автореферат диссертации по транспорту, 05.22.01, диссертация на тему:Разработка методики обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения

На правах рукописи

ВОРОЖНИН ВЛАДИМИР СЕРГЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ УЧАСТНИКОВ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ КРУПНОГО ГОРОДА)

Специальность 05.22.01 - «Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

Москва-2014

005553656

005553656

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Техносферная безопасность»

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор,

Трофименко Юрий Васильевич.

Официальные оппоненты: Графкнна Марина Владимировна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», заведующая кафедрой «Экологическая безопасность технических систем»

Донченко Вадим Валерьянович,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

ОАО «Научно-исследовательский институт автомобильного транспорта (НИИАТ)», научный руководитель

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита состоится «11» декабря 2014 года, в 10-00 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 212.126.06 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, 64, аудитория 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Автореферат разослан «_»_2014 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Телефон для справок (499) 155-93-24

Ученый секретарь

диссертационного совета (--у Ефименко Д.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года среди основных приоритетов включает создание условий для повышения качества жизни населения и снижение негативного воздействия транспорта на окружающую среду. Современное состояние улично-дорожной сети ( УДС ) приводит к чрезмерному загрязнению среды обитания участников дорожного движения (УДД) и населения проживающего вблизи автомагистралей из-за увеличения степени загруженности дорог, их расширения и удаления придорожной растительности.

Меры по введению в структуру автомобильного парка транспортных средств ( ТС ) высоких экологических классов, развитие улично-дорожной сети и совершенствование систем организации дорожного движения во многом себя исчерпали, и не позволяют достичь безопасных уровней концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в воздухе на УДС. Не получили пока теоретического обоснования и практической реализации методы, одновременно обеспечивающие требуемое качество воздушной среды в салонах (кабинах) автомобилей, на пешеходных переходах, тротуарах, автобусных остановках, в транспортных тоннелях.

За рубежом (США, Германия и другие страны) в настоящее время начали разрабатываться биосферно-совместимые инженерные решения по очистке воздуха от загрязняющих веществ в городской среде, связанные с использованием свойств растительности, а также фотокаталитических очистителей разного назначения. Совместное применение мер защиты с оценкой получаемого эффекта для обеспечения экологической безопасности участников движения пока не рассматривалось.

Цель исследования. Разработка методики обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения за счет ограничения использования подвижного состава и очистки воздушной среды участников дорожного движения.

Настоящая цель определила необходимость, постановку и последовательность решения следующих задач:

1. Проанализировать состояние и тенденции развития методов защиты окружающей среды для обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения.

2. Теоретически обосновать методику оценки и обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения на улично-дорожной сети крупного города.

3. Разработать методику расчетно-экспериментального исследования качества воздушной среды участников дорожного движения и показателей интенсивности выделения и поглощения загрязняющих веществ в воздушной среде природными и техническими объектами.

4. Обосновать инженерные (технические и природные) и организационные мероприятия по обеспечению экологической безопасности участников

дорожного движения на улично-дорожной сети в условиях существующих тенденций развития транспортной системы крупного города.

Объект исследования - участники дорожного движения в транспортной системе крупного города.

Предмет исследования - методы снижения загрязнения воздушной среды участников дорожного движения в крупном городе.

Соответствие паспорту специальности. Содержание выполненных исследований отвечает формуле паспорта научной специальности 05.22.01 — «Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте» и области исследования по пункту 6 «Защита окружающей среды от загрязняющего воздействия транспорта».

Теоретической и методологической основой исследования послужили научные труды ведущих отечественных и зарубежных ученых в области обеспечения экологической безопасности городской транспортной системы, проектирования и развития транспортных систем, моделирования и оптимизации транспортных процессов и систем.

Основные методы исследования. В процессе обработки данных экспериментальных исследований и обоснования теоретических положений использовались общенаучные методы и приемы: анализа и синтеза, системный подход, методы системного анализа (алгоритмизация, математическое программирование, натурный и имитационный эксперимент и другие), математической статистики (регрессионный и факторный анализ, критерий Стьюдента).

Информационную базу исследования составили: законодательные и нормативные правовые акты; Транспортная стратегия России; Федеральные и региональные целевые программы развития транспортных систем; материалы Стратегического плана развития муниципального образования «город Екатеринбург»; статистические данные Федеральной службы государственной статистики РФ, научные и информационные публикации в отечественной и зарубежной литературе, журнальных статьях, научных докладах и отчетах, материалах научных конференций, семинаров; экспертные и экспериментально-статистические данные и информация, собранная автором в процессе исследования.

Научная новизна заключается в том, что:

1. Разработана методика оценки экологической безопасности участников дорожного движения (по качеству воздушной среды обитания в зоне влияния улично-дорожной сети), включающая расчет экспозиции разных групп участников дорожного движения загрязняющими веществами.

