microbik.ru
1
Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра прикладной химии и физики

РАСЧЕТ ОЖИДАЕМОГО УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ВБЛИЗИ АВТОДОРОГИ

Учебно-методическое пособие

Уфа 2009

Рассматриваются методики расчета ожидаемого уровня загрязнения атмосферного воздуха вблизи автодорог.

Рекомендуется для проверки практического занятия либо самостоятельного выполнения расчетно-графической работы по дисциплинам «Экология», «Природа и экология РБ» студентами всех форм обучения. Учебно-методическое пособие может быть использовано в дипломном проектировании при решении аналогичных задач.
Составители: Горелов В.С., доц., канд. техн. наук,

Буйлова Е.А., ассистент, канд. хим. наук,

Галиева Д.Р., преподаватель
Рецензент Шаймарданов Н.М., доц., канд. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2009

Содержание
Цель работы………………………………………………………………...2

Введение………………………………………………………………….…2

1 Расчет концентрации токсичных выбросов по модели гауссовского распределения примесей в воздухе……………………………………….2

2 Расчет концентрации оксида углерода вблизи автодороги по методике В.Ф. Сидоренко..…………………………………………………………...6

3 Варианты заданий……………………………………………….……….7

4 Контрольные вопросы……………………………………………….….10

Приложение……………………………………………………………….11

Библиографический список…………………………………………..…..12

Цель работы:

- ознакомиться с методиками расчета ожидаемого уровня загрязнения атмосферного воздуха в придорожном пространстве выбросами автотранспорта;

- приобрести практические навыки экологических расчетов.
Введение
При сравнении вариантов проектных решений по прокладке автомобильных дорог, особенно в населенных пунктах и курортных зонах, важное значение придается мимизации загрязнения приземного слоя атмосферы токсичными выбросами автотранспорта.

Процессы сгорания топлив, эмиссии (выделения) токсичных веществ, их диффузии в придорожном пространстве чрезвычайно сложны и до настоящего времени недостаточны изучены. Применение точных методов расчета в таких условиях весьма проблематично. В практике экологических расчетов широкое применение находят упрощенные методы, основанные на экспериментальных данных и эмпирических зависимостях. По вполне понятным причинам такие методики не могут быть универсальными и имеют ограниченную область применения. Поэтому, в зависимости от конкретной ситуации, проектировщику следует правильно выбрать наиболее подходящую методику расчета.


  1. Расчет концентрации токсичных выбросов по модели гауссовского распределения примесей в атмосфере


Данный метод наиболее удобен при расчете ожидаемой концентрации токсичных веществ вдоль автотрассы, пересекающей населенные пункты, для принятия соответствующих проектных решений.

При определении уровня концентрации токсичных выбросов от автомобилей на небольших высотах, на различном расстоянии от дороги применяют модель гауссовского распределения примесей в воздухе. В этом случае уровень концентрации загрязнений воздуха окисью углерода, углеводородами, окислами азота соединениями свинца рассчитывается по следующей формуле

, (1)
где С – концентрация данного токсичного вещества в воздухе, мг/м3;

q – интенсивность выброса токсичного вещества автотранспортными средствами, г/м·с;

 - стандартное отклонение гауссовского рассеяния в вертикальном направлении, м (таблица 2);
u – скорость ветра, учитываемая при угле к дороге  не менее 300 (u умножается на sin ), м/с;

F – существующий фон от токсичных выбросов на местности без учета токсичных веществ, образующихся от проезда автомобилей, мг/м3.
Интенсивность выброса токсичного вещества q в атмосферу зависит от состава автотранспортного потока, интенсивности движения автомашин, уклона дороги, режима работы двигателя. Она складывается из q1 – интенсивности выделения токсичных веществ определенной группы при движении N1 автомобилей на подъем и q2 – при движении N2 автомобилей на спуск и, соответственно, может быть рассчитана по формуле [1]
, (2)
где N1 – общее число автомобилей в сутки, идущих на подъем;

N2 – тоже на спуск;

pi – часть (в долях единицы) автомобилей i-го типа в составе потока;

T1 – эмиссия токсичных веществ определенной группы при движении автомобиля i-го типа на подъем, г/100м;

T2 – тоже на спуске.
Экспериментальные данные по эмиссии основных токсичных веществ от типовых автомобилей в зависимости от величины продольного уклона – основного фактора, определяющего режим работы двигателя автомобиля, приведены в таблице 1 [1].

Значения стандартного отклонения  в формуле (1) существенно зависят от погодных условий. Для скорости ветра 2 м/с и летних условий значения  приведены в таблице 2. Для зимних условий можно использовать третью сверху строку таблицы 2 (ночь, облачно) [1].

