаты предполагается использовать в дальнейшем для решения прямой задачи моделирования диффузии взвешенных частиц в стратифицированной атмосфере, прилегающей к автомагистрали.

Ключевые слова: автомагистраль, транспортный поток, частицы РМ2,5 РМ10, и воздушная среда, чрезвычайно опасное загрязнение, моделирование

ON THE SOLUTION OF THE INVERSE PROBLEM OF MODELING THE IMPACTS OF PARTICLES PM2,5 AND PM10 IN THE VICINITY OF THE MOTORWAY

V.N. Lozhkin; M.A. Marchenko; N.V. Nevmerzhitskiy. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia

The article presents the hypothesis of the physical nature of education suspended particles in the transport stream, and is experimentally solved the inverse problem of modeling the source of extremely dangerous emission of particles PM25 and PM10 on the road. The results obtained will be used in the future to solve the direct problem of modeling the diffusion of suspended particles in a stratified atmosphere, adjacent to the motorway.

Keywords: highway, traffic flow, particles PM25 and PM10, air environment, it is extremely dangerous pollution, modelling

В настоящее время все более актуальной становится задача изучения вредного воздействия на население частиц РМ2,5 и РМ10 в окрестности крупных автомагистралей. Это связано с увеличением общего количества автотранспортных средств (АТС) [1]. По мнению специалистов [2], данная проблема может приобрести чрезвычайный характер в урбанизированных мегаполисах, сопровождающийся многократным превышением предельно-допустимой концентрации (максимально разовой) (ПДКМр) по вредным (загрязняющим) атмосферу веществам в окрестности крупных автомагистралей [3, 4].

В связи с невозможностью постановки натурных исследований чрезвычайных ситуаций, загрязнения атмосферного воздуха в окрестности автомагистралей, приходится прибегать к расчетным методам их прогнозирования для, так называемых, неблагоприятных транспортно-метеорологических и градостроительных ситуаций на основе физического и математического моделирования процессов образования и диффузии вредных (загрязняющих) веществ. Такая задача, как известно, в постановке прямого моделирования составляющих чрезвычайную ситуацию явлений успешно решена для газообразных и аэрозольных частиц отработавших газов АТС [4].

Источник общей массы взвешенных частиц РМ2,5 и РМю, в интересующем смысле чрезвычайности, является неопределенным и, следовательно, требует применения метода решения обратной задачи моделирования [5] с уяснением его физической природы и подтверждения вероятности его чрезвычайного проявления экспериментальным путем -замерами концентраций частиц опасного фракционного состава непосредственно на дороге, то есть в самом источнике.

Здесь уместно заметить, что уже на стадии постановки данного исследования, на основании чисто визуальных наблюдений на дороге и в потоке АТС, была убежденность в том, что чрезвычайный характер проявления источника эмиссии РМ2,5 и РМю будет носить явно выраженный локальный характер как по месту, так и по времени. Но появление таких, по физическому смыслу чрезвычайных флуктуаций аномально высоких значений концентраций в источнике, надо было доказать уяснением физической природы явления и его экспериментальными исследованиями.

Физика образования частиц. На автомобильной дороге, в отличие от классических источников генерации опасных частиц [5], разрушение слоя материала, образовавшегося ранее из осевших на полотно дороги, привнесенных извне частиц, кусков наносного грунта, антиобледенительных реагентов - в частицы (преодоление сил сцепления между осевшими частицами - преодоление сил адгезии с дорожным полотном) происходит раздавливанием его шинами вращающихся автомобильных колес (как в жерновах).

Последующий процесс эмиссии (выноса) частиц в атмосферу над дорожным полотном инициируется двумя физическими факторами:

- естественными ветровыми завихрениями в структуре набегающих порывов ветра (интенсивность выноса в этом случае зависит от скорости ветра, геометрической конфигурации прилегающих препятствий, окаймляющих дорогу, наличия или отсутствия сталкивающихся над дорогой разнонаправленных воздушных масс;

- турбулентными завихрениями воздушных масс над дорогой движущимся по ней автомобильным транспортом (интенсивность выноса, в этом случае, зависит от скорости движения и плотности транспортного потока).

На отмеченные процессы выноса частиц из осевшего на дорогу слоя накладываются процессы вноса частиц в результате эмиссии частиц с отработавшими газами автомобильных двигателей, частиц истирания шин и дорожного полотна при их взаимодействии, истирания тормозных колодок и тормозных барабанов при их взаимодействии, частиц от перевозимого автотранспортом насыпного материала (гравия, песка, торфа, грунта и т. д.).