2. Установлены закономерности формирования качества воздушной среды участников дорожного движения, а также ее очистки за счет инженерных средств защиты.

3. Расчетным путем обосновано применение мероприятий, обеспечивающих экологическую безопасность участников дорожного движения на улично-дорожной сети города за счет использования

поглощающих свойств растительности, фотокатализаторов и организационных мероприятий.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в системном рассмотрении городской транспортной системы и в том, что разработанные методы количественной оценки воздействия ЗВ могут быть использованы для обеспечения экологической безопасности участников движения на УДС руководителями городских органов государственного управления транспортом различных уровней при разработке и модернизации объектов транспортно-логистической инфраструктуры. Разработанные модели и методы ориентированы на практическое применение, являются универсальными, что позволяет говорить о возможности широкого практического применения результатов исследования в системах различных видов транспорта с присутствием человека.

Реализация результатов исследования. Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры ландшафтного строительства Уральского государственного лесотехнического университета в составе дисциплин «Ландшафтное проектирование» и «Урбоэкология», учебном процессе МАДИ в составе дисциплин «Инженерная защита окружающей среды при проектировании транспортных сооружений», «Спецглавы инженерной защиты среды». Отдельные результаты работы опубликованы в открытой печати и могут быть использованы в практической деятельности для управления экологическими рисками в городской среде.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика оценки экологической безопасности участников дорожного движения, которая включает формализованное представление качества воздушной среды для разных групп участников дорожного движения.

2. Установленные связи между параметрами транспортной системы, участниками дорожного движения, окружающей средой, характеризующие процесс формирования загрязнения воздушной среды для участников дорожного движения с применением средств ее очистки.

3. Расчетное обоснование мероприятий по защите воздушной среды и обеспечению экологической безопасности участников дорожного движения на улично-дорожной сети города, за счет использования поглощающих свойств растительности, фотокатализаторов и использования автотранспорта.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: 3-ие, 4-ые, 5-ые, 6-ые Луканинские чтения МАДИ (г. Москва 2007 г., 2009 г., 2011 г., 2013 г.), Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: ЕЬР1Т 2009, Е1.Р1Т 2011 (г.Тольятти 2009г., 2011 г.), Современные вопросы организации медицины труда и управления профессиональными рисками (г. Екатеринбург 2009 г., 2011 г.), Транспортные и транспортно-технологические системы (г.Тюмень 2011г.), на заседании кафедры «Техносферная безопасность» 27 января, 2 июня 2014 года, на 7 Российско-германской конференции по безопасности дорожного движения 6-

7 июня 2014 г. (г. Санкт-Петербург), Организация и безопасность дорожного движения в крупных городах 18 сентября 2014 г. (г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 21 работе, в том числе - 1 патент на полезную модель. В изданиях из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций опубликовано 7 работ. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы.

Личное участие автора. Все результаты, включающие измерения, разработку теоретических положений, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов, списка использованной литературы, списка иллюстративного материала и приложения. Текст диссертации изложен на 133 страницах, включая 28 рисунков, 22 таблицы. Список литературы включает 129 наименований отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки методики защиты воздушной среды в крупном городе, а также обозначены предмет, объект, цели и задачи исследования.

В первой главе диссертационной работы выполнен анализ основных подходов к понятию экологической безопасности транспорта, методов ее оценки и обеспечения.

Проблемы экологической безопасности транспорта в эксплуатации обсуждались в работах Дьякова А.Б., Луканина В.Н., Трофименко Ю.В., Донченко В.В., Сайкина A.M., Сарбаева В.И., Графкиной М.В., Чеботаева A.A., Корчагина В.А., Яшиной М.В., Буслаева А.П., Магарил Е.Р. и других. Как показал анализ публикаций, защищенность окружающей среды достигалась в основном минимизацией вреда за счет усовершенствования технических характеристик подвижного состава, изменением составов топлив, развитием путей сообщений и оптимизации работы объектов транспортной инфраструктуры. Рассмотренные подходы уязвимы из-за трудностей определения размера наносимого ущерба для объектов окружающей среды и пригодны только для сравнения состояний различных парков транспортных средств или одного, но в разные моменты времени при принятии некоторой заданной критической величины.

Ряд ученых, в основном градостроители (Усанов Б.П., Поздняков А.Л., Бакаева Н.В. и др.), рассматривали город как природно-техническую систему, ставили задачу проектирования городской инфраструктуры с минимально возможным негативным воздействием на окружающую среду и человека на селитебных территориях. Параметризовать природно-техническую систему по условиям эксплуатации транспорта им не удалось.

