О методической защищености информации мониторинга загрязнения воздушной среды в окрестности автомагистрали

О МЕТОДИЧЕСКОЙ ЗАЩИЩЕНОСТИ ИНФОРМАЦИИ МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ОКРЕСТНОСТИ АВТОМАГИСТРАЛИ

В.Н. Ложкин, доктор технических наук, профессор; О.В. Ложкина, кандидат химических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России. Д.И. Солодухин.

Санкт-Петербургский государственный экономический университет

Приводятся концепция, методология и результаты экспериментально-расчетного мониторинга загрязнения воздушной среды в окрестности автомагистрали. Внимание обращается на обеспечение информационной защищенности общепользовательской методики расчета интенсивности выбросов вредных (загрязняющих) веществ с отработавшими газами транспортного потока путем выведения теоретических (профессионально-логических) обоснований численных значений удельных выбросов вредных (загрязняющих) веществ по категориям автотранспорта в разряд «по умолчанию».

Ключевые слова: автотранспорт, атмосферный воздух, вредные загрязнения, защита информации

ON THE METHODOLOGICAL ZASEDENOSTI INFORMATION MONITORING OF AIR POLLUTION IN THE VICINITY OF HIGHWAYS

V.N. Lozhkin; O.V. Lozhkina.

Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia. D.I. Solodyhin. Saint-Petersburg university of state of economics

The article describes the concept, methodology and results of the calculation-experimental monitoring of air pollution in the vicinity of the motorway. The attention is paid to ensuring of information security share user, the methods of calculation of intensity of emissions of harmful (polluting) substances in exhaust gases of the transport stream by removing theoretical (vocational logical) justification of the numerical values of specific emissions of harmful (polluting) substances by categories of motor vehicles in the category of «default».

Keywords: vehicles, atmospheric air, harmful pollution, protection of information

Применение численных методов расчета воздействия автотранспорта на воздушную среду [1, 2], сочетающих современные теоретические подходы [3], математические модели [4], программные продукты [5], статистические данные типажа и возраста эксплуатируемого парка транспортных средств [6], данных непосредственных наблюдений интенсивностей и структуры автомобильных потоков на транспортных магистралях [7], становится все более эффективным средством долгосрочного прогнозирования техногенных свойств транспорта [8] и обоснования инструментов экологической логистики [9].

В современных условиях такого рода инструменты, обладающие известной оригинальностью, нуждаются в информационной защите. Одновременно с этим пользование ими заинтересованными лицами и организациями не должно вызывать у последних методических затруднений.

В настоящей статье излагаются концептуально-теоретические приемы, реализованные в ряде нормативно-методических федеральных и региональных (Северо-

запад Российской Федерации) документов [1, 2, 5], определяющих порядок расчетной оценки загрязнения воздушной среды автотранспортом, двигающимся по городским магистралям. Особое внимание уделено описанию теоретических (профессионально-логических) обоснований численных значений удельных (пробеговых) выбросов вредных (загрязняющих) веществ по категориям автотранспорта в транспортных потоках, которые в упомянутых документах, в целях защиты пользователей от необходимости применения специфической профессиональной информации, выведены в разряд информации «по умолчанию».

Теоретические и методические приемы

Сущность информационно-защищенной концепции и разработанной на ее основе методики состоят в следующем.

С позиций обеспечения интересов здоровья населения в условиях экстремальных транспортно-градостроительных и метеорологических ситуаций, вопреки установившейся практике контроля, предлагается назначать уровень, то есть «жесткость» нормативов «токсичности отработавших газов» автомобилей, в прямой зависимости от соблюдения предельно-допустимой концентрации (местной, разовой) (ПДКмр) в конкретных местах эксплуатации автотранспорта. С учетом метеорологических факторов, особенностей градостроительства, потребных транспортных объемов движения, фоновых экологических нагрузок, характера отчуждения территории (промышленная, селитебная или рекреационная), состояния здоровья населения, социальной обстановки в регионе и так далее. Причем при экстремальных интенсивностях движения автотранспорта (часы пик) и неблагоприятных метеорологических условиях (штиль, инверсии).

В этой связи возникает потребность физического моделирования миграции опасных веществ отработавших газов в окрестности автомагистрали.