При сухой погоде процессы выноса частиц на дороге происходят и в штиль, но более интенсивно при ветровой нагрузке. В этом случае они суммируются с процессами вноса частиц извне и от движущегося автотранспорта.

При влажной погоде и влажном полотне дороги результирующий процесс накопления частиц над дорогой определяется только процессами вноса частиц от автотранспорта.

Процессы истирания зависимы от динамики движения транспортных средств (разгон-торможение). Интенсивность эмиссии частиц вместе с отработавшими газами зависит от типа автомобиля (легковой, грузовой, дизельный, газобаллонный) и его технического состояния. Эмиссия частиц от перевозимого насыпного груза зависит от вида материала этого груза, степени его герметизации, скорости движения транспортного средства

и состояния дорожного полотна (встряхивания кузова и сыпучего груза при наезде на дорожное препятствие - возвышение на дорожном стыке, трещина и т. п.).

В связи со сказанным было сделано научное предположение (гипотеза) о возможности появления на проезжей части автомобильных дорог с интенсивным движением автотранспорта локальных по месту и краткосрочных во времени явлений пиковой флуктуации значений концентрации частиц с экстремальным превышением предельно допустимых значений.

Для доказательства этой гипотезы была решена локальная обратная задача моделирования источника путем проведения замеров концентрации РМ2,5 и РМ10 на конкретной дороге, то есть, оценки загрязнения воздуха частицами опасного фракционного состава с целью последующего комплексного использования известных математических формул для определения геометрических параметров источника образования частиц и его внутренних характеристик, таких как скорость гравитационного оседания частиц, суммарная масса выносимых частиц, средние значения концентрации частиц в «виртуальном» источнике (на локальном участке автомагистрали) и др. [5].

Эксперименты и расчеты были проведены по участку кольцевой автодороги (КАД) Санкт-Петербурга в районе ул. Запорожской. Данный участок автомобильной дороги (рис. 1) интересен тем, что это единственное место, где дорога проходит в непосредственной близости от жилой застройки, а интенсивность движения АТС в часы пик достигает внушительной величины 4000 авт./час (1400 авт./час приходится на грузовые автомобили). Ширина проезжей части на этом участке составляет 14,8 м, протяженность 500 м.

Рис. 1. Экспериментальный участок КАД вокруг Санкт-Петербурга над ул. Запорожской

На этом участке дороги легковые машины двигаются со скоростью, составляющей 70 %, грузовые машины - 50 % от максимально разрешенной скорости [6].

Для решения поставленной специфичной научной задачи встал вопрос выбора метода и прибора, который бы позволял производить непрерывное измерение концентрации частиц, примерно с 10 сек. временным разрешением, непосредственно на автомобильной дороге. Гравиметрические способы измерения, принятые в настоящее время в качестве эталонных

методов [2], требуют дискретного анализа и по этой причине не удовлетворяли.

Выбор пал на оптический метод косвенного измерения концентрации частиц лазерной спектрометрии с детектированием рассеянного света, прибором DUCTTRAK, модель 8530 (изготовитель TSI Incorporated USA), общий вид которого показан на рис. 2, метрологические характеристики (табл. 1).

Рис. 2. Общий вид прибора БиСТТЯЛК, модель 853 с пробоотборником и четырьмя сменными фильтрами для отсеивания частиц ПМи, ПМ4, ПМ2 5, ПМ1

Таблица 1. Метрологические характеристики прибора DUCTTRAK, модель 853

Тип датчика Лазерный диод, 90 0 рассеивание света

Диапазон измерений 0,001-100 мг/м3

Разрешение: ± 0,1 % от измеряемой величины, или ±0,001 мг/м3, что больше

Диапазон размера частиц 0,1 - приблизительно 10 мкм

Диапазон расхода пробы 1,4-3,0 л/мин

Погрешность задания расхода ±5 %

Температурный коэффициент +0,001 мг/м3 на 1 °С

Пределы допускаемой основной приведенной погрешности 20 %

Регистрация данных 45 дней при усреднении проб в интервале 1 мин

Интервал регистрации данных Регулируемый от 1 с до 1 ч

Время непрерывной работы 18 часов

Измерения на КАД над ул. Запорожской производились 1 апреля 2015 г. во временном интервале высокой интенсивности движения автотранспорта с 17:30 ч до 18:50 ч. Температура воздуха в этот день составляла +3 0С, скорость ветра 2 м/с, относительная влажность 65 %. На рис. 3-6 представлены характерные примеры измерений, в табл. 3 - значения концентраций частиц.