Скорость ветра в значительной степени влияет на перенос токсичных веществ в придорожном пространстве. Её следует учитывать при угле направления ветра по отношению к дороге более 300. В формулу (1) подставляется значение нормальной составляющей скорости ветра по отношению к направлению дороги.

Таблица 1 – Эмиссия токсичных веществ автомобилями различных типов


Тип автомоби-ля

Токсичные вещества

Эмиссия ТВ (г/100 м) при продольном уклоне, ‰

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

ГАЗ - 53

окись углерода

2,7

2,6

3,8

10,5

8,1

8,8

10,8

13,2

14,2

окислы азота

0,2

0,2

0,3

1,5

3,7

5,4

5,9

7,8

9,1

углеводороды

0,4

0,3

1

1,5

1,6

2

2,4

3

3,4

ЗИЛ - 130

окись углерода

3,5

3,3

10,6

10,8

9,5

11,2

15,3

16,2

22

окислы азота

0,3

0,6

2,6

2,6

4,8

6,4

7,4

9,3

10,9

углеводороды

0,5

0,4

1,6

1,7

2

2,6

3,2

3,7

4,6

КамАЗ

окись углерода

0,2

0,2

0,2

0,2

0,4

0,3

0,6

1,2

1,8

окислы азота

0,8

0,7

0,6

1,5

4,9

3,8

5,3

7,1

9,2

сажа

0,1

0,1

0,1

0,1

0,2

0,2

0,2

0,5

0,7

ЛАЗ - 697

окись углерода

3,5

3,2

2,5

13,9

12

13,7

21,8

23,4

29

окислы азота

0,3

0,3

0,2

3

5,8

8,8

9,8

14,9

17,8

углеводороды

0,5

0,4

0,3

2,2

2,5

3,3

4,4

5,5

6,8

ВАЗ - 2103

окись углерода

1

0,9

1

5,1

3,8

4,1

4,8

7

10,7

окислы азота

0,1

0,1

0,2

0,2

0

1,2

1,2

0,9

0,3

углеводороды

0,1

0,1

1

0,7

0,6

0,7

0,8

1

1,4


Таблица 2 – Стандартное отклонение гауссовского рассеяния σ в зависимости от удаления от дороги


Время суток

Удаление от дороги, м

10

20

40

60

80

100

День, солнечная радиация:

- сильная

- слабая


2

1


4

2


6

4


8

6


12

8


16

10

Ночь:

- облачно

- ясно


0,3

0,1


0,6

0,2


1

0,4


1,8

0,8


2,5

1


3,1

1,4


Пример расчета

Исходные данные:

  1. Интенсивность потока автомашин N = 2000 авт./сут..

  2. Состав потока: ГАЗ-53 – 15 %, ЗИЛ-130 – 25 %, КамАЗ – 10 %, автобус ЛАЗ-697 – 10 %, легковые автомобили – 40 %.

  3. Продольный уклон дороги 4 ‰.

  4. Нормальная составляющая скорости ветра 2 м/с.

  5. Время суток – день, солнечная радиация слабая.


Решение:

  1. Принимаем, что N1 = N2 = 1000 авт./сут..

  2. По формуле (2) вычисляем эмиссию токсичных веществ (г/(с·м)): оксид углерода – 0,0038; оксидов азота – 0,0014; углеводородов – 0,0008; сажи – 0,000008.

  3. По формуле (1) вычисляем концентрацию токсичных веществ в воздухе в зависимости от расстояния от дороги. Результаты расчета приведены в таблице 3.


Таблица 3 – Результаты расчетов


Наименование вещества

ПДКсс

Концентрации токсичных веществ (мг/м3) на расстоянии от оси дороги, м

20

40

60

80

100

1. Оксид углерода

3

0,75

0,38

0,25

0,19

0,15

2. Оксиды азота

0,06

0,28

0,14

0,09

0,07

0,06

3. Углеводороды

1,5

1,60

0,80

0,53

0,4

0,32

4. Сажа

0,05

0,02

0,01

-

-

-


Анализируя результаты расчетов, приходим к выводу, что на данном участке дороги при заданной ее загрузке транспортным потоком концентрация оксида углерода и сажи практически допустима, окислов азота допустима на расстоянии более 100 м от дороги, углеводородов допустима на расстоянии более 30 м от дороги.


  1. Расчет концентрации оксида углерода вблизи автодороги по методике В.Ф. Сидоренко

Данный метод наиболее удобен для оценки ожидаемого уровня загрязнения атмосферы придорожной территории городских улиц, в частности при выборе места для строительства жилых и общественный зданий.

