Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Метод коррекции расчетных полей загрязнения воздуха выбросами автотранспорта с использованием данных мониторинга атмосферы

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Метод коррекции расчетных полей загрязнения воздуха выбросами автотранспорта с использованием данных мониторинга атмосферы"

На правах рукописи

АНДРИАНОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

МЕТОД КОРРЕКЦИИ РАСЧЕТНЫХ ПОЛЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ВЫБРОСАМИ АВТОТРАНСПОРТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена на кафедре прикладной экологии Российского государственного гидрометеорологического университета

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Гаврилов A.C.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Денисов В.Н.

Доктор технических наук Гальчук В.Я.

Ведущая организация: Проектно-изыскательский институт ОАО "Ленгипротранс".

Защита состоится "01" июня 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.197.03 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, пр.Металлистов, д.З, аудитория 406Б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан "29" апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного coi доктор технических наук, профессор

БесквдИП.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется необходимостью расчета достоверных карт загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта с высоким пространственным разрешением применительно к проектированию городской транспортной инфраструктуры.

Специфика загрязнения атмосферы выбросами автотранспортных средств (АТС) проявляется, прежде всего, в сложной пространственной структуре городских магистралей, низком расположении источников выбросов над поверхностью земли, погруженности их в городскую застройку, а также непосредственной близостью к реципиентам. В результате, при общей доле транспорта в массовом выбросе загрязняющих веществ в атмосферу, равной 3560%, соответствующая доля в загрязнении приземного слоя воздуха в городах достигает 70-90%. Все это приводит к тому, что автотранспорт создает в городах обширные и устойчивые зоны, в пределах которых в несколько раз превышаются санитарно-гигиенические нормативы загрязнения воздуха.

Информационной основой для решения проблем картирования загрязнения атмосферы могут являться данные мониторинга атмосферы. Территориальные сети автоматизированных постов измерения характеристик загрязнения атмосферы существуют во многих промышленно-развитых странах мира, а в последние годы начали активно создаваться в крупных городах России.

Между тем, при интерпретации такого рода данных следует учитывать чрезвычайно высокую пространственно-временную изменчивость полей загрязнения атмосферы, создаваемых автотранспортом. В каждый момент времени при этом формируется весьма пестрая картина, с характерными масштабами пятен загрязнения в десятки и сотни метров. В этих условиях, ни при каком экономически обоснованном количестве подобных постов (вплоть до 1 поста на 1 Га, т.е. несколько тысяч для всей территории города) решить проблему восстановления в процессе мониторинга текущих полей концентрации с необходимой для принятия решений детализацией не удастся.

Помимо измерительного мониторинга, искомые поля загрязнения в принципе могут быть получены и расчетным путем, с использованием физически содержательных трехмерных гидротермодинамических моделей атмосферы, пригодных для расчета распространения загрязняющих примесей от автотранспорта с учетом городской застройки.

Несмотря на достигнутые в последние годы успехи в области разработки современных методов моделирования городской атмосферы, существует целый ряд проблем, связанных с заданием исходных данных для расчета. Возникающие при этом неопределенности можно условно разделить на несколько групп:

- неоднозначная связь суммарной интенсивности выброса загрязняющих веществ с интенсивностью движения в транспортном потоке по каждой магистрали (различные двигательные установки АТС, состав топлива, уровень технического обслуживания, поведение водителей и т.д);

- приблизительный характер статистики интенсивности движения АТС и его структуры по магистралям города;

РОГ ИОНАЛЬНАЯ Ы- ^'„ИКА

О:)

ограничения математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере, связанные с необходимостью воспроизведения трехмерных полей скорости ветра и характеристик турбулентности с пространственным разрешением несколько метров;

- общая пространственно-временная изменчивость метеорологических условий.

Весь указанный перечень неопределенностей расчета полей загрязнения свидетельствует о практической невозможности получения в обозримом будущем достоверных полей загрязнения атмосферы, только с использованием расчетных методов

Выход из положения может быть найден только в совмещении двух альтернативных методов, причем модель в этой ситуации должна играть роль так называемого «пространственно-временного интерполянта» и увязывать в одно целое такие разнородные информационные ресурсы, как данные мониторинга (точные данные, но в редкой сети точек), сведения об интенсивности движения транспорта (крайне приблизительные данные, но по обширной территории), так и вполне достоверную информацию о геометрии транспортных потоков и городской застройке, доступную из современных электронных карт города.

Такой подход может быть реализован с целью получения полей загрязнения с различным периодом осреднения, однако для повышения достоверности имеет смысл в первую очередь рассматривать среднеклиматические характеристики загрязнения. Дело в том, что имеющиеся неопределенности вносят некоррелированные (случайные) ошибки в расчетные поля концентрации, которые при осреднении будут минимизированы, а для устранения систематических погрешностей в такого рода расчетах как раз и требуются данные мониторинга.

Цель диссертационной работы - разработка метода коррекции расчетных среднеклиматических полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта с использованием данных измерений загрязнения атмосферы на постах автоматизированной системы мониторинга крупного мегаполиса (на примере Москвы).

Для достижения этой цели было необходимо:

- провести анализ современных методических подходов к определению массы выброса загрязняющих веществ от автотранспортных источников;

- провести анализ полноты и достоверности исходных данных, используемых математическими моделями;

- оценить по результатам специальных наблюдений суммарную погрешность расчета текущих полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта;

- исследовать существующую в Москве территориальную сеть автоматизированных постов измерений загрязнения атмосферы и выделить некоторое подмножество этой сети (реперная сеть), вклад автотранспорта для которой носит определяющий характер;

- сформировать комплекс баз исходных данных для интенсивностей движения автотранспорта, городской застройки, наблюдений и

метеорологических параметров атмосферы, адаптированный для решения поставленной задачи;

- разработать методику корректировки расчетных полей загрязнения с использованием данных сети реперных станций мониторинга;

- провести цикл расчетов климатических характеристик загрязнения и построить в итоге комплект достоверных климатических карт загрязнения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложены критерии отбора автоматизированных постов мониторинга для целей расчета загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта;

- разработана методика корректировки расчетных значений с использованием накопленной информации с реперной сети постов мониторинга;

- предложена схема проведения расчетов климатической карты загрязнения атмосферы крупного мегаполиса выбросами автотранспорта;

впервые построен комплект климатических карт загрязнения крупного мегаполиса (на примере Москвы) выбросами автотранспорта с пространственным разрешением 5м Практическая значимость исследования. Результаты работы позволяют выработать рекомендации по природоохранным мероприятиям, направленным на управление антропогенными нагрузками, осуществить прогноз состояния загрязненности атмосферы, провести необходимые природоохранные мероприятия и разработать систему управления автотранспортными нагрузками на городскую среду.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Комплексный статистический анализ данных измерений на автоматических постах мониторинга атмосферы Москвы;

2. Метод корректировки расчетных климатических карт загрязнения атмосферы с использованием данных мониторинга;

3. Среднеклиматические карты загрязнения атмосферы Москвы выбросами автотранспорта.

Личный вклад автора заключается в проведении натурных обследований районов расположения автоматических станций контроля загрязнения атмосферы, участии в создании необходимого для проведения расчетов комплекса баз данных, разработке методики устранения систематических погрешностей, связанных с неопределенностью исходных данных и расчете комплекта климатических карт загрязнения, откорректированных с учетом данных мониторинга.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на итоговых сессиях Ученого Совета Российского Государственного Гидрометеорологического Университета (Санкт-Петербург, 2004, 2005); на 2-й и 3-й международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность автотранспортного комплекса: передовой опыт России и стран Европейского союза (Санкт-Петербург 2003, 2004, 2005)»; на SEGUE's 2nd Follow-up Seminar (Хельсинки, Финляндия, 2005); на 9-й

международной конференции "Экология и развитие общества" (Санкт-Петербург, 2005). Материалы изложены в 8 публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц, 47 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 118 публикаций, в том числе 17 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулирована актуальность работы, определена цель исследования, показана его практическая значимость, научная новизна.

Глава 1. Характеристика автотранспорта, как источника загрязнения атмосферы вредными веществами

Большая часть населения России живет в городах и промышленных центрах. Основными источниками выбросов веществ, загрязняющих атмосферу городов, являются промышленные предприятия и автомобильный транспорт. Однако в большинстве крупных городов именно загрязнение атмосферного воздуха от автотранспорта является превалирующим

В Российской Федерации насчитывается более 150 городов с превалирующим вкладом выбросов автотранспорта в валовые выбросы (более 50%). В таблице 1.1. приведен список крупных городов с превалирующим вкладом выбросов автотранспорта в валовые выбросы более 50% при величине выбросов от автотранспорта не менее 50 тыс. тонн в год, и средние концентрации загрязняющих веществ в атмосфере этих городов.