Таблица 2. Характерные значения измеренных концентраций частиц на КАД

Взвешенные частицы РМ10, мг/м3 РМ4, мг/м3 РМ2,5, мг/м3 РМ!, мг/м3

Среднее значение 0,023 0,024 0,036 0,018

Максимальное значение от 0,042 до 2-20 0,039 0,436 0,161

Минимальное значение 0,017 0,017 0,018 0,011

При анализе полученных экспериментальных данных на КАД Санкт-Петербурга необходимо иметь в виду, что Постановлением Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 19 апреля 2010 г. № 26 введено в действие Дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест», согласно которому установлены ПДК для взвешенных частиц РМ2,5 и РМ10 [7]. Значения ПДК для разных периодов осреднения приведены в табл. 3. Они не учитывают химический состав частиц.

Таблица 3. Значения предельно допустимых концентраций частиц

Наименование вещества Величина ПДК

максимальная разовая среднесуточная среднегодовая

Взвешенные частицы РМ10 0,3 0,06<*> 0,04

Взвешенные частицы РМ25 0,16 0,035<*> 0,025

<*> 99 процентиль

РМ 10

ООЮг^СЛФгПОГ^

«нгоьЛФОООгмт

N (71 го О г^ го ьо Г^ N NN NN N

-РМ 10

-Линейная {РМ 10)

Время, с

+

Рис. 3. Результаты измерения РМю на КАД с 16:44 ч до 16:49 ч

Пиковые значения концентраций частиц могут быть связаны с резким влиянием отдельных групп проезжавших автомобилей. Измерения проводились на обочине дороги

с подветренной стороны от проезжей части. По крайней правой полосе, в основном, двигались грузовые автомобили большой грузоподъемности, по внешнему виду - разного технического состояния. При движении от этих передвигающихся автомобилей ощущалось воздействие мощных турбулентных потоков воздушных масс.

Как видно из рис. 5, 6 на КАД удалось зафиксировать явления аномальной флуктуации в изменении концентраций ПМю, физическую природу которого еще предстоит исследовать и понять.

Выполненными исследованиями удалось решить поставленную научную задачу, связанную с установлением свойств локального источника эмиссии частиц опасных для населения фракций (автострады). Путем измерений показана возможность появления на проезжей части автомобильных дорог с интенсивным движением автотранспорта локальных по месту и краткосрочных во времени явлений пиковой флуктуации значений концентрации частиц, до 3-20 раз превышающих предельно допустимые величины.

РМ 2,5

1|]'ТШП11ГШП!1111П11П11]ПШПШ'Г11111МШ НП'ИШ'ППНШ'ППП'НШ! СО^г^СПЮгООГ^^

(гоип^ОСООг^сО

1ГГ1ШПШ11Ш1!1ШП11ГтН!1ШГШ1!1ШГШ111П!

«оои^г^о^ иэто

-РМ 2,5

-Линейная

Время, с

Рис. 4. Результаты измерения РМ2,5 на КАД с 17:02 ч до 17:07 ч

РМ10

25

20

15

к

га

? 10 х

01 § 5

РМ10

Время,с

Рис. 5. Изменение концентрации РМ10 на КАД с 17:15 ч до 17:20 ч

Рис. 6. Изменение концентрации РМю на КАД с 17:21 ч до 17:26 ч

Принимая во внимание вероятность появления на дорогах частиц с адсорбированными канцерогенами, можно допустить, что в таких локальных зонах складываются чрезвычайно опасные для населения ситуации в ближайшей от автомагистрали окрестности.

В зависимости от наличия конкретной доступной информации, по основным источникам поступления частиц в атмосферу над автострадой, могут быть применены известные формулы [5] для оценки некоторых параметров, характеризующих в целом «виртуальный» источник эмиссии частиц (автостраду).

Далее в рамках решения обратной задачи моделирования приводим подход, основанный на выполнении таких оценок по данным литературных источников.

Величина выбросов частиц дифференцирована по легковым и грузовым автомобилям и определяется по источнику образования частиц из работы [2]. В табл. 4 приводятся результаты выполненного перерасчета мг/км в г/с мощности выброса частиц (г/с) для последующего расчета суммарной массы частиц, скорости гравитационного оседания и концентрации частиц для некоторых фракций. При этом частицы, которые образуются в результате истирания шин и дорожного полотна в расчете, пока не учитывались по причине малых значений (менее 0,5 % по массе).