В условиях реальной эксплуатации автотранспорта на городских магистралях имеют место только турбулентные потоки в атмосфере, когда количество движения переносится крупнообъёмными движущимися массами воздуха на автомагистрали и в ее окрестности. Теоретические закономерности распространения и пространственно-временного распределения загрязняющих примесей в атмосфере определяются путем решения уравнения атмосферной диффузии. Это уравнение в частных производных представляет собой математическую формализацию физического закона сохранения потока вещества и в этом смысле дает описание распространения атмосферных примесей от автотранспорта:

* + ± и* =± Дк. *-ад,

с1 ¿=1 дх. 1=1 дх. дх.

1 1 1

где д - рассчитываемая примесь; х; - координаты примеси, в дальнейшем обозначаются через х, у, Г; и - скорость ветра по х, у, г; К - составляющие средней скорости перемещения примеси и коэффициента обмена, относящиеся к направлениям оси х; (. = 1, 2, 3); а - коэффициент, определяющий изменение концентрации за счёт атмосферного метаболизма (превращения примеси).

Использование данного подхода математического моделирования турбулентной диффузии, который называют К-теорией, совместно с обоснованными упрощениями и эмпирическими уточнениями, лежащими в основе нормативного документа по расчету рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе «ОНД-86» [3], нашло выражение в соответствующей математической модели [4]. По данной модели рассчитываются с применением унифицированной программы «Эколог» [5] значения наибольшей суммарной концентрации вредной примеси из состава отработавших газов См (мг/м3), которые устанавливаются на некоторых расстояниях (Хм) от автомагистрали с двигающимися автомобилями:

С _ ЛМЕтП

Н

7/3

где А - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы; М - масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени (г/с), в случае автотранспортного потока - масса вещества, выбрасываемого группой автомобилей, образующих поток; Е - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость гравитационного оседания твердых частиц (пыли) в атмосферном воздухе на подстилающую поверхность, при расчете рассеивания в атмосфере сажи при работе двигателей передвижных транспортных средств рекомендуется принимать значения параметра Е=1; т' - безразмерный коэффициент, равный 0,9; ц- безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности, в случае ровной или слабопересеченной местности с перепадом высот, не превышающим 50 м на 1 км, г=1; Н - высота магистрали, как неорганизованного источника выброса, над уровнем земли.

Таким образом, транспортные потоки произвольных геометрической конфигурации и распределения интенсивности движения транспортных средств по автомагистрали представляются в виде совокупности линейных источников вредных выбросов, в окрестностях которых определяется загрязнение воздушной городской среды.

Для решения задачи в такой постановке ключевое значение стало приобретать моделирование непосредственных источников выбросов вредных веществ, то есть автомобилей в автотранспортном магистральном потоке. При этом сопоставимость оценок могла достигаться только единообразием установочных требований и допущений, в ущерб излишней детализации и «натурализации» анализа, которые бы потребовали существенных экономических затрат. В этой связи:

- во-первых, реальные выбросы автотранспорта, которые, в общем случае, определяются инструментальным мониторингом, заменялись гипотетическими выбросами, определяемыми расчетным путем на основе моделирования типажа, структуры и режима движения автомобилей;

- во-вторых, из-за многообразия типов автомобилей, все транспортные средства подразделялись на условные группы, характеризующиеся, в основном, принадлежностью к отечественным или зарубежным моделям; грузоподъемностью и классом (легковые, микроавтобусы и автофургоны, грузовые двух категорий и автобусы); способу организации рабочего процесса двигателей (с воспламенением от сжатия или от искры); вида применяемого топлива (бензин, дизельное топливо, природный и сжиженный нефтяной газ -для современных условий в РФ, в связи с ничтожно малым количеством газобаллонных автомобилей, - последнее, пока, не актуально).

- в-третьих, для каждой группы выявлялся «унифицированный» (характерный по массовости использования на 2010-2012 гг. в РФ) тип автомобиля, выброс отработавших газов которого характеризовал средний выброс отработавших газов данной группы автомобилей.

Таким образом, масса вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу в единицу времени стала определяться для пяти категорий автомобильного транспорта путем суммирования [1].

Выброс г-го загрязняющего вещества (г/с) движущимся автотранспортным потоком на автодороге (или ее участке) с фиксированной протяженностью Ь (км) определяется по формуле:

Т х

МЬ_—У М1к1 • Ок • '

Ь 1200 1 к, г к Гк-'

где МЬ. (г/км) - удельный пробеговый выброс г-го вредного вещества автомобилями к категории; х - количество категорий автомобилей; Ок - фактическая наибольшая

интенсивность движения, то есть количество автомобилей каждой из к категорий, проходящих через фиксированное сечение выбранного участка автодороги в единицу времени (20 мин) в обоих направлениях по всем полосам движения; г - поправочный

к, I

коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока Укд (км/час) на выбранной автодороге (или ее участке); Ь (км) - протяженность автодороги (или ее участка).