Из исследований зарубежных авторов следует отметить работы Flachsbart P.G., Chan L.Y., Ishaque М.М., Boogaard H. и других по вопросам измерения, моделирования и управления качеством среды обитания участников дорожного движения.

Анализ проблемы показал, что рассмотренные исследования были направлены на решение проблем оценки и обеспечения экологической безопасности в городской среде без учета функционирования всех составляющих природно-технической системы. Сделаны выводы о необходимости рассмотрения процесса обеспечения экологической безопасности участников дорожного движения на основе совместного моделирования процессов загрязнения и очистки воздушной среды в природно-технической системе. По результатам проведенного анализа указано на необходимость комплексной оценки загрязнения воздуха автотранспортом на УДС с прогнозированием изменений в перспективе и обоснования использования защитных мероприятий для достижения экологически безопасных условий эксплуатации транспортной системы.

Вторая глава посвящена теоретической разработке методики оценки и обеспечения экологической безопасности автотранспорта на улично-дорожной сети крупного города.

Для оценки воздействия (экспозиции) выбрасываемых автотранспортом ЗВ на качество воздушной среды для участников дорожного движения разработан показатель А (доли ПДК х чел. х час):

где сук — качество воздушной среды обитания по г-ому воздействию на участников дорожного движения _/'-ой группы находящихся в к-ой транспортной зоне, доли ПДК; Хцк — количество участников дорожного движения у-ой группы находящихся в А:—ой транспортной зоне и подвергающихся /'—ому воздействию, человек; /¿д - время передвижения участников дорожного движения _/-ой группы в к—ой транспортной зоне с г-ым воздействием, часов; п — количество рассматриваемых компонентов, ед.; [А\дои — допустимый уровень экологической безопасности для участников дорожного движения (по предельно-допустимым концентрациям ЗВ), доли ПДК х чел. х час; т - количество групп УДД, ед.; / - количество выделенных транспортных зон, ед. Под транспортной зоной понимается городская территория передвижения УДД с однородным условиями воздушной среды в пространственно-временном масштабе.

Выполнялся расчет по разработанному алгоритму (рисунок 1). В качестве целевого показателя принималось условие достижения референтных уровней концентраций ЗВ для всех групп УДД. В расчете учитывалось состояние природно-технической системы на базовый расчетный период и перспективу с учетом и без учета изменения использования мер по защите воздушной среды.

Определение значений показателей по рассматриваемому алгоритму проводилось в три этапа:

п т I

(1)

1. Оценка маршрутных характеристик (времени, скорости, расстояния перемещения);

2. Количественное распределение участников дорожного движения по видам транспорта на УДС;

3. Расчет концентраций загрязняющих веществ в воздушной среде для участников дорожного движения.

Рисунок 1 — Алгоритм оценки экологической безопасности транспорта

Определение особенностей маршрутов осуществлялось на основе натурного обследования, анализа статистической информации, анкетирования. Полученные результаты служили основой для оценки структуры передвижений и численность групп УДЦ. Пространственно-временные параметры миграции населения согласовывались с суточным автомобильным трафиком.

По зависимости ( 1 ) рассчитывались значения экспозиций вредного фактора для участников движения в городе. Последние объединялись в группы по сходным условиям среды обитания. Рассмотрены водители, пассажиры индивидуального транспорта (ИТ), общественного транспорта (ОТ) и

пешеходы. Пешеходы включали две подгруппы: население, передвигающееся по улицам (ПУ) и внутри районов (ПР) - маломобильное.

В работе использовался подход, в основе которого лежит процесс формирования качества воздушной среды за счет взаимодействия природных и техногенных составляющих: потока поступления ЗВ в окружающую среду (источники ЗВ), удаление транспортного загрязнения в зоне действия автотранспорта (стоки ЗВ) с учетом условий окружающей среды (внешние факторы). Рассмотрены методы активного воздействия на параметры, определяющие условия очистки (нейтрализации) воздуха - инженерные технологии (фотокатализаторы на основе ТЮ2) и городская растительность.

Кроме того, учитывалось прохождение загрязненного на автомагистрали воздушного потока через очистные сооружения (система стоков). Для этого качество воздушной среды с,- (доли ПДК) для каждой выбранной группы и рассматриваемой территории в зоне влияния УДС оценивалось по формуле:

где Fpi — поток поступления от источника (транспортной системы) /-ого загрязняющего вещества, г/м2 сек*'; Vt — скорость выведения из воздушной среды /-ого загрязняющего вещества с помощью природных и инженерных процессов, м/сек; Л/,- — референтный уровень концентрации г-ого загрязняющего вещества, г/м3.