Для ориентировочных расчетов уровня концентрации окиси углерода над кромкой проезжей части с учетом интенсивности и скорости движения, состава транспортного потока, подъемов на дороге и установки нейтрализаторов предлагается пользоваться эмпирической формулой
СО0 = (7,33 + 0,026 ·N) · K1 · K2 · K3,
где СО0 – уровень концентрации углерода на высоте 1,5 м над кромкой проезжей части, мг/м3;

N – интенсивность движения автомобилей с карбюраторными двигателями, авт./час;

К1 – коэффициент учета состава транспортного потока и его средней скорости (таблица 4);

К2 – коэффициент учета влияния подъемов на выбросы (таблица 5);

К3 – коэффициент учета установки нейтрализаторов для очистки от СО и применения более современных двигателей внутреннего сгорания: без нейтрализаторов К3 = 1, с применением нейтрализаторов и более современных двигателей К3 = 0,11…0,17.

Для большей наглядности определим уровень концентрации окиси углерода СО0 над кромкой проезжей части, если интенсивность движения N = 50 авт./час, подъем 50 ‰, доля грузовых автомобилей с карбюраторными двигателями 60 %, а скорость движения 40 км/час, с учетом и без учета установки нейтрализаторов.

Расчет выполняем по формуле (3), а коэффициент К1 и К2 находим по таблицам 4 и 5. Для доли автомобилей с карбюраторными двигателями 60 % при скорости движения 40 км/час коэффициент К1 = 0,95. Для подъема 50 ‰ коэффициент К2 = 1,04.

Для автомобилей с установленным нейтрализатором (К3 = 0,17):
СО0 = (7,33 + 0,026 · 50) · 0,95 · 1,04 · 0,17 = 1,44 мг/м3.
Для автомобилей без нейтрализаторов (К3 = 1):
СО0 = (7,33 + 0,026 · 50) · 0,95 · 1 · 1,04 = 8,52 мг/м3.
Таблица 4 – Коэффициент учета состава транспортного потока


Доля грузовых автомобилей с бензиновыми двигателями в общем потоке, %

Значение коэффициента К1 при скорости автомобилей, км/ч

20

30

40

50

60

70

80

10

20

1,02

1,05

0,87

0,91

0,72

0,77

0,65

0,69

0,54

0,62

0,46

0,57

0,55

0,67

30

40

1,08

1,09

0,95

0,97

0,82

0,86

0,73

0,76

0,70

0,77

0,66

0,78

0,75

0,85

50

60

1,11

1,12

1,01

1,04

0,91

0,95

0,80

0,89

0,84

0,89

0,90

0,93

0,95

1,03

70

80

1,14

1,17

1,08

1,11

1,00

1,05

0,87

0,90

0,95

-

1,04

-

1,12

-

Таблица 5 – Коэффициент учета влияния подъемов на выбросы


Величина подъема, ‰

< 10

10 – 30

30 – 50

50 – 70

Коэффициент К2

1

1,02

1,04

1,06


Выполненный расчет показывает, что монтаж нейтрализаторов на автомобилях является весьма перспективным, так как уменьшает в нашем случае выбросы в атмосферу СО в 6 раз и обеспечивает загазованность воздуха в допустимых пределах, когда уровень концентрации в воздухе СО не превышает 3 мг/м3.

По формуле (1) можно рассчитать концентрацию СО только над кромкой проезжей части, что недостаточно, так как часто нужно знать концентрацию СО на определенном расстоянии от дороги. Для этого следует воспользоваться формулой (4), которая позволяет рассчитать уровень концентрации СОХ в точке, удаленной от кромки проезжей части на расстоянии Х:
СОХ = 0,5∙ СО0 – 0,1 ∙ Х, (4)
где Х – удаление защищаемого объекта от проезжей части, м;

СО0 – концентрация окиси углерода на кромкой проезжей части, мг/м3.

Например, при концентрации окиси углерода над кромкой проезжей части СО0 = 8,52 мг/м3 на расстоянии Х = 10 м загазованность составит:
СОх = 0,5·8,52 – 0,1·10 = 3,26 мг/м3, что несколько превышает среднесуточную ПДК, равную 3 мг/м3.
3 Варианты заданий

Задание 1

Проектируемая автодорога проходит рядом (через) с сельским населенным пунктом.

Исходя из ожидаемого уровня загазованности атмосферного воздуха, определить необходимое расстояние между полотном дороги и границей жилой застройки. При необходимости сделать конкретные предложения.