Таблица 1.1. Города с вкладом выбросов автотранспорта в валовые выбросы более 50% при величине выбросов от автотранспорта не менее 50 _тыс .тонн в год.

Город Средняя концентрация загрязняющих веществ (мкг/куб.м) Доля вклада выбросов автотранспорта (%)

no2 NO СО Валовые выбросы СО NOx

Москва 80 130 2000 66 97 41

Тамбов 70 40 1000 81 96 61

С.-Петербург 60 30 3000 56 88 27

Улан-Удэ 60 30 4000 53 79 33

Краснодар 50 30 3000 74 91 63

Оренбург 50 30 1000 53 87 43

Новосибирск 50 20 1000 50 87 30

Воронеж 40 10 1000 78 94 66

Махачкала 40 20 2000 72 92 58

Томск 40 10 1000 71 92 58

Новороссийск 40 20 2000 56 92 78

Самара 40 20 2000 51 84 27

Екатеринбург 30 30 1000 67 85 36

Астрахань 30 20 2000 65 90 38

Имеющиеся данные свидетельствуют, что практически во всех перечисленных в таблице 1.1. городах наблюдаемые содержания оксида углерода определяются выбросами автотранспорта.

Иначе обстоит дело с загрязнением атмосферы оксидами азота. В таких индустриальных центрах, как С.-Петербург, Новосибирск, Ижевск, Самара, выбросы оксидов азота автотранспортом не превышают 30% суммарного выброса этих веществ. Основной вклад в загрязнение окислами азота здесь принадлежит промышленным и энергетическим отраслям экономики.

За последние 25 лет общие выбросы вредных веществ автомобильным транспортом в России выросли с 4,7 тысячи до 24,3 тысячи тонн. В них доля оксида углерода составляет 74%, углеводородов — 10%, оксидов азота — 13,4 %, сажи — 0.4 %, диоксида серы — 1,8%, свинца — 0,02%. Повышенному риску необратимой потери здоровья в результате загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами подвержено 15 млн. россиян. По данным подразделений Роспотребнадзора РФ по городу Москва, в 2003 году 3 млн. жителей города перенесли заболевания органов дыхания, что в значительной степени связано с загрязнением городского воздуха.

К числу приоритетных загрязнителей атмосферы, поступающих в городскую атмосферу с отработавшими газами автомобилей, относятся свинец, бенз(а)пирен, летучие углеводороды. На долю первого из них приходится более 50% экономического ущерба от загрязнения атмосферы автотранспортом.

Даже в условиях экономического спада загрязнение природных сред в городах, как показывают наблюдения, не уменьшается. Это связано с особенностями автотранспорта как источника выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, отличающими их от стационарных (промышленных) источников выбросов.

В заключение данного раздела описываются основные характеристики загрязняющих веществ, выбрасываемых автотранспортом, и приводится оценка их воздействия на организм человека, а также рассматриваются подходы к контролю и нормированию выбросов автотранспорта.

Глава 2. Материалы и методы исследования

Действующие в Российской Федерации методики расчёта выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух автотранспортными средствами разрабатывались различными министерствами, ведомствами и организациями, и поэтому в них нашли применение различные (подчас альтернативные) научно-методические и инженерно-практические подходы и решения, большинство методик было введено в действие в начале девяностых годов, поэтому многие их положения уже не отражают современных экологических характеристик источников загрязнения.

В результате сопоставления и анализа существующих методических подходов к количественной оценке пробеговых выбросов автотранспорта, в качестве базовой для проведения послеующих расчетов была выбрана "Методика расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях. (НИИАТ,1997)".

Таблица 2.1. Существующие методики расчета выбросов автотранспорта и их сравнительные характеристики.___1_

Название методики Классификация АТС Топливо Учет элементе ■ УДС Учет условий движения Определяемые вещества

Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ автотранспортными средствами в атмосферный воздух, (МАДИУ.1993 Пегковые(<1,3,1,3-1,8,1,8-3,5 л), 5 Категория дорог, тип нас пунктов Гехн состояние. СО.СН^О, с, 50г,РЬ

пруювые(0,5-2,0, 2,0-5,0,5,0-!,0,8,0-16,0,>16 т) б.Д.Г

\вто6усы(<5,6-7,5,8-9,5,10,5-12м) в я

Методика расчета выбросов в атмосферу загрязняющих веществ автотранспортом на городских магистралях (НИИАТ),1997 Пегковые(<1,3,1,3-1,8,1,8-3,5 л). Б, Г Категория дорог, тип нас пунктов Гехн состояние, со,сн,мо» с.вОг.РЬ

Грузовые и автобусы <3,5т 5, Г

~рузовые(3,5-5,0,5,0-8,0,8,0-16,0,>16 т) 5.д г,пг

Автобусы(6-7,5,8-9.5,10,5-12,>12м! 5.Д

Методика определения выбро-сов автотранспорта для прове-дения сводных расчетов за-грязнения атмосферы городов (НИИ Атмосферы), 1998 Пегковые(< 1,3,1,3-1,8,1,8-3,5 л), 5 Категория порог, тип час пунктов Гехн состояние, стсныс)* 0,802,11),

~рузовые(0,5-2,0,2,0-5,0,5,0-¡,0,8,0-16,0,>16 т) б, Д. Г

\втобусы(<5,6-7,5,8-9,5,10,5-12м) БД

Раздел методики ЕЕА ЕМЕР/СОЯП^АП? «Дорожный транспорт», третья редакция, 2002 Легковые(<1,4,1,4-2,0,>2л). Категория дорог, скорость сообщения Срок эксплуатации АТС, по годно климатические условия. Продольный трофиль дорог ГО.УОС, 40«, PM.SOx.Pb, СОьСН^ МУОС, мн},ы2о

Легковые(<2,>2) Ц

Легковые Г

Грузовые и автобусы <3,5т Б,Д

Грузовые(<7,5,7,5-16,16-32,>32т) д

"орузовые Б

Автобусы Д

Рассматриваемая методика предназначена для расчёта массы выброса загрязняющих веществ в атмосферный воздух при движении автотранспортных средств (АТС) по городским магистралям или их отдельным элементам.

Масса выброса /-го загрязняющего вещества М, определяется по формуле:

М,=Ми+0,,

где: Мц - масса выброса /-го загрязняющего вещества при непрерывном движении транспортного потока, г/ч;

Д - дополнительная масса выброса /-го загрязняющего вещества, связанная с задержкой транспортных средств, г/ч.

к

к

где: тик - пробеговый выброс /-го загрязняющего вещества АТС к-й расчётной группой, г/км;

т$,к- дополнительный выброс /-го загрязняющего вещества при остановке АТС £-й расчётной группы, г/ост;

тхх,к~ выброс /-го загрязняющего вещества при работе двигателей АТС к-й расчётной группы на холостом ходу, г/мин; ¿я - длина перегона, км;

Та - время работы двигателя на холостом ходу, мин.;

Л* - интенсивность движения АТС к-й расчётной группы, авт/ч.

Расчёты выполнялись для шести загрязняющих веществ (/=6), пяти расчётных групп АТС (к=5) и двух видов топлива.

Изучение существующих подходов к расчету переноса и рассеяния примесей в городской атмосфере указывает на то, что используемые для решения задач нормирования в нашей стране программные средства, реализующие такие упрощенные методические подходы как ОНД-86, не могут быть использованы для решения поставленной задачи в связи с тем, что не дают возможность восстановить сложную конфигурацию полей загрязнения, обязанную застройке города.

В качестве основы для проведения расчетов в наших исследованиях была выбрана модель ГДМ+МК, разработанная в РГГМУ под руководством профессора A.C. Гаврилова, внедренная в настоящее время в деятельность Департамента Природных Ресурсов и охраны окружающей среды города Москва.

На первом этапе, с помощью гидродинамической модели (ГДМ) здесь решается задача восстановления пространственной структуры атмосферы на основе любой доступной метеоинформации (метеостанции, посты наблюдения, синоптическая или аэрологическая информация, с возможностью усвоения данных поступающей по каналам связи в реальном масштабе времени). Модели в этом случае могут реализовываться в широком спектре вариантов (однородная и неоднородная поверхность, с учетом и без учета зданий и рельефа и пр.), предполагая проведение предварительной настройки моделей на тот или иной тип задачи и имеющийся объем информации. В итоге, рассчитываются и сохраняются в памяти ЭВМ трехмерные поля компонент средней скорости ветра и характеристик турбулентности.