Параметры выведения загрязнения определялись следующим образом:

K=Ki + Kt + K, + Kl (3)

где, V„j — скорость естественного выведения /-ого загрязняющего вещества с учетом закономерностей распространения легкой примеси, м/сек; Vdi — скорость сухого осаждения г-ого загрязняющего вещества, м/сек; Vwi — скорость вымывания осадками г-ого загрязняющего вещества, м/сек; V„ — скорость выведения /-ого загрязняющего вещества природно-инженерными объектами, м/сек.

Качество воздушной среды для участников дорожного движения оценивалось с использованием Гауссовой модели рассеяния (GFLSM) для городских условий. Из-за отсутствия адекватных методов определения концентраций загрязняющих веществ в кабинах ТС выполнялся расчет качества воздушной среды для групп УДЦ (ИТ) и ( ОТ) с помощью регрессионных моделей, полученных по результатам измерений концентраций загрязняющих веществ на городской УДС. Полученные расчетным путем концентрации ЗВ учитывали стратификацию атмосферы и измеренные фоновые значения концентрации (без учета вклада автомобилей).

Показатели, связанные со скоростью выведения ЗВ из воздуха при помощи фотокатализатора, оценивались по данным измерений в лабораторных экспериментах. Скорость удаления ЗВ из воздуха растениями (Fj, , м/сек) рассчитывалась с использованием методики UFORE (Nowak, Crane).

На основе оценки концентраций ЗВ полученной по экспериментально определенным параметрам рассматривалось множество состояний воздушной

среды при ограничении сверху по предельно допустимым концентрациям: в рабочей зоне ПДКрз, в воздухе населенных мест максимально разовой ПДКжр и среднесуточной ПДКСС..

Улучшение качества воздушной среды на УДС города достигалось за счет регулирования численности транспортных средств (источники ЗВ) и количества деревьев (стоки ЗВ) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Концентрация оксида углерода (Ссо, мг/м3) в зависимости от количества автомобилей (qsú, ед./км2) и деревьев (Pt, ед./км2).

Для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности населения города Екатеринбурга в пределах среднесуточной ПДКСС оксида углерода допустимо одновременное движение по УДС не более 12-12,5 тысяч автомобилей приведенных к легковым на один км2. При краткосрочном воздействии (не выше максимально разовой ПДКмр. оксида углерода) допустимо единовременное движение по улично-дорожной сети не более 2121,5 тысяч автомобилей/км2. Поглощение ЗВ городской растительностью на базовый расчетный период эквивалентно дополнительному присутствию на УДС 0,2-0,4% автомобилей без ухудшения качества воздуха по оксиду углерода.

Об эффективности технических средств защиты воздушной среды можно судить по результатам расчетной оценки изменения концентрации оксида углерода от площади активной поверхности фотокатализатора, скорости и расхода воздуха, которая приведена на рисунке 3.

Для обеспечения надежной защиты воздушной среды УДД в обитаемом помещении подвижного состава от оксида углерода с помощью фотокаталитических покрытий нейтрализатора в системе вентиляции автомобиля при круглосуточной эксплуатации на УДС города необходима минимальная площадь активной поверхности фотокатализатора не менее 0,1 м2 на легковых автомобилях и 0,5 м2 на городских автобусах. Обеспечение

необходимого краткосрочного качества воздушной среды (не выше максимально разовой ПДКмр оксида углерода) в автобусах требуется не менее 0,03 м2 активной площади фотокатализатора в нейтрализаторе.

а Ь

Рисунок 3 - Концентрация оксида углерода (Срр, мг/м3): а - от площади активной поверхности катализатора (5*, м2) и расхода воздуха (£, м3/сек); Ъ - от скорости ветра над поверхностью фотокатализатора (му, м/сек) и протяженности его поверхности (Ьк, м).

Использование фотокаталитических покрытий на ограждающих поверхностях УДС (фасады зданий, тротуары, акустические экраны) должно предусматривать длину пробега загрязненного воздуха не менее 5 метров при средней скорости воздушного потока над поверхностью более 0,1 м/сек.

Обеспечение экологической безопасности транспорта на улично-дорожной сети рассмотрено на примере расчета присутствия всего населения города в однородных условиях воздушной среды (рисунок 4). При этом учитывалось время нахождения УДД в транспортном процессе в течение рабочей смены. Установлено, что при нахождении всего населения города на УДС на протяжении рабочей смены (8 часов) экологическая безопасность УДД составит 10,7 *106 долей ПДК х чел. хчас.

В третьей главе представлены методика и результаты расчетно-экспериментальной оценки влияния характеристик передвижения, использования фотокатализаторов в салонах ТС, на ограждающих поверхностях УДС и городских деревьев на качество воздушной среды для разных групп участников дорожного движения.

