автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Моделирование техногенного воздействия автомобильных дорог на экосистемы придорожной полосы

Введение.

Глава 1. Техногенное воздействие автомобильных дорог: основные понятия и обзор исследований.

1.1. Основные понятия.

1.2. Обзор исследований.

1.3. Цель и постановка задач исследования.

Глава 2. Математические модели техногенного воздействия.

2.1. Система моделей техногенного воздействия.

2.2. Математические модели процессов переноса и осаждения загрязняющих веществ в придорожной полосе воздушным путем.

2.3. Математические модели процессов загрязнения почв и растений придорожной полосы водным путем.

2.4. Выводы по 2 главе.

Глава 3. Экспериментальные исследования состояния экосистем придорожной полосы.

3.1. Методика исследований.

3.2. Основные результаты экспериментальных исследований и их обсуждение.

3.2.1. Состояние дорожных сооружений и основные параметры транспортного потока.

3.2.2. Загрязнение воздушной среды.

3.2.3. Изменение состояния почв придорожной полосы.

3.2.4. Статистический анализ зависимостей физико-химических и химических характеристик почв.

3.2.5. Изменение состояния растительного покрова.

3.3. Экспериментальное изучение растворимости газов в осадках и дождевом стоке.

3.4. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Развитие нормативной и методической базы для определения параметров мониторинга экосистем придорожных полос автомобильных дорог.

4.1. Задачи комплексного мониторинга природной среды примагист-ральных территорий.

4.2. Параметры мониторинга, влияющие на экологическое состояние автомобильной дороги и придорожной полосы.

4.3. Методика прогноза загрязнения окружающей среды газообразными загрязняющими веществами.

4.4. Методика определения уровня воздействия автотранспорта на животный и растительный мир.

4.5. Экономическое обоснование разработки мониторинга окружающей среды на основе альтернативных источников финансирования дорожной отрасли.

4.6. Совершенствование нормативной и методической базы для разработки мониторинга природной среды при проектировании и эксплуатации автомобильных дорог.

4.7. Выводы по 4 главе.

Рост экономической активности, повышение мобильности населения привели к резкому увеличению парка автомобилей в России. Однако процессу автомобилизации присущи не только положительные, но и отрицательные стороны.

Негативными сторонами процесса автомобилизации являются деградация природных систем и рост заболеваемости населения и водителей в результате техногенного воздействия автомобильных дорог на экосистемы придорожной полосы, включающего физическое и химическое загрязнение воздуха, почв, растительности от автотранспортных потоков, строительных и эксплуатационных работ и разрушение функциональных связей в экосистемах.

Разработка мероприятий по снижению отрицательных воздействий на окружающую природную среду является одной из важнейших задач подпрограммы «Автомобильные дороги» Федеральной целевой программы модернизации транспортной системы России на период до 2010 г.

Следовательно, экспериментальное изучение, теоретическое обоснование, моделирование и прогноз техногенного воздействия автомобильных дорог на экосистемы придорожной полосы являются актуальными научными и прикладными задачами дорожной отрасли.

Решение этих задач требует системного подхода в экспериментальных и теоретических исследованиях, позволяющего более точно и обоснованно дать прогноз экологического состояния придорожной полосы и разработать мероприятия по снижению воздействия транспортных потоков и автомобильных: дорог на экосистемы, население и водителей.

Целью работы является математическое моделирование техногенного воздействия автомобильных дорог для определения параметров качества экосистем придорожной полосы.

Для достижения указанной цели задачами исследования являются теоре5 тические и экспериментальные разработки:

- системы математических моделей процессов загрязнения воздуха, почв и растительности придорожной полосы на основе конвективно-диффузионной теории воздушного переноса загрязняющих веществ;

- математического моделирования процессов загрязнения почв и растений загрязняющими веществами, содержащимися в ливневых стоках с автомобильных дорог;

- методики определения параметров качества экосистем придорожной полосы;

- метода определения экологического ущерба от загрязнения экосистем придорожной полосы.

Исследования выполнены в соответствии с отраслевым планом научных работ Российского дорожного агентства по теме «Оценка состояния автомобильной дороги и притрассовой полосы с учетом воздействия экологических факторов в системе "автомобильная дорога - природная среда " на примере магистрали "Дон-Г'».