На втором этапе реализуется модель переноса и рассеяния примеси методом Монте-Карло (МК-модель). Для источника антропогенной примеси произвольной пространственно-временной структуры генерируется соответствующее их мощности и режиму работы число траекторий, вдоль которых для каждой из рассматриваемых частиц примеси рассчитывается случайное поле скорости в турбулентном потоке. При этом отслеживается положение частицы в каждый момент времени, моделируются эффекты их взаимодействия с подстилающей поверхностью и зданиями, а в случае необходимости - трансформация примеси за счет процессов вымывания осадками или химических реакций.

Сеть наблюдений и контроля загрязнения атмосферного воздуха является в настоящем и будущем единственным экспериментальным средством оценки состояния загрязнения атмосферного воздуха и применимости математических моделей рассеяния примесей в атмосфер«. Общими задачами сети являются:

- повышение эффективности, качества, надежности и достоверности данных наблюдений;

- внедрение новых методов многокомпонентного анализа примесей в атмосферном воздухе и в отходящих газах;

- достижение оптимального соотношения используемых в различных городах и населенных пунктах методов ручного отбора и анализа проб воздуха и полуавтоматических методов, повышение автоматизации средств измерений;

- повышение оперативности сбора, обработки, передачи и использования данных наблюдений в задачах контроля и регулирования уровней загрязнения атмосферного воздуха;

- установление тенденций и причин изменения уровней загрязнения атмосферного воздуха.

Московская система мониторинга атмосферного воздуха начала создаваться в 1996г. по решению Правительства Москвы.

В различных районах города устанавливаются стационарные павильоны, оснащенные оборудованием для проведения регулярных наблюдений за уровнем загрязнения атмосферы. Регулярные наблюдения проводятся также на маршрутных постах с помощью оборудованных для этой цели автомашин. Наблюдения на стационарных и маршрутных постах в различных точках города позволяют следить за уровнем загрязнения.

В настоящий момент основу системы мониторинга составляет сеть из 28 автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) рис.2.1.

Рис.2.1. Схема расположения действующих в ноябре 2004 г. и вводимых в эксплуатацию автоматических станций контроля загрязнения атмосферы.

АСКЗА оснащены современным отечественным и импортным оборудованием для контроля в общей сложности 18 приоритетных загрязняющих веществ. Каждая АСКЗА выполняет конкретную практическую задачу: контролирует качество атмосферного воздуха в жилых районах, вблизи крупных магистралей города, на территориях, прилегающих к крупным промышленным предприятиям города и на особо охраняемых природных территориях.

Данные о состоянии атмосферного воздуха ежедневно с интервалом через каждые 20 мин передаются по каналам сотовой связи в единый

информационно-аналитический центр, функции которого выполняет ГУЛ «Мосэкомониторинг».

Состав исходных данных, получаемых с приборов Автоматических Станций, состоит из двух видов информации: справочная (условно-постоянная) и оперативная. В оперативную информацию входят данные, представленые в виде файлов фиксированной структуры в текстовом структурированном формате, а имя файла соответствует названию станции наблюдения.

Измеряемые параметры: 5 метеорологических параметров: температура, влажность, давление, скорость и направление ветра, а также концентрации 20 загрязняющих веществ: СО, N02, NO, NO*, S02, OZ, CHX, Пыль, Формальдегид, Бензол, Толуол, Параксилол, Фенол, HNO, Нафталин, Стирол, Метаксилол, ЕТВ, BENLight; и H2S.

Основная проблема пространственного анализа полученных исходных данных, заключалась в отсутствии точной привязки станций на местности. Пригодность данных для восстановления поля концентраций определяется точностью привязки станций с погрешностью не более 1м. Задача позиционирования решалась путем натурных обследований места расположения каждой станции и составлением подробного плана-схемы, с использованием данных спутниковой съемки масштаба 1:5000.

В исходных данных наблюдается существенное различие длины ряда наблюдений для различных станций, а так же значительные периоды отсутствия наблюдений для некоторых из них. Для анализа были предоставлены наблюдения с автоматических станций начиная 01.02.2001 и заканчивая 15.11.2005.

Для математико-статистической обработки исходных данных были использованы пакет статистических программ Statistica 6.0 и табличный процессор Microsoft Exel.

При анализе исходных данных были использованы стандартные средства статистики. Для рядов наблюдений каждой станции были найдены основные статистические характеристики. Получены функции корреляции и автокорреляции для исследуемых рядов данных.

В работе также использовались следующие данные:

- о скорости и направлении ветра, температуры и относительной влажности воздуха на высотах 0, 85м, 128м, 253м, 305м, 503м Останкинской телебашни (ежечасно);

- база данных среднегодовых интенсивностей движения автотранспорта по основным городским магистралям;

- база данных городской застройки.

Глава 3. Анализ исходных данных и их адаптация для целей климатического расчета загрязнений

Сеть АСКЗА за последние годы постоянно расширялась, в настоящее время многолетние ряды данных наблюдений для каждой из станций имеют разную длину, и их совместный анализ пока не представляется возможным. В связи с этим был выбран лишь небольшой отрезок ряда измеренных значений, характеризующийся наибольшей полнотой и согласованностью данных, с 1 января 2004 г по 15 ноября 2005 г.

В качестве предмета анализа были выбраны 3 вещества: диоксид азота (N02), оксид азота (N0) и оксид углерода (СО). Указанные вещества являются наиболее характерными компонентами выбросов автотранспорта, кроме того, имеют наиболее полный ряд наблюдений на большинстве исследуемых станций.

Поскольку эти ингредиенты (наряду с другими ингредиентами в выбросах автотранспорта) входят также и в состав промышленных и энергетических источников, формирование базы данных для источников которых пока для Москвы еще не завершено, особое внимание уделялось летнему периоду, когда выбросы по крайней мере энергетических источников можно было считать минимальными (в связи с завершением отопительного периода).

Предварительный отбор постов АСКЗА для создания реперной сети осуществлялся по следующим критериям. Территориальные:

- общая интенсивность движения на ближайшей автотрассе не менее 1000 авт/час;

- расстояние от ближайшей автотрассы с интенсивным движением более 100м;

- пост отделен от автотрассы не более чем одним рядом строений;

- отсутствие в радиусе 200м контуров промышленной застройки, указывающей на возможное влияние других источников выбросов.

Полноты исходных данных:

- число стандартных сроков за рассматриваемый период не менее 20000;

- отсутствие частых и продолжительных пробелов в рядах наблюдений;

- наличие рассматриваемых примесей в перечне контролируемых постом АСКЗА;

- Отсутствие длительных периодов с аномальными значениями концентраций.

Статистические:

- наличие выраженного суточного хода измеряемых значений концентрации, характерного автотранспорту;

- высокая связь между рядами данных СО и N0, N0 и N02;

- соответствие распределения концентрации примеси в атмосфере лог-нормальному закону.

Для выявления суточного хода концентрации была проведена специальная статистическая обработка данных измерений с получением, в итоге, среднеклиматических значений для каждого часа суток. Результаты такой обработки представлены на рис. 3.1.

Как можно видеть из приведенного рисунка, характерный для выбросов автотранспорта «двугорбый» суточный ход концентрации прослеживается практически на всех постах АСКЗА, за исключением двух из них («Казакова» и «Вешняки») , где значения концентрации не превосходят 10-15 мкг/м3. Утренний максимум значений концентрации наблюдается на всех постах практически одновременно около 9-10 часов, а вечерний максимум -

примерно в 21-22 часа, причем концентрации в вечернем максимуме несколько превышают свои утренние значения для каждого поста. Ночной минимум наблюдается около 5-6 часов утра, а дневной минимум - в 13-14 часов.

О 1 2 3 4 5 в 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 16 19 20 21 22 23~

Время сувок, *мс -■*■ -<**»••>»

- » -ТоЛукмя

- - -'Ьимсм --*--Шабалоака

Рис. 3.1 Кривые среднеклиматических значений концентрации для каждого часа суток, полученные путем статистической обработки рядов наблюдений для примеси «Азота диоксид» на постах АСКЗА г.Москвы

Как известно, именно такую форму имеет обычно суточный ход интенсивности движения автотранспорта в крупных мегаполисах. Утренний максимум соответствует утреннему часу пик движения автотранспорта (все едут на работу), а вечерний - вечернему часу пик (все едут с работы).

Несмотря на то, что ночью интенсивность движения транспорта весьма низка (примерно в 10 раз меньше чем днем), ночной минимум концентрации оказывается ниже утреннего максимума всего на 20-25мкг/м , что составляет от 50 до 70% от максимума. Причина здесь в том, что несмотря на незначительные выбросы, их рассеяние благодаря ночной инверсии и слабому ветру оказывается минимальным в течение суток.