Таблица 6 – Исходные данные к расчету


Наименование

Номер варианта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1 Состав транспортного потока (типы автомобилей), %

-грузовые:

ГАЗ,

ЗИЛ

КамАЗ

-автобусы (ЛАЗ)

-легковые


10

10

30

5

45


20

20

20

10

30


30

10

10

15

35


10

20

30

5

35


20

15

10

10

45


30

10

10

15

45


10

20

30

5

35


20

10

20

10

40


30

5

10

15

40


10

25

30

5

30


15

20

20

10

35


20

5

1

15

40


25

10

5

-

60

2 Продольный уклон, ‰

0

20

40

60

80

5

10

15

25

30

35

45

50

3 Нормальная составляющая скорости ветра, м/с

0,5

1,0

1,5

2,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0,5

1,-0

1,5

2,0

2,5

4 Время суток:

- день

- ночь


+

-


+

-


-

+


-

+


+

-


+

-


+

-


+

-


+

-


-

+


-

+


+

-


+

-


5 Солнечная радиация

- слабая

- сильная



+

-



-

+



+

-



-

+



+

-



-
+



+

-



-

+



+

-



-

+



+

-



-

+



+

-

6 Интенсивность движения*, авт./сут.


1000


1250


1500


1750


2000


2500


3000


3500


4000


4500


5000


6000


7000


* В расчете принять: интенсивность потока в обои направлениях одинаковая;

интенсивность ночного потока в 3 раза меньше дневного.
Задание 2

Для проектируемо микрорайона рассчитать ожидаемый уровень загрязнения оксидом углерода атмосферы придорожной территории от выбросов автотранспорта. По результатам расчетов сделать конкретные выводы и предложения.


Таблица 7 – исходные данные к расчету


Наименование

Номер варианта

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1 Интенсивность движения автотранспорта, авт./сут


50


100


150


200


300


400


500


600


250


350


550


600


50

2 Доля автомобилей с карбюраторными двигателями, %


80


75


70


60


65


50


40


50


60


70


80


70


60

3 Средняя скорость движения автотранспорта, км/ч


50


50


60


60


70


70


80


80


60


60


70


70


50

4 Для автомобилей, оснащенных нейтрализаторами, %


0


10


10


20


30


30


40


40


20


30


40


40


15

5 Продольный уклон, ‰

70

60

50

40

30

20

10

0

15

25

35

45

55


4 Контрольные вопросы

1 Объясните причины высокой токсичности автомобильных выбросов.

2 Что происходит с загрязняющими веществами, попавшими в атмосферу?

  1. Какие факторы влияют на интенсивность рассеивания загрязняющих веществ в атмосферу?

  2. В чем заключается особое «коварство» автомобильных выбросов?

  3. Назовите и охарактеризуйте возможные пути уменьшения вредного воздействия выбросов автотранспорта на окружающую среду, в том числе технические, градостроительные, правовые и организационные.


Приложение
Таблица 1 – Предельно допустимые концентрации некоторых загрязняющих веществ в воздухе населенных мест


Наименование вещества

ПДК, мг/м3

максимально разовая

среднесуточная

Азота диоксид (NO2)

Азота оксид (NO)

Бенз(а)пирен

Бензин нефтяной малосернистый

Сажа

Серы диоксид (SO2)

0,085

0,4

-

5

0,15

0,5

0,04

0,06

0,1 мкг/100 м3

1,5

0,05

0,05


Таблица 2 – Снижение концентрации окиси углерода в воздухе зелеными насаждениями


Типы посадок

Коэффициент ажурности

Снижение концентрации, %

зима


лето

зима

лето

Однорядная полоса деревьев

0,11

0,22

0 – 3

7 – 10


Двухрядная полоса деревьев

0,15

0,37

3 – 5

10 – 20


Тоже с двурядным кустарником

0,18

0,58

5 – 7

30 – 40

Трехрядная полоса деревьев с двухрядным кустарником

0,20

0,68

10 – 12

40 – 50

Четырехрядная полоса деревьев с двухрядным кустарником


0,23


0,75


10 – 15


50 – 60


Библиографический список

1 Филиппов В.В. Экологические расчеты при проектировании дорог // Автомобильные дороги. – 1990. - № 5. – С. 20.

2 Силуков Ю.Д. Экологическая безопасность на автомобильных дорогах: учеб пособие. – Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университете, 2004. – 173 с.

3 Новиков Г.В., Дударев Я.Л. Санитарная охрана современного города. – Л.: Медицина, 1978. – 216 с.