Оценка удельных пробеговых выбросов вредных (загрязняющих) веществ для выбранных категорий автотранспорта представляет собой весьма сложную и, порою, неопределенную задачу. На данном обстоятельстве следует остановиться подробнее.

Использовать в качестве значений выбросов непосредственно нормативы Специального технического регламента по Постановлению Правительства Российской Федерации от 12 октября 1995 г. № 609 (Правила ЕЭК ООН) в данном случае нельзя по следующим причинам:

- эти нормативы применяются только при проведении сертификационных испытаний автомобилей, то есть когда решается вопрос об их постановке на массовое серийное производство. Они не распространяются на автомобили, находящиеся в условиях эксплуатации;

- испытания производятся на технически исправных автомобилях по условному стандартному, так называемому, городскому «ездовому циклу» (существенно несопоставимо отличающегося от режима движения на автомагистрали) в строго выдерживаемых условиях температуры наружного воздуха, его влажности, барометрического давления и нагрузочных режимов;

- испытания выполняются на, так называемом, эталонном топливе, к качеству которого предъявляются особые требования, которым, строго говоря, может не соответствовать топливо, поступающее и хранящееся на автозаправочных станциях.

Перечень этих условностей можно было бы продолжить. Например, к проведению данных испытаний допускаются только специально подготовленные водители-испытатели и т. д.

Иными словами, данные нормативы выражают не более чем технический уровень автомобилей при условиях эксплуатации, характерных для города.

В реальной эксплуатации в силу известных объективных и субъективных факторов (вероятной технической неисправности автомобилей; изменения климатических и атмосферных условий; переменного состояния и качества дорожного полотна; непрерывно изменяющейся дорожной обстановки и, следовательно, скоростного режима движения в потоке; изменения нагрузки, то есть массы перевозимого груза или числа пассажиров; реального качества топлива; стиля вождения автомобиля водителем и многих других обстоятельств) выбросы вредных (загрязняющих) веществ могут существенно отличаться от устанавливаемых для сертификации автотранспорта технических нормативов.

Следовательно, применять их для решения данной задачи можно с известными оговорками, допущениями и приближениями.

В вышеупомянутой региональной методике [1] используется подход, преемственный с действующим федеральным документом [2]. А именно, технические нормативы выбросов вредных веществ, установленные Специальным техническим регламентом по Постановлению Правительства Российской Федерации от 12 октября 2005 г. № 609 (Правила № 83 и № 49 ЕЭК ООН), принимаются в качестве неких базовых значений для категорий автотранспорта, установленных ГОСТ Р 51709-2001, обязательное Приложение А (Правило № 13 ЕЭК ООН).

В дальнейшем эти базовые значения трансформируются и окончательно назначаются экспертным путем, на основе анализа разнообразных данных стендовых, дорожных и полигонных испытаний автомобильных двигателей и автотранспорта с учетом реального изменения структуры автотранспорта к текущему моменту и аналитического ее прогнозирования в долгосрочной 30-летней временной перспективе [6-10]. При этом

основное внимание уделяется сущностному качественному анализу доминирования вышеперечисленных факторов, определяющих, по сути, степень изменчивости реальных условий эксплуатации автотранспорта от неких «идеальных» условий проведения сертификационных испытаний.

Данный методологический подход и соответствующая ему методика оценки выбросов загрязняющих веществ автотранспорта подвергались проверке путем сопоставления расчетных данных с результатами систематических инструментальных наблюдений за качеством атмосферного воздуха стационарными и передвижными городскими станциями (по сведениям Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга, широкое применение методики демонстрировало удовлетворительную сходимость расчетов с данными систематических инструментальных наблюдений стационарными и передвижными станциями за качеством атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге вблизи автомагистралей).

Результаты исследований

Очевидно, что для получения достоверных результатов расчетного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха требуется реальная, и одновременно полная (по структуре транспортных средств) информация о мощности выбросов и их распределения по автомагистрали, причем, в наиболее опасные по времени суток «часы пик».