В ходе работы был проведен анализ основных характеристик суточного хода для каждой станции. Найдены уравнения регрессии и построены кривые обеспеченности. В результате проведения сравнительного анализа по сезонам выяснилось, что на многих постах отмечается существенное различие летнего и зимнего суточного хода(рис.3.2.).

Если для летнего периода времени суточный ход приближался к классическому виду, то в зимний период возникали существенные аномалии по веществу N02. По всей видимости, это связано с более интенсивным воздействием промышленных и энергетических источников. В большинстве

случаев дополнительный пространственный анализ с привлечением информации со спутниковых карт подтверждал выдвинутую гипотезу.

Необходимо также отметить, что для большинства исследуемых постов санитарно - гигиенические нормативы превышаются не более чем в

25% случаев, более 90% которых приходится на утренний и вечерний максимум.

В результате проведения математико-статистического анализа рядов данных, выбранных для исследования вредных примесей, были определены их основные статистические характеристики и получен общий для всех рядов закон распределения. Для описания распределения концентрации примеси в атмосфере применен лог-нормальный закон распределения(Рис.З.З). В 75% случаев точки на вероятностных графиках ложатся вблизи прямой. Это позволяет предположить, что распределение содержания примесей в атмосфере

Рис.3.3 Плотность распределения и функция распределения наблюдаемых концентраций по веществу оксид азота. Балчуг (мг/м3).

можно описать лог-нормальным законом. Многие авторы предлагают рассматривать выполнение такого распределения как критерий правильности полученных данных о концентрациях примеси в городах. В частности, значения минимальных концентраций, с которых начинается отклонение от данного распределения, используются для оценки предела надежных измерений концентрации.

Одним из критериев отбора постов АСКЗА является наличие высокой связи (Рис.3.4) между анализируемыми величинами, то есть минимальное воздействие фоновых источников выбросов (не автотранспорта).

Исследование связей между рядами данных для большинства станций отобранных на предыдущих этапах дало хорошие результаты. Этот факт объясняется во второй главе первоначальной структурной характеристикой выбросов автотранспорта и дальнейшим изменением состава примесей в атмосфере с течением времени.

Рис.3.4 Связь между оксидом азота и оксидом углерода. Балчуг(мг/м3).

Связь между концентрацией N0 и СО на большинстве станций оказывается более выраженной, чем связь между >Ю2 и СО. Что также хорошо соответствует сложившимся представлениям о преобразовании состава примесей в атмосфере. Более детальный анализ рядов показал, что связь N02 и СО наиболее высока в первые 20 минут, а затем постепенно снижается. Связь между N0 и СО наиболее сильно проявляется в течении 1-3 часов и затем мало изменяется с течением времени. Зависимость между N0 и N02 является слабо выраженной и обратной. Вещества СО и N0 являются наиболее характерными примесями, выбрасываемыми автотранспортом, в отличие от N02. Концентрации веществ СО и N0 обладают гораздо более выраженной суточной изменчивостью чем N02.

На основе проведенных исследований, а также учета территориальных критериев и критериев полноты данных была выделена группа автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) в которой вклад автотранспорта в загрязнение атмосферы является превалирующим.

Как можно видеть из приведенного ниже рис.3.5 с суточным ходом концентрации на этих постах, все кривые оказываются здесь подобными друг другу отличаясь только уровнем расположения (среднесуточной концентрацией) и амплитудой суточного хода (от 10 до 20 мкг/м3).

Эти особенности свидетельствуют о минимальном влиянии посторонних факторов (промышленных и энергетических источников) на формирование среднеклимати ческой концентрации именно на этих постах и дают основания для включения их в так называемую сеть реперных станций.

» Срмиаа

----Батуг

Вернадского Кутуэовский2

Люблино

Народного ополчения Новокосмю Сухаревка Толбухина Чаянова Шаболовка Бутлерова

9 12 15 Время суток, час

Рис. 3.5 Осредненные для каждого часа суток значения концентрации примеси «Азота оксид» для постов АСКЗА, включаемых в реперную сеть.

Глава 4. Метод коррекции расчетных полей загрязнения воздуха выбросами автотранспорта с использованием данных мониторинга атмосферы

Численная модель ГДМ+МК, положенная в основу моделирования загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта с учетом влияния застройки, использует следующие основные группы исходных данных:

- карты местности с заданием атрибутов разнообразных типов подстилающей поверхности;

- геометрические и физические характеристики источников примеси;

- данные метеорологических наблюдений.

Все эти группы в общем случае предполагают использование пространственно-распределенных данных. Таким образом, объем привлекаемой информации настолько велик, что оценка погрешностей возможна здесь лишь на уровне качественного анализа исходных данных и верификации модели.

Для исследования случайных погрешностей, возникающих при моделировании, на территории Москвы были организованы специальные полигоны, для которых моделирование осуществлялось как с использованием исходных баз данных интенсивности движения АТС, так и путем привлечения данных натурного обследования.

Сопоставление результатов расчета и измерения по первому варианту приведено в таблицах 4.1 и 4.2.

Результаты сопоставления расчетов и измерений указывают, прежде всего, на практическое отсутствие систематических погрешностей (средние значения в пределах 95% доверительного интервала совпадают). Между тем, случайные погрешности оказываются весьма значительными: 60-70%. 16

Таблица 4.1.Статистические характеристики измеренных и расчетных

значений концентрации примеси «Азота диоксид» для Кутузовской развязки

Средняя концентрация N02 по данным измерений (с 95% доверительным интервалом), мкг/м3 62.50 ±6.8

Средняя концентрация N02 по результатам расчетов (с 95% доверительным интервалом), мкг/м3 62.53 ±5.1

Среднеквадратическая погрешность расчета о, мкг/м3 38.3

Таблица 4.2.Статистические характеристики измеренных и расчетных значений

Средняя концентрация СО по данным измерений(с 95% доверительным интервалом), мкг/м3 2.65±0.44

Средняя концентрация СО по результатам расчетов(с 95% доверительным интервалом), мкг/м3 2.85±0.32

Среднеквадратическая погрешность расчета ст, мкг/м3 2.3

Полученный результат является вполне ожидаемым вследствие указанных выше неопределенностей в задании исходных данных для расчета. Уточнение интенсивностей транспортных потоков в отдельных экспериментах путем прямого подсчета АТС на улицах Москвы может, разумеется, существенно повысить точность результатов расчета, но не решает проблему в целом, поскольку возможно только эпизодически и для ограниченного числа магистралей.

Как показывают результаты проведенной в последние годы верификации модели ГДМ+МК, ошибки в расчетах собственно по модели оказываются незначительными (в пределах 15-20%), в то время как дополнительное возрастание этой погрешности за счет ошибок в исходных данных увеличивает суммарную погрешность до обозначенных выше 60-70%.

Наиболее значительный вклад сюда вносят, как показали наши исследования, ошибки за счет неточного представления сезонных и суточных колебаний интенсивности движения автотранспорта.

Между тем, имеющиеся в нашем распоряжении данные об интенсивности движения транспорта по всем участкам улично-дорожной сети (УДС) Москвы, сведений о сезонных и суточных колебаниях не содержат. Они были получены как выходной продукт модели расчета транспортных потоков, ориентированной на некоторую определенную конфигурацию автотрасс для некоторого момента времени и без дополнительного задания для каждого участка трассы данных о суточных и сезонных вариациях интенсивности (вообще говоря, для каждого участка УДС). Это обстоятельство приводит, в итоге, к появлению при расчете среднеклиматических характеристик загрязнения некоторых дополнительных ошибок (ошибок «смещения»), величины которых для различных районов Москвы могут быть различны.

Для устранения подобных погрешностей как раз и строится специальная реперная сеть постов АСКЗА, отобранных из совокупности действующих в настоящее времени постов (на основании описанных выше критериев). Применительно к этой сети должна периодически, по мере накопления дополнительного материала наблюдений или обновления базы данных об

интенсивности движения автотранспорта, производится процедура привязки (настройки модели расчета климатического атласа).

Сводная таблица сопоставления измерений и расчетов для среднесуточной концентрации примеси «Азота диоксид» по всем постам реперной сети приведена в таблице 4.3. Здесь же даны значения коэффициентов корректировки (отношение измеренных к расчетным значения), на которые следует умножать расчетные значения среднесуточной концентрации при построении атласа загрязнения города выбросами автотранспорта.

Таблица 4.3. Сводная таблица коэффициентов корректировки по постам АСКЗА, включаемых в реперную сеть для расчета атласа загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта.