Научная новизна работы:

1. Разработана и обоснована система моделей процессов загрязнения воздуха, почв и растительности придорожной полосы на основе конвективно-диффузионной теории переноса, учитывающая пульсационный режим движения транспортного потока, скорости и направления ветра, особенности перемещения тяжелых металлов в воздухе;

2. Разработана и обоснована математическая модель процесса загрязнения почв и растительности загрязняющими веществами, содержащимися в ливневых стоках автомобильных дорог, и на ее основе получены аналитические зависимости для расчета количества и глубины проникновения загрязняющих веществ в почве;

3. Предложен метод расчета содержания тяжелых металлов в почве и растительности, включающий аналитические зависимости, основанные на ре6 зультатах математического моделирования, и эмпирические коэффициенты пересчета и биологического накопления;

4. Получена аналитическая зависимость для определения экологического ущерба, учитывающая одновременно загрязнение воздуха, почв и растительности.

Личный творческий вклад автора в получении, результатов научных исследований, изложенных в диссертации. Исследования по проблеме техногенного воздействия автомобильных дорог начаты автором в 80-е годы на автомагистрали "Дон" и других автомобильных дорогах Центрального региона. В 1998-2000 гг. под руководством и при личном участии автора проведено экспериментальное изучение процессов загрязнения воздуха, почвы и растительности придорожной полосы магистрали «Дон-1». Все работы по организации эксперимента, обработке экспериментальных данных, их анализу и математическому моделированию выполнены лично автором при консультации научного руководителя проф. Турбина B.C.

Практическая ценность работы определяется применением результатов моделирования для прогноза загрязнения воздушной среды, почв и растительности придорожной полосы, определения параметров качества экосистем и экологического ущерба от загрязнения экосистем.

Реализация работы.

Результаты работ внедрены автором в практическую деятельность ДСД «Черноземье». Теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы использованы автором в преподавании дисциплин «Общий курс путей сообщения», а также «Основы проектирования автомобильных дорог», в курсовом и дипломном проектировании на механико-автодорожном факультете Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. 7

Апробация результатов работы.

Результаты исследований диссертационной работы обсуждались ежегодно на техническом совете института «ВОРОНЕЖГИПРОДОРЕИИ», научных конференциях и семинарах Воронежского государственного архитектурно-строительного университета (1998-2002гг.), на международном научно-практическом симпозиуме «Дорожная экология XXI века» (Воронеж, 1999), четвертой международной научно-технической конференции «Решение экологических проблем в автотранспортном комплексе» (Москва, МАДИ, 2000г.), всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии, конструкции и материалы при строительстве, реконструкции и ремонте автомобильных дорог общего пользования» (Геленджик, 2002 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация включает введение, четыре главы, основные результаты и выводы, список литературы из наименований и 4 приложения. Объем работы -150 стр., в том числе, 122 страницы основного машинописного текста, 37 таблиц, 22 рисунка и графика.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана система математических моделей процессов загрязнения окружающего воздуха придорожной полосы газообразными загрязняющими веществами и тяжелыми металлами, основанная на уравнениях переноса и диффузии и учитывающая пульсационный режим движения автотранспорта, направления и скорости ветра, особенности перемещения тяжелых металлов в воздухе.

2. На основе математического моделирования процессов загрязнения почв и растительности ливневыми стоками автомобильных дорог получены аналитические зависимости для прогнозирования концентрации загрязняющих веществ на различных глубинах и времени миграции водных растворов.

3. Разработан метод расчета содержания тяжелых металлов в почвах и растительности, основанный на результатах математического моделирования и полученных автором эмпирических коэффициентах пересчета и биологического накопления.

4. Предложена методика определения параметров качества экосистем придорожной полосы для различных климатических и ландшафтных условий, конструктивных особенностей дорожных сооружений, состава и интенсивности транспортного потока.

5. Разработан метод определения экологического ущерба от загрязнения экосистем придорожной полосы, позволяющий учесть все составляющие интегрального техногенного воздействия автомобильных дорог на воздух, почвы и растительность с помощью аналитических зависимостей, полученных в результате математического моделирования.