Изучение особенностей и закономерностей передвижения населения по городской улично-дорожной сети осуществлялось на основе анкетирования. Достоверность результатов анкетного опроса оценивалась по сопоставлению значений оптимальной скорости пешего перемещения по математической модели (Колесов В.И., 2010 и др.) со значениями, полученными по результатам натурного обследования в городе Екатеринбурге.

« Ъ

Рисунок 5 - Результаты сопоставления расчетных концентраций СО с данными измерений (95% доверительные интервалы): а — класс стабильности атмосферы В (по Паскуилу-Гиффорду), Ъ - класс стабильности атмосферы О.

1.x 8,* 6. гс

А

<4,х

2.x

Рисунок 4 - Экологическая безопасность транспорта А (доли ПДК хчел. х час.) в зависимости от количества участников дорожного движения (X., чел.) и от времени нахождения их в условиях передвижения (¿, час).

Процесс получения достоверных исходных данных для оценки экологической безопасности включал в себя сопоставление расчетных и измеренных концентраций ЗВ. Результаты сопоставления приведены на рисунке 5.

Установлено, что полученные при помощи моделей рассеяния загрязняющих веществ (СА1ЛЫЕ4 и вРЬЗМ) расчетные значения концентраций укладываются в оцененный по результатам измерений 95% доверительный интервал. Данный факт свидетельствует об адекватности использования

указанных моделей для оценки качества воздушной среды участников дорожного движения, передвигающихся по улицам (ПУ) и внутри кварталов (ПР). При этом принималось, что концентрация ЗВ от транспорта по району и в жилых помещениях одинакова.

По парным измерениям концентраций оксида углерода в салонах автобусов (ОТ) и вблизи обочины дороги установлена достоверная статистическая связь концентраций на данных объектах (рисунок 6, а).

Аналогичным образом установлена достоверная статистическая зависимость между качеством воздушной среды для участников дорожного движения, передвигающихся индивидуальным транспортом (ИТ) и концентрацией ЗВ вне автомобиля (рисунок 6, Ъ). Аналогичная зависимость получена и для оксидов азота.

6' I

00 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Коиснч*1»я8б™иД<1Сг% и1

а

Рисунок 6 — Зависимость концентрации СО в общественном К" = 0,876 (а) и индивидуальном транспорте И2 = 0,815 (Ъ) от внешних условий

На основе использования ? — критерия для сравнения двух независимых выборок установлено, что концентрации ЗВ в легковом автомобиле не имеют статистически значимых различий с концентрациями ЗВ в микроавтобусах, что позволило распространять результаты измерений концентраций ЗВ в одном автомобиле на концентрации во всей группе пассажирского транспорта.

Проверка адекватности моделей фотокатализа выполнялась по результатам измерений, приведенных в литературе (М.М. Ва11ап и др., 2013 г.). При этом относительная ошибка отклонения полученных модельных значений от результатов измерений не превысила 20 %.

В четвертой главе на основе комплексного исследования концентраций ЗВ в воздушной среде и оценки экологической безопасности групп участников дорожного движения, обоснованы инженерные (технические и природные) и организационные мероприятия.

Изменение уровня экологической безопасности по каждому загрязняющему веществу для участников дорожного движения передвигающихся по УДС определялось по формуле:

4 3

А =ЕХ(Си -X» + С1 к 'Х2к j=\ к=1

"2к ' Хзк

к СЛк ' Л к

(4)

где ск/ - качество воздушной среды для участников дорожного движения группы ИТ, доли ПДК; Хк, - количество УДД передвигающихся индивидуальным транспортом в зоне к, чел.; — время передвижения УДД на индивидуальном транспорте в зоне к, час.; си - качество воздушной среды для участников дорожного движения группы ОТ, доли ПДК; X,а - количество УДД, передвигающихся общественным транспортом (ОТ) в зоне к, чел.; /у — время передвижения УДД на общественном транспорте в зоне к, час.; сы — качество воздушной среды для участников дорожного движения группы ГТУ, доли ПДК; Хкз ~ количество УДД, передвигающихся пешком по улицам (ПУ) в зоне к, чел.; 4з ~ врет передвижения УДД пешком по улицам в зоне к, час.; ск4 - качество воздушной среды для участников дорожного движения группы ГТР, доли ПДК; Хк4 - количество УДД, передвигающихся пешком по району (ПР) в зоне к, чел.; '/М — время передвижения УДД пешком по району в зоне к, час.

При выполнении комплексного обследования определен и спрогнозирован состав и численность экологической структуры автомобильного парка города Екатеринбурга, в том числе оценено количество единовременно передвигающихся ТС по улично-дорожной сети, вычислен выброс ЗВ в атмосферу. На основе полученных данных выполнены оценки концентраций ЗВ в воздушной среде разных групп участников дорожного движения на перспективу при обновлении парка автомобилей (рисунок 7).