N Пост АСКЗА, Измеренная Расчетная Коэффициент

п.п. ингредиент среднесуточная среднесуточная корректировки

концентрация (май-июль), Сцзи ^ мкг/м концентрация (июнь), Срас мкг/м3 Сизм / Срас

1 Балчуг, ЫОг 44 29 1.52

2 Бутлерова, N02 27 7 3.86

3 Кутузовский, N02 62 62 1.0

4 ГЬоблино, №>2 24 17 1.41

5 Ленинградский, СО 2650 2850 0.93

6 Народного ополчения,N02 15 33 0.45

7 Сухаре вс кая,Ы02 23 70 0.33

8 Толбухина, N02 21 18 1.17

9 Чаянова, N02 42 40 1.05

Средний коэффициент 1.3

На рис. 4.1 эти коэффициенты визуализированы, в рамках УДС Москвы.

Рис. 4.1 Карта корректировочных коэффициентов на графе УДС Москвы.

При анализе приведенных результатов расчетов следует обратить внимание, что в центральной части города коэффициенты корректировки колеблются около единицы, в северной части - оказываются менее 0.5, а в южной - превосходят величину 2. В среднем, по всему городу величина коэффициента корректировки составляет около 1.3. Это означает, что в среднем упомянутая систематическая погрешность оказывается в пределах 30%.

Для центральных районов города систематическая погрешность оказывается минимальной (коэффициенты корректировки близки к единице), но значительно нарастает к его периферии. Причиной этого является, вероятно, имеющиеся приоритеты в технике регулирования транспортных потоков в центре города. Используемая при расчетах типовая кривая суточных вариаций интенсивности, адекватно описывают реальную ситуацию, по всей видимости, лишь для центральных районов Москвы, для которых, собственно, и проводятся наиболее интенсивные исследования по изучению особенностей движения автотранспорта.

Что касается периферии города, то здесь возникают свои локальные особенности, которые детально учесть при расчетах в настоящее время на уровне задания исходных данных не представляется возможным, а это означает необходимость корректировки результатов расчетов с привлечением данных наблюдений.

Общая схема расчета климатической карты загрязнения атмосферы города Москва выбросами автотранспорта (рис.4.2) предусматривает два основных этапа.

На первом этапе осуществляется предварительный расчет и накопление в специальном архиве индивидуальных факелов от каждого участка автомагистрали т=\,...,М из внесенных в базу данных (Л/даЗЗООО), в форме трехмерных массивов концентрации Ст(х,у,г\и,Я8) при заданных единичном погонном выбросе некоторой условной газообразной примеси (г/с с 1км трассы) и конфигурации значений скорости (II), направления (Я) и категории устойчивости атмосферы (Б). Результаты расчетов накапливаются в форме трехмерных массивов концентрации для областей 1600*1600 м и хранятся в сжатом виде в так называемой БД «Примитивов».

Расчет статистических характеристик загрязнения осуществляется с использованием трехмерной плотности вероятности Р(и,Я,Б\1) задаваемой таблично для каждого из 16 направлений ветра, для каждой из 4-х градаций скорости ветра и каждой из 3-х категорий устойчивости атмосферы (устойчивая, нейтральная, неустойчивая стратификация) в тот или иной час суток и сезон года (/).

Такого рода информация не зависит ни от методики расчета выбросов, ни от выбора необходимого для картирования списка примесей, ни от выбранной статистической характеристики (среднесуточные концентрации, максимальные, среднеклиматические). Ее пересмотр (дополнение и расширение) необходим только в тех случаях, когда поступает информация о вновь проложенных автомагистралях города или кардинально меняется конфигурация застройки какого-либо микрорайона. Но даже в этих случаях

достаточно провести лишь корректировку БД «Примитивов» не повторяя все расчеты заново. _

"Метеоинформация"

БД

«Застройки»

МОДУЛЬ РАСЧЕТА ПРИМИТИВОВ

(=1

Запрос на создание требуемой карты

МОДУЛЬРАСЧЕТА КЛИМАТИЧЕСКОЙ КАРТЫ

БД «Геометрии

автотрасс»

Климатическая карта

Рис. 4.2 Блок-схема планирования и проведения расчетов климатической карты

загрязнения.

На втором этапе с использованием «модуля расчета климатической карты» производится собственно климатическая обработка. При этом задание на расчет конкретизирует:

- тот или иной вариант базы данных интенсивностей движения с каждой магистрали;

- уточненный вариант постов реперной сети (карта корректировочных коэффициентов);

- уточненный вариант базы данных статистических характеристик поля ветра;

- тот или иной вариант методики расчета выбросов;

- выбранный участок города и высоту интересующего уровня (этаж);

- указанный набор статистических характеристик (среднегодовые, среднесезонные, средних в часы пик для заданного сезона, максимальных в часы пик и т.д.).

В итоге, расчет такой, например, статистической характеристики

загрязнения, как среднесезонное значение концентрации нек0Х0р0й

примеси р для заданного часа суток I от суммы всех участков автотранспортных магистралей осуществляется с помощью соотношения:

С'ЬУЛ о=> :> :> ;> мсосс*,^! цллжи.лл ю

т к I Л

где И» - расчетный выброс примеси р с магистрали т от всех видов транспорта, рассчитанный с помощью методики НИИАТ(97) на основе данных

об интенсивности движения по каждой магистрали, а ^"(0 . коэффициенты корректировки расчетов по данным реперной сети постов мониторинга для времени суток I , определяемые исходя из минимальной удаленности каждой магистрали от соответствующего поста мониторинга. Среднесуточные значения этих величин представлены в Таблице 4.3 и на рисунке 4.1.

Исследование, основные результаты которого приведены в данном разделе, носит, в основном, методический характер, поскольку, с одной стороны, реперная сеть будет постоянно расширяться, а с другой - при расчетах будут обновляться как сведения об интенсивности движения автотранспорта, так и базы данных застройки города. Кроме того, будет постепенно накапливаться архив метеорологических данных с Останкинской телебашни, что будет способствовать уточнению используемых при расчетах статистических характеристик поля ветра.

Таким образом, массив корректировочных коэффициентов становится, по существу, динамическим, с помощью которого удается объединить в единое целое такие два информационных объекта как очень обширные, но не очень точные данные об интенсивности движения автотранспорта, а с другой -довольно ограниченную по количеству, но весьма точную информацию о загрязнении атмосферы, получаемую путем обработки данных постов АСКЗА.

Выводы

1. Проведен анализ современных методических подходов к определению массы выброса загрязняющих веществ от автотранспортных источников;

2. Проведен анализ полноты и достоверности исходных данных, используемых математическими моделями;

3. Получена оценка суммарной погрешности расчета текущих полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта по результатам специальных наблюдений;

4. Исследована существующая в г. Москва территориальная сеть автоматизированных постов измерений загрязнения атмосферы и выделена реперная сеть, вклад автотранспорта для которой носит определяющий характер;

5. Сформирован комплекс баз исходных данных для интенсивностей движения автотранспорта, городской застройки, наблюдений и метеорологических параметров атмосферы, адаптированный для решения поставленной задачи;

6. Разработана методика корректировки расчетных полей загрязнения с использованием данных сети реперных станций мониторинга;

7. Проведен цикл расчетов климатических характеристик загрязнения и построен комплект достоверных климатических карт загрязнения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Саватеева Л.А., Андрианов В.А. Оптимизация проектных решений при строительстве и реконструкции автодорог и мостовых переходов с учетом требований по охране окружающей среды. Итоговая сессия Ученого совета 2324 января 2001 года.С.132-133.

2. Денисов В.Н., Ванкевич P.E., Андрианов В.А. Оценка экологической опасности объектов автотранспортного комплекса для условий мегаполисов России (на примере Василеостровского района Санкт-Петербурга). Депонирована в НИЦЭБ РАН под номером 0381423100 от 23 октября 2000 года. 89с.

3. Андрианов В.А., Баранова М.Е., Воронов Г.И., Гаврилов A.C. Информационная система "Климатический атлас автотранспортного загрязнения города". Материалы итоговой сессии ученого совета 25-26 января 2005 г. С. 179-180.

4. Андрианов В.А., Баранова М.Е., Воронов Г.И., Гаврилов A.C. Повышение качества экологической оценки загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта. Труды IX международной конференции "Экология и развитие общества". 19-24 июля 2005 года.С.25-31.

5. V. Andrianov, A. Gavrilov. Characteristics of motor transport emissions distribution in city conditions. Ecological Safety of motor-car complex: advanced experience of the EU and Russia. September,21-22,2005. P.146.

6. Андрианов B.A., Баранова M.E., Воронов Г.И., Гаврилов A.C. Математическое моделирование загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта в окрестности городских транспортных развязок сложной конфигурации. Экологизация автомобильного транспорта: передовой опыт России и стран Европейского Союза. Труды II всероссийского научно-практического семинара с международным участием. 7-9 апреля 2004 года.С.78-82.