6. Для проведения экологического мониторинга предложены и обоснованы новые источники финансирования за счет эксплуатации платных участков автомобильных дорог.

7. На основе моделирования техногенного воздействия автомобильных до

113 рог на экосистемы разработана нормативная методическая база мониторинга при дорожной полосы, включающая перечень его параметров и методы их определе^ ния расчетным путем.

114

1. Федеральный закон РФ "Об охране окружающей природной среды" от 10 января 2002 г., Ж7-ФЗ.- М.:ИНФРА-М, 2002,- 51 с.

2. ГОСТ 17.4.3.01-83 (СТ СЭВ 3847-82). Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. М.: Изд-во стандартов, 1983. 4 с.

3. ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. М.: Изд-во стандартов, 1986. 5 с.

4. ГОСТ 17.2.1.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Классификация выбросов по составу. М.: Изд-во стандартов, 1986. 4 с.

5. ГОСТ 17.4.4.02-84. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа. М.: Изд-во стандартов, 1984. 4 с.

6. ГОСТ 28168-89. Почвы.Отбор проб.- М.: Изд-во стандартов, 1989. 4 с.

7. СНиП 2.64.03-85. Канализация. Наружные сети.- М.: Госстрой, 1985.26 с.

8. СНиП 11-101-95.Инструкция о разработке, согласовании, утверждении и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений. М.: Госстрой, 1995. - 15 с.

9. СП 11-101-95. Порядок разработки, согласования,утверждения и состава обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений. -М.: Госстрой, 1995. 20 с.

10. Национальная программа совершенствования и развития сети автомобильных дорог России на период до 2010 г. «Дороги России XXI века».-М.: Росавтодор, 2001. 96 с.

11. Александров В.Ю., Кузубова Л.И., Яблокова Е.П. Экологические проблемы автомобильного транспорта: Аналит. обз. Сер. Экология. Новосибирск.: ГПНТБ СО РАН, 1995.- № 5. - 122 с.115

12. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Химия,1987. -142 с.

13. Батурин В.К. Техногенное воздействие на растительность и почву придорожной полосы//Наука и техника в дорожной отрасли.- 2002,- № 1.-С.29.

14. Батурин В.К. Контролера заказывали?//Автомобильные дороги. 2000.-№ 12.- С.12-14.

15. Батурин В.К. Кольцо для любимого города//Автомобильные дороги.-1998. № 7. - С.14-15.

16. Батурин В.К., Дегтярев С.Д. Экологические аспекты проектирования автомобильных дорог// Дорожная экология XXI века: Труды международного научно-практического симпозиума.- Воронеж,2000.-С.109-112.

17. Батурин В.К., Пидоймо Л.П., Царегородцева О.Г. Где деньги лежат (окончание) //Автомобильные дороги.- 2001. № 3. - С. 18-19.116

18. Батурин В .К., Пидоймо Л.П., Царегородцева О.Г. Где деньги лежать/Автомобильные дороги.- 2001№ 2. С.6-7.

19. Бериня Д.Ж., Калвиня Л.Н. Распределение выпадений выбросов автотранспорта и загрязнение почв придорожной полосы // Воздействие выбросов автотранспорта на природную среду.- Рига: 1989. С.22-36.

20. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 440 с.

21. Вызова Н.Л. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосфере. М.: Гидрометеоиздат, 1974.- 191 с.

22. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси.- Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 278 с.

23. Васильев А.П. Проектирование дорог с учетом влияния климата на условия движения. М.: Транспорт, 1986.- 248 с.

24. Временная типовая методика определения экономической эффективности осуществления природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба, причиняемого народному хозяйству загрязнением окружающей среды. М.: Экономика, 1986. - 96 с.

25. Дёч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z преобразования. - М.: Наука, 1971. - 276 с.

26. Динамическая метеорология: теоретическая метеорология./Под ред Лайхтмана Д.Л. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.- С.564-585.

27. Дмитриев М.Т., Казнина Н,И., Клименко Г.А. Загрязнение почв и растительности тяжелыми металлами. М.: Колос,1989.- 95 с.