- - -ПДКсс --ПДКмр

.4,

"»«.ШШннш

Расчетный период, год

а

- - -ПДКсс

— -ПДКмр

***

10 15 20

Расчетный период, год

Рисунок 7 - Прогноз изменения концентрации ЗВ в воздухе при обновлении автопарка: а - оксид углерода, Ъ - оксиды азота

Установлено, что обновление парка автомобилей приводит в среднесрочной перспективе (4-10 лет) к достижению концентраций ЗВ ниже максимально разовой ПДКмр по рассматриваемым загрязняющим веществам. По оксидам азота, несмотря на снижение концентрации, среднесуточный уровень загрязнения воздушной среды для групп ОТ и ПУ находится вблизи ПДКСС а для группы ИТ вообще не достигается.

Результаты расчета эффективности использования фотокатализатора при размещении нейтрализатора в системе вентиляции ИТ и ОТ, а также при размещении на ограждающих поверхностях УДС приведены на рисунке 8.

Установлено, что использование фотокатализаторов приведет к достижению концентрации СО в воздухе для всех групп УДД не выше предельно допустимой, только через 17 лет, а для оксидов азота данное мероприятие не позволяет обеспечить допустимой концентрации ЗВ в краткосрочной и среднесрочной перспективе.

7,0

6,0

5,0

S

г- 4,0

1

3,0

§

о

2,0

1,0

0,0

Ни

▲ ПУ • ПР - - - ПДКсс--ПДКмр

н,

Hiiii

Hill

ififH

ff **»

U

♦ ИТ ■ от

А ПУ • ПР - - -ПДКсс--ПДКмр

Расчетный период, год

а

Расчетный период, год

Рисунок 8 - Прогноз изменения концентрации ЗВ в воздухе при использовании фотокатализаторов: а - оксид углерода, Ь - оксиды азота

Оценивалось влияние на концентрацию ЗВ ежегодного прироста фитомассы деревьев, произрастающих вблизи УДС (рисунке 9).

Установлено, что использование деревьев не позволит достигнуть экологической безопасности даже в долгосрочной перспективе, обеспечив снижение загрязнения воздуха только на 2,8-3,5%.

7 8 9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 19 Расчетный период, год

Рисунок 9 - Изменение концентрации оксида углерода в воздухе при использовании растительности

Результаты расчетной оценки концентраций ЗВ при совместном внедрении рассмотренных выше мероприятий (обновление парка автомобилей, степень их

использования на улично-дорожной сети, сток (нейтрализация) ЗВ с помощью деревьев и фотокатализаторов) приведены на рисунке 10.

Установлено, что комплексное использование мер защиты воздушной среды позволит обеспечить необходимое качество воздуха для всех участников дорожного движения через 3-6 лет после внедрения.

♦ ИТ ■ от

4,-

- - ■ ГЩКсс--ПДКмр

1

- -ПДКсс--ПДКмр

--н-------

'А.....«;!'.!.«..

.......

10

Расчетный период, год

а

Расчетный период, год

Ъ

Рисунок 10 - Изменение концентрации ЗВ при совместном использовании мероприятий: а — оксид углерода, Ь - оксиды азота

По результатам оценки концентраций ЗВ рассчитано изменение уровня экологической безопасности для групп участников дорожного движения наиболее подверженных транспортному воздействию (рисунок 11).

А ИТ АПУ -А дои ОТ А УДД

А ОТ " А дои ИТ - АдоиПУ

... '♦♦•ТГ:

♦ А ИТ ■ А ОТ

А АПУ - - -АдопИТ -А доп ОТ--А доп ПУ

• А УДД

♦ •

Расчетный период, год

Расчетный период, год

а Ь

Рисунок 11 - Изменение экологической безопасности УДД

Установлено, что за 3-5 лет после введения рассматриваемых мероприятий удастся обеспечить общую экологическую безопасность (А УДД) достижением допустимых уровней для всех групп. Кроме того, по защищенности воздушной среды для УДД, передвигающихся индивидуальным транспортом через 12-16 лет удастся выйти на безопасные уровни экспозиций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационном исследовании получены следующие основные результаты, совокупность которых свидетельствует о достижении поставленной цели и решении сформулированных задач исследования:

1. Теоретически обоснована методика оценки экологической безопасности участников дорожного движения (водителей, пассажиров, пешеходов):

- Предложен критерий экологической безопасности УДД на УДС, основанный на оценке экспозиции участников дорожного движения в условиях транспортного загрязнения воздушной среды.