7. Андрианов В.А., Гаврилов A.C. Информационная система "Атлас автотранспортного загрязнения города". Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Материалы международной конференции. 25-27 мая 2005 г.С. 12-13.

8. Андрианов В.А., Гаврилов A.C. Оценка загрязнения воздушной среды выбросами автотранспорта с использованием численных моделей. Экологическая безопасность автотранспортного комплекса: передовой опыт России и стран Европейского Союза. Труды III Международной научно-практической конференции. 21-22 сентября 2005 года. С.35-38.

»прид-80*64/18 Пмгкофеатм Тираж 70 ЭмааЗЭб

Отмотано с гопаете еригииамде», щнщис шинного паром, ■ тапогрофми ООО ' СВДмгр" 196000, г Саикт-ГЬтарбург, ул Комсомола 41.

¿oc&A

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Андрианов, Владимир Александрович

Введение.

Глава 1. Характеристика автотранспорта, как источника загрязнения атмосферы вредными веществами.

1.1. Динамика воздействия автотранспорта на загрязнение атмосферного воздуха в городах.

1.2. Характеристики основных загрязняющих веществ, выбрасываемых автотранспортом.

1.3 Контроль и нормирование выбросов автотранспорта.

Глава 2. Материалы и методы исследования.

2.1. Сравнительный анализ методик определения выбросов автотранспорта.

2.2 Особенности численной реализации модели расчета переноса и рассеяния примеси от движущегося автотранспорта внутри городской застройки.

2.3. Организация наблюдений на метеорологических постах и постах мониторинга загрязнения атмосферы.

2.4. База данных интенсивностей движения автотранспорта.

2.5. База данных застройки г.Москвы.

Глава 3. Анализ исходных данных и их адаптация для целей климатического расчета загрязнений.

3.1. Общая характеристика исходного материала.

3.2. Статистическая обработка данных.

3.3. Построение сети реперных станций.

Глава 4. Метод коррекции расчетных полей загрязнения воздуха выбросами автотранспорта с использованием данных мониторинга атмосферы.

4.1. Оценка суммарной погрешности расчета текущих полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта по результатам специальных наблюдений.

4.2. .Использование результатов мониторинга для уточнения мощности выброса автотранспортом вредных веществ в атмосферу.

4.3. Привязка расчетных значений загрязнения атмосферы к реперной сети постов АСКЗА.

4.4. Схема расчета климатической карты загрязнения атмосферы города Москвы выбросами автотранспорта.

4.5. Реализация предложенного методического подхода с помощью программного комплекса ЭПК «ZONE».

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Метод коррекции расчетных полей загрязнения воздуха выбросами автотранспорта с использованием данных мониторинга атмосферы"

Актуальность работы определяется необходимостью расчета достоверных карт загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта с высоким пространственным разрешением применительно к проектированию городской транспортной инфраструктуры.

Специфика загрязнения атмосферы выбросами автотранспортных средств (АТС) проявляется, прежде всего, в сложной пространственной структуре городских магистралей, низком расположении источников выбросов над поверхностью земли, погруженности их в городскую застройку, а также непосредственной близостью к реципиентам. В результате, при общей доле транспорта в массовом выбросе загрязняющих веществ в атмосферу, равной 35-60%, соответствующая доля в загрязнении приземного слоя воздуха в городах достигает 70-90%. Все это приводит к тому, что автотранспорт создает в городах обширные и устойчивые зоны, в пределах которых в несколько раз превышаются санитарно-гигиенические нормативы загрязнения воздуха.

Информационной основой для решения проблем картирования загрязнения атмосферы могут являться данные мониторинга атмосферы. Территориальные сети автоматизированных постов измерения характеристик загрязнения атмосферы существуют во многих промышленно-развитых странах мира, а в последние годы начали активно создаваться в крупных городах России.

Между тем, при интерпретации такого рода данных следует учитывать чрезвычайно высокую пространственно-временную изменчивость полей загрязнения атмосферы, создаваемых автотранспортом. В каждый момент времени при этом формируется весьма пестрая картина, с характерными масштабами пятен загрязнения в десятки и сотни метров. В этих условиях, ни при каком экономически обоснованном количестве подобных постов (вплоть до 1 поста на 1 га, т.е. несколько тысяч для всей территории города) решить проблему восстановления в процессе мониторинга текущих полей концентрации с необходимой для принятия решений детализацией не удастся.

Помимо измерительного мониторинга, искомые поля загрязнения в принципе могут быть получены и расчетным путем, с использованием физически содержательных трехмерных гидротермодинамических моделей атмосферы, пригодных для расчета распространения загрязняющих примесей от автотранспорта с учетом городской застройки.

Несмотря на достигнутые в последние годы успехи в области разработки современных методов моделирования городской атмосферы, существует целый ряд проблем, связанных с заданием исходных данных для расчета. Возникающие при этом неопределенности можно условно разделить на несколько групп: неоднозначная связь суммарной интенсивности выброса загрязняющих веществ с интенсивностью движения в транспортном потоке по каждой магистрали (различные двигательные установки АТС, состав топлива, уровень технического обслуживания, поведение водителей и т.д); приблизительный характер статистики интенсивности движения АТС и его структуры по магистралям города; ограничения математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере, связанные с необходимостью воспроизведения трехмерных полей скорости ветра и характеристик турбулентности с пространственным разрешением несколько метров; общая пространственно-временная изменчивость метеорологических условий.

Весь указанный перечень неопределенностей расчета полей загрязнения свидетельствует о практической невозможности получения в обозримом будущем достоверных полей загрязнения атмосферы только с использованием расчетных методов

Выход из положения может быть найден только в совмещении двух альтернативных методов, причем модель в этой ситуации должна играть роль так называемого «пространственно-временного интерполянта» и увязывать в одно целое такие разнородные информационные ресурсы, как данные мониторинга (точные данные, но в редкой сети точек), сведения об интенсивности движения транспорта (крайне приблизительные данные, но по обширной территории), так и вполне достоверную информацию о геометрии транспортных потоков и городской застройке, доступную из современных электронных карт города.

Такой подход может быть реализован с целью получения полей загрязнения с различным периодом осреднения, однако для повышения достоверности имеет смысл в первую очередь рассматривать среднеклиматические характеристики загрязнения. Дело в том, что имеющиеся неопределенности вносят некоррелированные (случайные) ошибки в расчетные поля концентрации, которые при осреднении будут минимизированы, а для устранения систематических погрешностей в такого рода расчетах как раз и требуются данные мониторинга.

Цель диссертационной работы - разработка метода коррекции расчетных среднеклиматических полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта с использованием данных измерений загрязнения атмосферы на постах автоматизированной системы мониторинга крупного мегаполиса (на примере Москвы).

Для достижения этой цели было необходимо: провести анализ современных методических подходов к определению массы выброса загрязняющих веществ от автотранспортных источников; провести анализ полноты и достоверности исходных данных, используемых математическими моделями; оценить по результатам специальных наблюдений суммарную погрешность расчета текущих полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта; исследовать существующую в Москве территориальную сеть автоматизированных постов измерений загрязнения атмосферы и выделить некоторое подмножество этой сети (реперная сеть), вклад автотранспорта для которой носит определяющий характер; сформировать комплекс баз исходных данных для интенсивностей движения автотранспорта, городской застройки, наблюдений и метеорологических параметров атмосферы, адаптированный для решения поставленной задачи; разработать методику корректировки расчетных полей загрязнения с использованием данных сети реперных станций мониторинга; провести цикл расчетов климатических характеристик загрязнения и построить в итоге комплект достоверных климатических карт загрязнения.

Научная новизна работы заключается в следующем: предложены критерии отбора автоматизированных постов мониторинга для целей расчета загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта; разработана методика корректировки расчетных значений с использованием накопленной информации с реперной сети постов мониторинга; предложена схема проведения расчетов климатической карты загрязнения атмосферы крупного мегаполиса выбросами автотранспорта; впервые построен комплект климатических карт загрязнения крупного мегаполиса (на примере Москвы) выбросами автотранспорта с пространственным разрешением 5м

Практическая значимость исследования. Результаты работы позволяют выработать рекомендации по природоохранным мероприятиям, направленным на управление антропогенными нагрузками, осуществить прогноз состояния загрязненности атмосферы, провести необходимые Ф природоохранные мероприятия и разработать систему управления автотранспортными нагрузками на городскую среду.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Комплексный статистический анализ данных измерений на автоматических постах мониторинга атмосферы Москвы;

2. Метод корректировки расчетных климатических карт загрязнения ф атмосферы с использованием данных мониторинга;

3. Среднеклиматические карты загрязнения атмосферы Москвы выбросами ^ автотранспорта.