При расчете выбросов автотранспорт подразделяется на следующие пять категорий:

- легковые;

- автофургоны и микроавтобусы до 3,5 т;

- грузовые от 3,5 до 12 т;

- грузовые свыше 12 т;

- автобусы свыше 3,5 т.

Расчеты выбросов выполняются для следующих загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с отработавшими газами автомобилей:

- оксид углерода (СО);

- оксиды азота КОХ (в пересчете на диоксид азота);

- углеводороды (СН);

- сажа;

- диоксид серы (802);

- формальдегид;

- бенз(а)пирен.

Для проведения расчетов загрязнения атмосферы в целях учета трансформации оксидов азота в атмосфере осуществляется разделение оксидов азота на диоксид азота (N02) и оксид азота (N0) [10].

Для легковых автомобилей, автофургонов и микроавтобусов при проведении расчетов загрязнения атмосферы используется ПДКМР по бензину (код 2704), для грузовых автомобилей и автобусов - по керосину (код 2732).

Используемые при расчете выбросов параметры определяются на основе натурных обследований структуры и интенсивности транспортного потока, проведение которых осуществляется по достаточно простой схеме, не требующей сложного инструментального оснащения и продолжительного обучения.

На рисунке, в качестве примера, представлены результаты расчетов по разработанным методике и программе максимальных приземных концентраций диоксида азота, отнесённые к максимальной разовой ПДКМР, равной 0,2 мг/м3, в расчётных точках вблизи характерных участков КАД (в форме изолиний). Признаками нормальной ситуации, в отличие от опасной, является соблюдение санитарных гигиенических критериев качества атмосферного воздуха в районе ближайшей жилой застройки, то есть, если значения расчетных максимально-разовых концентраций загрязняющих веществ не превышают значения ПДКМР.

ОЗДзЩзота диоксид (Азот (IV) оксид; ¡#§£00 100000 105000 110000 115000 :'¿tí_JJU 1 25000

95000 100000 105000 110000 115000 120000 125000

I Г.....—.......

О 0,05 0,1 0 0,20 0,30 0,40 0,50 0,70 1 2 3 5 10 100 Объект: 782011, КОД_2011; вар искд 1; вар расч 2; пгйф-2м) МаСИлШй ,200000

Рис. Карта загрязнения атмосферы NО2 в окрестности КАД Санкт-Петербурга

Методически защищенная в информационном отношении методика позволяет выполнять численный мониторинг загрязнения атмосферы в окрестности автомагистралей практически для автодорог любой конфигурации с заданной периодичностью обследований.

Ее применение позволило регулярно пополнять и корректировать информацию о выбросах автотранспорта в целях поддержания работы компьютерного банка данных о выбросах от автотранспорта в Санкт-Петербурге в оперативном режиме. Также методика использовалась для решения прикладных задач в градостроительной деятельности города и международной деятельности Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга.

Литература

1. Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга (утв. Распоряжением Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Правительства Санкт-Петербурга от 17 февр. 2012 г. № 23-р. Доступ из информ.-правового портала «Гарант».

2. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчётов загрязнения атмосферы городов. СПб., 1999. 13 с.

3. Общесоюзный нормативный документ Госкомгидромета СССР (ОНД-86). Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 93 с.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

5. Программные продукты, разработанные фирмой «Интеграл» URL: http://www.integral.ru/about.html (дата обращения: 14.06.2014).

6. Ложкин В.Н. Исследование структуры автотранспорта в Москве, Московской области, Санкт-Петербурге, Ленинградской области и Краснодарском крае // Вопросы охраны атмосферы от загрязнения: информ. бюл. СПб.: НПК «Атмосфера» при ГГО им. А.И. Воейкова. 2010. № 1-2 (41-42). С. 121-143.

7. Logkin V. Using K-Theory in Geographic Information Investigations of Critical-Level Pollution of Atmosphere in the Vicinity of Motor Roads // World Applied Sciences Journal 23 (Problems of Architecture and Construction): 96-100, 2013.

8. Ложкин В.Н. Контроль технического состояния автомобильного транспорта в системе мониторинга качества атмосферы // Проблемы управления рисками в техносфере. 2009. № 4 (12). С. 128-134.

9. Ложкин В.Н. Управление экологической безопасностью автомобильного транспорта: монография. KG, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2011. 195 с.

10. Об оценке удельных выбросов загрязняющих атмосферу веществ автомобильным транспортом / В.Н. Ложкин [и др.] // Труды «НИИ Атмосфера». 2011. № 2. С. 37-44.