- Разработан алгоритм методики обеспечения экологической безопасности УДД на УДС на основе учета потоков поступления и стока автотранспортных загрязнений в окружающей среде при реальных природных условиях.

- Предложена модель оценки качества воздушной среды в крупном городе, основанная на учете потоков загрязнения от уличного транспорта и поглотительного потенциала окружающей среды — восстановительной способности природных объектов (древесных видов растений, осадков) и технических устройств, позволяющая управлять качеством среды в режиме реального времени.

2. Разработана методика расчетно-экспериментального исследования интенсивности выделения и поглощения ЗВ в воздушной среде природными и техническими объектами по характеристикам, определяющим экологическую безопасность участников дорожного движения на УДС крупного города:

- получена статистически значимая зависимость формирования качества воздушной среды в кабине (салоне) общественного и индивидуального транспорта;

- предложен способ определения качества воздушной среды пешеходов с помощью модели рассеивания;

- обосновано использование модели удаления загрязнителей воздушной среды с помощью фотокаталитических очистителей в системе вентиляции автомобиля и нанесения фотокаталитически активных покрытий на ограждающие поверхности улично-дорожной сети;

- обосновано поглощение загрязняющих веществ различными видами растений в зависимости от фитомассы листьев (хвои).

3. Обоснованы мероприятия по повышению экологической безопасности УДД на УДС с использованием природных (древесная растительность) и технических средств.

Установлено, что лесопарковая растительность обеспечивает снижение концентраций в воздухе оксида углерода на 4 - 8%, диоксида азота на 6 - 9%, а придорожная растительность - соответственно на 2,8 - 3,1% и 2,9 - 3,5%.

Совместное внедрение рассмотренных мер защиты обеспечит необходимый уровень экологической безопасности участников движения через 3-5 лет после их внедрения. При этом будет достигнуто повышение экологической безопасности по сравнению существующим уровнем:

- по оксиду углерода на 87,4% и оксидам азота на 88,9% для участников дорожного движения, передвигающихся на индивидуальном транспорте;

- по оксиду углерода на 82,0% и оксидам азота на 78,5% для участников дорожного движения, передвигающихся на общественном транспорте;

- по оксиду углерода на 74,5% и оксидам азота на 75,7% для участников дорожного движения, передвигающихся пешком.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

I. Публикации в изданиях из перечня рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Брюховских, O.A. Ранжирование вклада различных видов автотранспорта в загрязнение воздушной среды города / O.A. Брюховских, B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Специальный выпуск, ELPIT-2005 - Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, Т.2, 2005. С. 228-231.

2. Маркелов, Ю.И. Приведение различных автотранспортных средств к единому расчетному типу для экологической оценки и ранжирования участков улично-дорожной сети / Ю.И. Маркелов, B.C. Ворожнин, O.A. Брюховских,

A.П. Сергеев // Экология урбанизированных территорий М: Изд-во "Камертон", 2009. - №.2. - С. 97-101.

3. Ворожнин, B.C. Оценка загрязнения снегового покрова тяжелыми металлами вблизи автомагистрали/B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов, И.П. Александрычев, В.Б. Давыдов//Безопасность жизнедеятельности, М.: Изд-во "Новые технологии", 2010. - №7. - С. 21-25.

4. Ворожнина, С.С. Влияние автомагистрали на состояние лесных массивов города Екатеринбурга / С.С. Ворожнина, A.B. Суслов,

B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов// Экологические системы и приборы М: Изд-во "Научтехлитиздат", - 2011. - №.4. - С. 13-16.

5. Ворожнина, С.С. Изучение экологической возможности придорожного леса / С.С. Ворожнина, B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов // Экологические системы и приборы М: Изд-во "Научтехлитиздат", - 2011. - №.9. - С. 17-19.

6. Ворожнин, B.C. Актуализация вредного аэрозольного влияния автотранспорта на человека / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов, В.Б. Давыдов, O.A. Брюховских // Безопасность жизнедеятельности, М.: Изд-во "Новые технологии", 2011. - №12. - С. 18-23.

7. Ворожнин, B.C. Изучение автотранспортного воздействия на участников дорожного движения // Известия Самарского научного центра Российской

академии наук, - Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, Т. 13(39), №1(8), 2011.С. 1848-1852.

II. Научные публикации в прочих изданиях:

8. Брюховских, O.A. Натурное изучение интенсивности и состава автотранспортных потоков города Серова для расчета загрязнения атмосферы/O.A. Брюховских, B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов //Урал атомный, Урал промышленный. Тезисы докладов XI Международного экологического симпозиума. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. С. 261-264.