Личный вклад автора заключается в проведении натурных обследований районов расположения автоматических станций контроля загрязнения атмосферы, участии в создании необходимого для проведения расчетов комплекса баз данных, разработке методики устранения систематических погрешностей, связанных с неопределенностью исходных данных и расчете комплекта климатических карт загрязнения, • откорректированных с учетом данных мониторинга.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались: на итоговых сессиях Ученого Совета Российского Государственного Гидрометеорологического Университета (Санкт-Петербург, 2004, 2005); на 1-й, 2-й и 3-й международной научно-практической ^ конференции «Экологическая безопасность автотранспортного комплекса: передовой опыт России и стран Европейского союза (Санкт-Петербург 2003, 2004, 2005)»; на 9-й международной конференции «Экология и развитие общества» (Санкт-Петербург, 2005). Материалы изложены в 8 публикациях.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Андрианов, Владимир Александрович

Выводы

1. Проведен анализ современных методических подходов к определению массы выброса загрязняющих веществ от автотранспортных источников;

2. Проведен анализ полноты и достоверности исходных данных, используемых математическими моделями;

3. Получена оценка суммарной погрешности расчета текущих полей загрязнения за счет выбросов автотранспорта по результатам специальных наблюдений;

4. Исследована существующая в г. Москве территориальная сеть автоматизированных постов измерений загрязнения атмосферы и выделена реперная сеть, вклад автотранспорта для которой носит определяющий характер;

5. Сформирован комплекс баз исходных данных для интенсивностей движения автотранспорта, городской застройки, наблюдений и метеорологических параметров атмосферы, адаптированный для решения поставленной задачи;

6. Разработана методика корректировки расчетных полей загрязнения с использованием данных сети реперных станций мониторинга;

7. Проведен цикл расчетов климатических характеристик загрязнения и построен комплект достоверных климатических карт загрязнения.

Перспективным направлением исследований в данной области является более глубокий анализ факторов влияющих на суточный ход концентраций на постах АСКЗА и учет этих факторов в процессе моделирования загрязнения атмосферы от выбросов автотранспорта. Что позволит повысить точность расчетов и позволит перейти с климатического масштаба на масштаб среднемесячных и среднесуточных показателей.

Включение в расчетную модель базы данных промышленных источников выбросов также могло бы привести к расширению сети реперных станций и повышению точности моделирования, что в конечном итоге позволило бы выполнение сводных расчетов загрязнения атмосферы. Однако в настоящий момент времени отсутствует техническая возможность сформировать достаточную базу данных промышленных предприятий, с их территориальной привязкой, так как этого не позволяют существующие подходы к учету экологической отчетности предприятий.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Андрианов, Владимир Александрович, Санкт-Петербург

1. Российская Федерация. Федеральный Закон "Об охране окружающей среды". M., 2002.

2. Российская Федерация. ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН. Об охране атмосферного воздуха. Принят Государственной Думой 2 апреля 1999 года. Одобрен Советом Федерации 22 апреля 1999 года.

3. Гетманец Г.В., Лиханов В.А. Социально-экологические проблемы автомобильного транспорта. Справочное пособие. АСПОЛ, Люберцы, 1993.-330с.

4. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. М., Прогресс-Традиция, 2000. - 416 с.

5. И.Т. Могилевкин. Мировой транспорт: время перемен// МЭ и МО. 2001. N8. С. 59-63.

6. Климат, погода, экология Москвы. / Под.ред. Ф.Я. Клинова СПб.: Гидрометеоиздат. 1995. — 438 с.

7. Reiter E.L. 1972. Atmospheric transport processes. US EAA 412c.

8. Киселев A.B. Фридман К.Б. Оценка риска здоровью. СПб.: АО "Дейта". 1997-103с.

9. Государственный доклад. О состоянии окружающей природной среды г.Москвы в 1998 году. М.: Прима-Пресс, 1998.

10. Rotty R.M., Masters С. Past and Future Releases of C02 from Fossil Fuel Combussion, Oak Ridge, TN, Institute for Energy Analysis (forthcoming), 1984

11. Проект Федерального закона «Об обеспечении экологической безопасности автомобильного транспорта», внесенный Комитетом Государственной Думы по экологии на парламентские слушания, состоявшиеся 19 июня 2000 года.

12. Pollution atmospheniques et affections cardio vascu-laires. Quened Philippe, E.lichegaray Christian. Energ.Sante Serv.etud.med. 1996. 7. N3. P.429-431.

13. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию: Пер. с нем. М.: Мир, 1997. -232 с.

14. Итоги социально-экономического развития транспортного комплекса за 1998 г./ Материалы к заседению Коллегии Минтранса России. 03.02.1999 г.

15. Бертокс П., Радд Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнения. М.: Мир, 1980. 606 с.

16. Schwarts J., Morris R. Air pollution and Hospital admission for cardiovascular disease in Detroit // Energ.Sante Serv.etud.med. 1996. 7. N3. P.453-456.

17. Материалы на тему «Об экологизации автотранспорта», представленные Министерством транспорта РФ к парламентским слушаниям, состоявшимся 19 июня 2005 года.

18. Автомобильный справочник. Первое издание. Перевод с английского. Издат-во «За рулем», М., 2000.- 896с.

19. Ложкин В.Н., Демочка О.И. и др. Экспериментально-расчетная оценка выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС на эксплуатационных режимах работы. Технический отчет по НИР., СПб., 10 ЦНИТА, 1990.

20. Теория двигателей внутреннего сгорания /Под. ред. проф. д-ра вхн. наук Н.Х.Дьяченко. Л., Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974,552 с.

21. ГОСТ Р 51249-99. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения. М., Издательство стандартов, 1999.

22. РД52.04.52-85 «Регулирование выбросов при неблагоприятных метеорологических условиях»

23. СанПиН 2.1.6.103 2-01 «Гигиенические требования и обеспечение качества атмосферного воздуха населённых мест»

24. Единая транспортная система: Учеб. для вузов / В.Г.Галабурда, В.А.Персиянов, А.А.Тимошин и др.; Под ред. В.Г.Галабурды. — М.: Транспорт, 1996.—295 с; Транспорт, 1997.

25. Morris R.D., Naumova E.N., Manusinghe R.L. Ambient air pollution and hospitalization for congestive heart failure among elderly people in seven large US cities. // Energ.Sante Serv.etud.med. 1996. 7. N3.

26. Малер Г., Кордес Ю. Основы биологической химии. М.: Мир, 1970.

27. Nieboer Е. MacFarlane, J., Richardson D. Modification of Plant Cell Bufferring Capacities by Gaseous Air Pollution. Chapter 21 in: Gaseous Air Pollutants and Plant Metabolism. London, 1984.

28. Автотранспортные потоки и окружающая среда./ В.Н.Луканин, А.П.Буслаев, Ю.В.Трофименко, М.В.Яшина. — М.: Инфра-М. 2001. 408 с.

29. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ /Под ред. А.С.Гаврилова- СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.- 165 с.

30. Киселев A.B., Савватеева JI.A. Методические рекомендации по оценке риска здоровью населения от загрязнения атмосферного воздуха / Серия "Библиотека пользователя ЭПК "ZONE" СПб.: ДЕЙТА, 1995,- 55с.

31. Трофименко Ю.В., Воронов Г.И., Скворцов М.Ю. Методы расчета загрязнения атмосферы крупных городов выбросами автотранспорта / Серия "Библиотека пользователя ЭПК "ZONE" СПб.: ДЕЙТА, 1996.- 36с.

32. Гаврилов A.C. Интеллектуальная геоинформационная система// Бюллетень ГИС ассоциации, вып. 1(13) 1998. С. 58-59.

33. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей // Ред. Ф.Т.М.Ньистадт, Х.Ван Доп (перевод с англ.) Д.: Гидрометеоиздат, 1985, 350 с.

34. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика, т. ^/Санкт-Петербург, Гидрометеоиздат, 1992,694с.

35. Красовский A.A. Фазовое пространство и статистическая теория динамических систем// М.: Наука, 1974, 232с.

36. Гаврилов A.C., Лайхтман Д.Л. О влиянии радиации на режим приземного слоя атмосферы// Изв. АН СССР, ФАО, Т.9, 1973, с.27-33

37. Гаврилов A.C. Математическое моделирование мезометеорологических процессов //Д.: изд. ЛПИ, 1988, 96с.

38. Buzbee B.L., Golub G.H., Nielsen C.W. On direct methods for solving Poisson's equation//J.Numer.Analysis, v.7, p.627-655.