28. Дьяков А.Б., Игнатьев Ю.В., Коншин Е.П., и др. Экологическая безопасность транспортных потоков. М.: Транспорт, 1989.- 128 с.

29. Евгеньев И.Е. Оценка воздействия автомобильных дорог на окружающую среду: Обзорная информация. М.: Информавтодор,1999.- Вып.З.-65 с.117

30. Евгеньев И.Е. Современные методы обеспечения экологической безопасности при проектировании автомобильных дорог: Обзорная информация. М.: ИнформавтодорД 996. - Вып.З. - 77 с.

31. Евгеньев И.Е., Каримов Б.Б. Автомобильные дороги в окружающей среде. М.: ООО "Трансдорнаука", 1997. - 285 с.

32. Жегалин О.И., Лупачев П.Д. Снижение токсичности автомобильных двигателей. М.: Транспорт, 1985. - 120 с.

33. Измалков В.И. Экологическая безопасность, методология прогнозирования антропогенных загрязнений и основы построения химического мониторинга. СПб, 1994. - 131 с.

34. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.-Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-375 с.

35. Ильин В.Б. О нормировании тяжелых металлов в растениях // Химия в сельском хозяйстве. 1987. - № 8. - С.63-65.

36. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск, 1991.-151 с.

37. Кабата-Пендиас А.ДТендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. -М.: Колос, 1989. 329 с.

38. Кавтарадзе Д.Н., Николаева Л.Ф., Поршнева Е.Б., Флорова Н.Б. Автомобильные дороги в экологических системах. М.: ЧеРо, 1999. - 240 с.

39. Канищев А.Н. Экология автодорожного комплекса. Воронеж: Издательство ВГУ, 2001. - 152 с.

40. Канищев А.Н. Мониторинг окружающей среды на автомобильных дорогах // Экологический вестник Черноземья.- Воронеж: РЦ «Менеджер», 2000.- Вып. 10.- С.93-97.

41. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964.488 с.

42. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений.-М.: Наука, 1970. 104 с.118

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М: Наука,1968. - 720 с.

44. Кузнецов Д.С. Специальные функции.- М.: Высшая школа, 1965.- 424 с.

45. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. М.: Гос. изд-во физ.мат.лит.,1962. - 248 с.

46. Лайхтман Д.Л. Диффузия примеси от точечных источников в приземном слое атмосферы.- Тр.ЛГМИ.-1963.- Вып.15. С.3-9

47. Лайхтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы,- Л.: Гидрометео-издат, 1971.-341 с.

48. Луканин В.Н., Буслаев А.П., Трофименко Ю.В., Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда.- М.:ИНФРА-М,1998.- 408 с.

49. Луканин В.Н., Буслаев А.П.,Трофименко Ю.В.,Яшина М.В. Автотранспортные потоки и окружающая среда-2.- М.:ИНФРА-М,2001.- 646 с.

50. Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология. М.: Высшая школа, 2001. - 273 с.

51. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. - 320 с.

52. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. -М.: Госкомприроды, 1999.- 70 с.

53. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий/ОНД-86.-Л.: Гидроме-теоиздат,1987.- 94 с.

54. Методические рекомендации по обеспечению природоохранных требований при проектировании автомобильных дорог в центральной полосе европейской части России.- М.:ВНИИприроды,1999,- 222 с.

55. Методические рекомендации по озеленению автомобильных дорог.-М.:РОСДОРНИИ, 1998.- 52 с.

56. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика.- Л.: Гидроме-теоиздат, 1992.- Т.1.- 694 с.119

57. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам.- JL: Гидро-метеоиздат, 1985.- Вып.З.- 4.1.- 320 с.

58. Нормативные данные по предельно допустимые уровни загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды: справочный материал. Санкт-Петербург, 1993. - 283 с.

59. Обухов А.И., Поддубная Е.В. Свинец в системе почва-растение // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах.-Л.:Наука,1980.- С.23-28.

60. Обухов А.М., Плеханова И.О., Кутукова Ю.Д. и др. Тяжелые металлы в почвах и растениях Москвы // Экологические исследования в Москве и Московской области.- М., 1990. С.148-161.