9. Брюховских, O.A. Опыт проведения исследований по оценке влияния автотранспорта на экологическую ситуацию в городах уральского региона на примере г. Салехарда / O.A. Брюховских, B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов // Тезисы докладов международного научно-технической конференции. М: МАДИ-ГТУ, - 2007. - С. 120-122.

10. Ворожнин, B.C. Оценка территориальных выбросов от автомагистралей на примере г.Екатеринбурга/ B.C. Ворожнин, В.Б.Давыдов, Ю.И. Маркелов // Тезисы докладов научно-технической конференции. "4-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе". М: МАДИ-ГТУ, - 2009. - С. 132-133.

11. Ворожнин, B.C. Закономерности распространения компонентов отработавших газов от автомагистрали / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов, В.Б. Давыдов, O.A. Брюховских // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов II международного экологического конгресса ELPIT 2009 (IV международной научно-технической конференции), 24-27 сентября 2009 г., г. Тольятти, Россия. - Тольятти: ТГУ, Т.З., 2009. С. 90-94.

12. Ворожнин, B.C. Оценка дозы вредного загрязняющего вещества, получаемой участниками дорожного движения // Современные вопросы профилактической медицины: сборник научных трудов молодых учёных Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Охрана здоровья населения промышленных регионов: стратегия развития, инновационные подходы и перспективы", 28-30 октября 2009 г., Екатеринбург: под ред. С.В.Кузьмина. - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2009. С. 50-53.

13. Ворожнин, B.C. Воздействие загрязнения атмосферного воздуха на участников дорожного движения/B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов // Экологическая безопасность и современные технологии. Материалы научно-практической конференции. 23-25 декабря 2009 - Миасс.: изд.центр ЮУрГУ, 2009. С. 57-59.

14. Ворожнин, B.C. Изучение влияния загрязнения воздушной среды крупного города на участников дорожного движения / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов // Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов - теория, методы, практика: Доклады IV Международной научно-практической конференции (Нижневартовск, 26-30 октября 2010 г.)/Отв. ред.: А.В.Нехорошева, С.Е. Коркин, E.H. Козелкова,

Г.К. Ходжаева. - Нижневартовск: Нижневарт. гос. гуманит. ун-т, 2010. - С. 221224.

15. Ворожнин, B.C. Исследование загрязнения воздушной среды салона (кабины) легкового автомобиля / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов//Тезисы докладов научно-технической конференции. "5-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе". М: МАДИ, - 2011. - С. 188-189.

16. Ворожнин, B.C. Применение дистанционного мониторинга выбросов автотранспорта / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов, В.Б. Давыдов, В.А.Поддубный // Тезисы докладов научно-технической конференции. "5-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе". М: МАДИ, - 2011. - С. 207-208.

17. Ворожнин, B.C. Проблема качества воздушной среды участников дорожного движения / B.C. Ворожнин, Ю.И. Маркелов//Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы международной научно-технической конференции / под ред. Н.С. Захарова. - Тюмень: ТюмГНГУ, -2011.-С. 29-33.

18. Ворожнин, B.C. Оценка риска при ингаляционном воздействии на население крупных урбанизированных территорий / B.C. Ворожнин, Л.Г. Коньшина, Ю.И. Маркелов//ELPIT 2011. Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов III Международного экологического конгресса (V международной научно-технической конференции), научный симпозиум "Урбоэкология. Технологии нового города", 21-25 сентября 2011 г., Тольятти - Самара, Россия. - Тольятти: ТГУ, Т.5., 2011.-С. 49-53.

19. Ворожнин, B.C. Особенности ингаляционного воздействия выбросов автотранспорта на трудоспособное население крупной урбанизированной территории // Современные вопросы организации медицины труда и управления профессиональными рисками / под ред. д.м.н. В.Б. Гурвича: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Екатеринбург: ФБУН ЕМНЦ ПОЗРПП Роспотребнадзора, 2011. - С. 182-185. ISBN 978-5-93025-052-7.

20. Ворожнин, B.C. Защита воздушной среды крупного города от транспортного воздействия // 6-ые Луканинские чтения. Решение энергоэкологических проблем в автотранспортном комплексе: тезисы докладов международной научно-технической конференции, 29.01.2013 г./МАДИ.-М, -2013.-С. 92-93.

III. Зарегистрированный патент на полезную модель:

21. Заявка пат. 2014114250/11(022295) РФ, МПК В 60Н 1/24 (2006.01). Регулятор качества поступающего воздуха / B.C. Ворожнин, С.Р. Нураев; заявитель и патентообладатель ФГБУН «ИПЭ УрО РАН». - № 2014114250; заявл. 10.04.2014.

Подписано в печать: 07.10.2014 г.

Тираж: 100 экз. Заказ № 1214 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д. 74 (495)790-47-77 www.reglet.ru