39. Пененко B.B., Алоян A.E. Модели и методы для задач охраны окружающей среды, «Наука», Новосибирск, 1985, 254 с.

40. Г.И.Марчук Математическое моделирование в проблеме окружающей среды//М.: Наука, 1982, 315 с.

41. Попов A.M. О распространении примесей в атмосфере города// Метеорология и Гидрология. 1975.- N 11.- С.48-54.

42. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы//Гидрометеоиздат, Л.: Гидрометеоиздат, 1970, 341с.

43. Гаврилов A.C. О строении пограничного слоя атмосферы над поверхностью с произвольными свойствами шероховатости// Метеорология и Гидрология. 1973, N 12, С.35-42.

44. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий (ОНД-86). Л.:Гидрометеоиздат, 1987.- 94 с.

45. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998.- 286с.

46. Румянцев Г.И., Новиков СМ. Проблемы прогнозирования риска воздействия химических веществ на здоровье населения. М., Гигиена и санитария, № 6, 1997. С. 13-18.

47. U.S. ЕРА. Health Effects Assessment Summary Tables (HEAST) office of Research and Development and Office of Solid Waste and mergence Response. -Washington, 1995.

48. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов. Утверждена приказом Госкомэкологии России № 66 от 16 февраля. 1999 года.

49. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М., Транспорт, 1985.

50. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов /В.Б.Миляев, Н.С.Буренин, В.Н.Ложкин и др., СПб, 1998.

51. Двигатели внутреннего сгорания. Т.1. Теория рабочих процессов./ Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1995.

52. Анализ токсичности ОГ дизелей различного назначения. Dieselmotor und Luft. // KFZ. 1997 40, N8. P.344-347.

53. Луканин B.H., Трофименко Ю.В. Экологические воздействия автомобильных двигателей на окружающую среду М.: ВИНИТИ, 1993.т17.

54. Flanders. Vlaanderen. Profile 1998. Ministry of Flanders. Belguim, 1998.

55. U.S.Environmental Protection Agency. Integrated Risk Information System -IRIS. 1995; R.Mendelson. An economic analysis of air pollution control from coal-fired power plants. Journal of Environmental Economics and Management, Vol.7, 1980.

56. Краткий автомобильный справочник / A.H. Понизовкин и др. М.: НИАТ, 1994. 7790 с.

57. The State of World Population, UNFPA, N.-Y., 1995. P. 63-72.

58. Бернацкий В.И. Исследования режимов работы автомобильного двигателя в эксплуатационных условиях // Тр. ин-та двигателей АН СССР. М., 1961.

59. Токарев А. А. Топливная экономичность и тягово-скоростные качества автомобиля. М.: Машиностроение, 1982. 224с.

60. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Ховаха — М.: Машиностроение, 1967.

61. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль; Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

62. Шилова Т.А. Влияние некоторых планировочных факторов и методов организации движения на расход топлива автомобилями. Киев, 1983.

63. Стечкин B.C. К вопросу экономичности автомобильного бензинового двигателя. Тез. лекции // Теория тепловых двигателей. Избранные труды. М.: Наука, 1977.410 с.

64. COST 319. Estimation of pollutant emissions from transport. Final report of the Action. Luxemburourg. Office for the Official Publications of the European Communities, 1999.176 p.

65. Целе У. Обобщения модели движения без обгона. / Изв. АН СССР. Сер. техн. кибернетика. 1972. N 5. С. 100-103.

66. Дрю Д. Теория транспорных потоков и управление ими. М.: Транспорт, 1972. 424 с.

67. Хейт Ф. Математическая теория транспортных потоков. М.: Мир, 1966. v

68. Клинковштейн Г.И., Афанасьев М.Б. Организация дорожного движения. Учебн. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1992.

69. Greenberg I. A Vehicle Headway Distribution for Tunnels, Highway Research News, 1-11, 1963.

70. Greenshilds B.D., Shapiro D., Ericksen E.L. Traffic Performance at Urban Street Intersections, Technical Report, N 1, pp.73-109. Yale Bureau of Highway Traffic, 1947.

71. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Теория рабочих процессов: Учеб./ Луканин В.Н., Морозов К.А., Хачиян А.С. и др. / Под ред. В.Н. Луканин. — М.: Высшая школа, 1995. — 368 с: ил.

72. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта / Под ред. В.Н.Луканина / Итоги науки и техники. Сер. Автомобильный и городской транспорт. Т. 19. — М.: ВИНИТИ, 1996.

73. Сильянов В.В. Безопасность транспортных потоков. — М.: Транспорт, 1972.

74. Еремин В.М., Бадалян A.M. Теория имитационного моделирования транспортных потоков в проектировании дорог и организации движения. // Повышение транспортных качеств автомобильных дорог и безопасности движения. Сб. науч. трудов/МАДИД986, С. 3-14.

75. Ope Н. Теория графов. М.: Наука, 1975.285с.

76. Картабаев Р.С, Еремин В.А. Машинная имитация движения транспортных потоков для проектирования автомобильных дорог в горной местности. Фрунзе: "Илим", 1982.

77. Литвинов А.С, Фаробин Я.Е. Автомобиль; Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

78. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Снижение экологических нагрузок на окружающую среду при работе автомобильного транспорта.// Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Автомобильный транспорт. 1996.— 340 с.

79. Сильянов В.В. Теория транспортных потоков в проектировании дорог и организации дорожного движения.- М.: Транспорт, 1977.

80. Michael P. Walsh. Car lines, Virginia, 1999.

81. Mitschke M. Dynamik der Kraftfahrzeuge. Band A: Antrieb und Bremsen. Berlin; Heidalberg; New York: Springer Verl., 1982. - 182 s.

82. Автодороги. Рос.дор. агентство. Эксперт, N 6, 14.02.2000.

83. Transport research. COST-319. Estimation of pollutant emissions from transport. Final Report ot the Action. Brussels, 1999, 175 p.

84. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 марта 2000 г. N 183 "О нормативах выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него". М., 2000.

85. ГОСТ 17.2.1.04-77. Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Основные термины и определения. М., Из-во стандартов, 1977.

86. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л., Гидрометеоиздат, 1987 г.

87. Методическое пособие по выполнению сводных расчетов загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий и автотранспорта города (региона) и их применению при нормировании выбросов. СПб., 1999.

88. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб., 2000.

89. Перечень методик выполнения измерений концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий СПб., 2001.

90. Перечень документов по расчету выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферный воздух, действующих в 2001-2002 годах. С-Пб., 2001.

91. Рекомендации по оформлению и содержанию проектов нормативов допустимых выбросов в атмосферу (ПДВ) для предприятий. М., 1990.

92. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосфер ы городов. СПб., 1999.

93. Инструкция по нормированию выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в атмосферу и в водные объекты. М., 1989.

94. ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. М., Из-во стандартов, 1979

95. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортных предприятий (расчетным методом). М., 1998.

96. Дополнения и изменения к "Методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу автотранспортных предприятий (расчетным методом)". М, 1999.

97. Методика проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М., 1998.

98. Дополнения и изменения «Методике проведения инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для баз дорожной техники (расчетным методом). М., 1999.

99. Инструкция по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для тепловых электростанций и котельных. РД 153-34.0-02.303-98. М., 1998.

100. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. СПб., 2002.

101. Н.С. Буренин, В.М. Волкодаева, СИ. Николаев, В.Ф. Хватов Загрязнение воздуха в Санкт-Петербугре выбросами автотранспорта. НИИ Атмосфера, СПб, 1999.

102. Семенов H.H. «Цепное окисление углеводородов» М., 1978, 324 с.

103. Проект Федерального закона «Об обеспечении экологической безопасности автомобильного транспорта», внесенный Комитетом Государственной Думы по экологии на парламентские слушания, состоявшиеся 19 июня 2000 года.

104. Э.Ю.Безуглая, Г.П.Расторгуева, И.В.Смирнова Чем дышит промышленный город., Ленинград. ;Гидрометеоиздат, 1991,225с.

105. Орлов Н.И., Смайлис В.И. Временные рекомендации по расчету выбросов от стационарных дизельных установок. Л., 1988.

106. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1975.,413 с.

107. Ложкин В.Н., Ложкина О.В. Загрязнение атмосферы автомобильным транспортом. СПб.,2005.,307 с.

108. Создание карты загрязнения воздуха выбросами автотранспорта // Научно-технический отчет по этапу 1 НИОКР от « 19 » апреля 2004 г., ЗАО «ЛенЭкоСофт», СПб., 2003 г.,54 с.

109. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1985г.,413 с.

110. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Том1,2/Справочник под ред. С.Калверта и Г.М.Инглунда , М.,Металлургия, 1988 г.,1472с.