Мощность образования частиц предлагается оценивать по формуле:

о

Мвл= 10-5 ^ • ^т Ц сАг ;

В г

где 8Л - площадь поверхности образования частиц (м2); Ст - концентрация частиц в воздухе /-ой фракции (мг/м3).

Таблица 4. Пример расчета мощности образования частиц по формуле

Средняя скорость при движении на КАД в часы пик Итого

Тип АТС легковые АТС 80 км/ч грузовые АТС 50 км/ч

Скорость проезда 1 км 45,04 сек. 72 сек.

Источник Мощность выбросов г/с Мощность выбросов г/с

Тормозные колодки 3,552*10-5 0,125*10-3 1,605*10-3

Сажа в отработавших газах 4,529*10-4 1,653*10-3 2,107*10-3

Вторичное вовлечение пыли 6,217*10-3 2,222*10-3 2,844*10-3

Итого 1,111*10-3 0,004 5,111*10-3

Значение суммарной массы частиц различных фракций предлагаем оценивать по формуле:

тсЛ=Мвл  Nв • гпл;

где Мт - мощность эмиссии частиц /-ой фракции разными источниками (г/с); Nв - число источников эмиссии частиц. Пример расчета данного показателя представлен в табл. 5.

Таблица 5. Оценка массы частиц различных фракций по формуле

Источник Мощность выбросов г/с Период образования ВЧ, с Площадь поверхности образования ВЧ, м2 Масса ВЧ, г

Тормозные колодки 0,161*10-3 20 7400 3,211*10-3

Сажа в отработавших газах 2,106*10-3 20 7400 42,114* 10-3

Вторичное вовлечение пыли 2,844*10-3 20 7400 56,878* 10-3

Итого 5,110*10-3 20 7400 0,102

При определении скорости гравитационного оседания частиц ключевым фактором является определение качественного состава взвешенных частиц (ВЧ). Есть необходимость рассмотрения каждого источника образования ВЧ в отдельности. Тормозные колодки и продукты их истирания различны. Причина кроется в большом количестве комбинаций изготовления. Современная фрикционная подложка тормозных колодок состоит из абразива, модификатора трения, продюсера трения, наполнителя, усилителя, связующего элемента.

Модификаторы, продюсеры трения и наполнитель - это материалы на которые возлагается две функции:

- управление фрикционной пленкой между трущимися колодкой и диском;

- продюсеры в большей части содержатся в колодках.

Наиболее опасным элементом, входящим в состав тормозных колодок является асбест. Плотность асбеста составляет 2,5 г/см3.

Сажа является источником образования ВЧ при движении АТС по автомагистралям. Сажа - дисперсный углеродный продукт неполного сгорания или термического разложения углеводородов, состоящий из сферических частиц чёрного цвета. Частицы сажи образованы из слоев углеродных атомов, подобных слоям в графите. Эти слои состоят из шестиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода. Плотность сажи составляет до 2,0 г/см3 [8, 9].

Определение плотности ВЧ, которые вторично вовлекаются в процесс эмиссии, наиболее сложная задача по причине разнообразности элементов в его составе. На это влияют как природные, так и техногенные факторы. Учитывая вышеизложенное, определим плотность наносных частиц как среднее значение всех элементов, входящих в их число, и принимаем равной 2,25 г/см3.

Сравнительная токсическая опасность ранее приведенных видов частиц представлена в табл. 6 [10].

По данным о плотностях частиц можно оценить по формулам (3) и (4) скорость гравитационного оседания частиц источника каждого вида и среднее гравитационное оседание ВЧ.

Таблица 6. Сравнительная токсическая опасность материала-поставщика частиц

Источник ВЧ Входящие элементы Токсичность Примечание

Тормозные колодки Асбест Токсичен -

Бариты Минимально токсичен -

Титанат калия Не токсичен -

Волластонит Минимально токсичен -

Вермикулит Не токсичен -

Базальтовый фибер Минимально токсичен -

Графит Не токсичен -

Отработавшие газы АТС Сажа Токсичен Абсорбирует молекулы бензо(а)перена

Дорожное полотно Минеральные материалы: щебень (либо гравий), песок Не токсичен -

Битум Минимально токсичен -

Шины АТС Каучук Не токсичен -

Сера Минимально токсичен -

Технический углерод Токсичен -

Для всех выделенных источников ВЧ транспортного процесса предлагается по формуле (3) рассчитывать скорость гравитационного оседания частиц

в воздухе для соответствующих размеров частиц гА (мкм):

1,3 • 10-2 • рп • гл 2;

где рп - плотность ВЧ в воздухе (г/см3); гА - радиус ВЧ (мкм).