61. Орнатский Н.П. Автомобильные дороги и охрана природы. М.: Транспорт, 1982.- 176 с.

62. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы.- Л.: Химия, 1981.-363 с.

63. Петров Б.А. Компоненты отработавших газов и их влияние на здоровье человека и природу// Автомобильный транспорт.- 1996.- № 3.- С.44-45.

64. Подольский В.П., Турбин B.C., Канищев А.Н. Чистый выхлоп// Автомобильные дороги. 1997.- № 5.- С. 51.

65. Подольский В. П., Артюхов В. Г., Турбин В. С., Канищев А. Н. Автотранспортное загрязнение придорожных территорий. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1999. - 276 с.

66. Подольский В.П. Дорожная экология. -М.: Союз, 1997. 186 с.

67. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод.- М.: Наука, 1977.- 664 с.120

68. Попова З.А., Попов К.И. Автотранспорт источник загрязнения среды // Региональный экологический мониторинг. - М., 1983. - С. 29-33.

69. Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами. М.: Минприроды, Роскомзем , 1994. - 36 с.

70. Поспелов П.И. Борьба с шумом на автомобильных дорогах.- М.: Транспорт, 1981.- 88 с.

71. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов. М.: Ги-продорНИИ, 1995. -124 с.

72. Ровинский Ф.Я., Бурцева JI.B., Петрухина В.А. и др. Фоновое содержание свинца, ртути, мышьяка и кадмия в природных средах // Мониторинг фонового загрязнения природной среды. JL: Гидрометеоиздат, 1982.-Вып. 1.- С. 14-35.

73. Руководство по контролю загрязнений атмосферы/РД 52. 04.186-89.-М.: Гокомгидромет, Минздрав СССР, 1991.-448 с.

74. Руководство по контролю источников загрязнения атмосферы/С)НД-90.-Санкт-Петербург, 1992. 4.1. - 99 с.

75. Сборник законодательных, нормативных и методических документов для экспертизы воздухоохранных мероприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-319 с.

76. Сборник санитарно-гигиенических нормативов и методов контроля вредных веществ в объектах окружающей природной среды. М.: Искусство, 1991.-370 с.

77. Сеттон О.Г. Микрометеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1958. - 355 с.

78. Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха: источники контроля. М.: Мир, 1980.-539 с.

79. Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология.- М.: Изд-во МГУ, 1980,- 464 с.

80. Фельдман Ю.Г. Гигиеническая оценка автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха. М.: Медицина, 1975.- 159 с.

81. Фетисова JI.M. Указания по расчету концентраций примесей в приземном слое атмосферы.- Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1978.- 32 с.

82. Филиппов В.В. Экологические расчеты при проектировании дорог// Автомобильные дороги. 1990. - № 5.- С.20-21.

83. Фишере Д., Шилинып А., Гайтниекс Т. Влияние выхлопных газов автотранспорта на рост и развитие растений и накопление свинца в них // Моделирование и прогнозирование в экологии. М., 1980. С.124-136.

84. Хомяк Е.В., Скорченко В.Ф. Автомобильные дороги и окружающапя среда. Киев: КГУ, 1983. - 159 с.

85. Чуджиян X., Карвета С., Фациен 3. Тяжелые металлы в почвах и растениях // Экологическая кооперация.- Братислава, 1998.- Вып. 1.- С.5-24.

86. Экологические проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог: 4.1.Воздействие автомобильных дорог на окружающую среду. /М.В.Немчинов, С.С.Шабуров,В.К.Пашкин, М.С.Коганзон и др. -Москва-Иркутск, 1997. 232 с.

87. Якубовский Ю. Автомобильный транспорт и защита окружающей среды. М.: Транспорт, 1979 - 199 с.

88. Air Pollution: the Automobile ahd Public Health / Ed. Ann. J.Watson, R. Bates, D.Kennedy.- Washihgton: National Academy Press, 1988.- 698 p.

89. Demarne V., Grisel A. Integrated semiconductor gas sensors evaluation with an automatic system //Sensors and Actuators В.- 1990.- P.87-92. Elsom D.M. Atmospheric Pollution. A Global Problem. Oxford: Blackwell Publishers, 1995. - 422 p.