Среднее гравитационное оседание ВЧ ы1ср предлагается рассчитывать по формуле:

wi ср =™«/ ;

где ЫВ - количество источников ВЧ каждой фракции при движении АТС. Пример с результатами таких оценок приведен в табл. 7.

По данным, к примеру, о плотности выпадения частиц на дорожное полотно на конкретном участке, например КАД Санкт-Петербурга, по формуле (5) можно рассчитать концентрацию частиц в воздухе для каждой фракции в зависимости от источника образования ВЧ:

5 Р 3

С А, = 105 А ;

• г па

где Р*А - плотность выпадения ВЧ (г/м2); 1« - продолжительность (эпизод) выделения ВЧ (с). Результаты отражены в табл. 8.

Таблица 7. Оценки скорости гравитацинного оседания частиц

Источник Плотность ВЧ г/см3 Размер ВЧ, мкм Скорость гравитационного Средняя скорость гравитационного

оседания, см/с оседания, см/с

Тормозные колодки 2,5 5 0,812

Сажа

в отработавших 2,0 2,5 0,162 1,3

газах

Вторично

вовлеченные 2,25 10 2,925

частицы

Таблица 8. Оценки концентраций частиц

Источник Скорость гравитационного оседания, см/с Плотность выпадений ВЧ, г/м2 Период образования ВЧ, с Концентрация ВЧ в воздухе, мг/м3 Средняя концентрация ВЧ в воздухе, мг/м3

Тормозные колодки 0,812 0,0001 20 0,812 1,288

Сажа в отработавших газах 0,162 0,0001 20 0,162

Вторичное вовлечение пыли 2,925 0,0001 20 2,925

Выполненными исследованиями удалось решить поставленную научную задачу, связанную с установлением свойств локального источника эмиссии частиц, опасных для населения фракций (автострады). Путем измерений показана возможность появления на проезжей части автомобильных дорог с интенсивным движением автотранспорта локальных по месту и краткосрочных во времени явлений пиковой флуктуации значений концентрации частиц, до 3-20 раз превышающих предельно допустимые величины.

В рамках постановки и решения обратной задачи моделирования могут быть получены оценки важнейших параметров, характеризующих автостраду как источник эмиссии частиц разных размеров и вида: мощность выноса частиц, скорость оседания (витания) в атмосфере, концентрацию и некоторые другие.

Полученные сведения об источнике эмиссии частиц опасных для населения фракций (автостраде) будут далее использованы при решении прямых задач расчетного прогнозирования опасных (чрезвычайных) ситуаций загрязнения атмосферного воздуха в окрестности крупных автомагистралей в условиях неблагоприятных транспортно-метеорологических, строительно-дорожных и градостроительных ситуаций.

Литература

1. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2013 г. / под ред. И.А. Серебрицкого. СПб.: ООО «Единый строительный портал», 2014. 173 с.

2. Пшенин В.Н. Загрязнение воздуха мелкодисперсными частицами около автомобильных дорог // III Всерос. междунар. конгресс «Модернизация и научные исследования в дорожной отрасли»: сб. науч. тр. М., 2013. С. 96-104.

3. Ложкин В.Н., Грешных А.А., Ложкина О.В. Автомобиль и окружающая среда.

Автомобильный транспорт как источник загрязнения воздушной среды // Проблемы и решения: справ.-метод. пособие. СПб.: НПК «Атмосфера», 2007. 250 с.

4. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint Petersburg using European and Russian calculation models // Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D». 2015. № 36. P. 178-189.

5. Яковлева Е.А. Об особенностях расчета осредненных за длительный период концентраций пылевидных веществ от наземных источников // Труды ГГО им. А.И. Воейкова. 2008. Вып. 558. С. 197-210.

6. СТ СЭВ 4940-84 Дороги автомобильные. Учет интенсивности движения // РЕМГОСТ. URL: http://www.remgost.ru (дата обращения: 10.03.2015).

7. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест: дополнение № 8 к ГН 2.1.6.1338-03 Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.2604-10 М.: Минздрав России, 2010.

8. Печковская К.А. Сажа, как усилитель каучука. М., 1968.

9. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. 3-е изд. М., 1970.

10. Химическая энциклопедия. URL: http://www.xumuk.ru/ (дата обращения: 10.03.2015).