Загрязнение биосферы автотранспортным комплексом

В мировом балансе техногенного загрязнения атмосферного воздуха на долю автомобильного транспорта приходится 40 % объема выбросов вредных веществ (в крупных городах эта цифра достигает значения 60-80 %, напри­мер, в Санкт-Петербурге — 71 %, в Москве — 88 %). В странах СНГ относи­тельное участие основных источников в загрязнении атмосферы распределя­ется следующим образом: теплоэлектростанции — 27 %, предприятия черной и цветной металлургии — 24, 3 и 10, 5 соответственно; автотранспорта — 23, нефтехимии — 15, 5; строительных материалов — 8, 1; химии 1, 3 %.

Основные источники образования вредных токсичных выбросов, начи­ная от попадания топлива в топливный бак и заканчивая его превращением в двигателе в механическую энергию, в процентном содержании для разных типов двигателей приведены в табл. 5.22 [31].

Таблица 5.22

Источники образования токсикантов

Первым источником вредных выбросов от автотранспорта являются ис­парения топлива, которое попадает в атмосферу из топливных баков, эле­ментов системы питания двигателей: стыков, шлангов и т.д. Они состоят из углеводородов топлива различного состава (15-20 %). Дизельные двигатели выбрасывают меньшее количество паров топлива из-за его большей вязкос­ти, более высокого давления и более герметичной системы по сравнению с карбюраторными двигателями. Такие источники загрязнения, как испаре­ние и утечка различных других жидкостей, применяемых при эксплуатации автомобиля, также относят к группе Паров ГСМ, а именно — утечка масла, испарение охлаждающей жидкости и т.п.

Картерные газы представляют собой смесь газов, проникающих через неплотности поршневых колец из камеры сгорания в картер, и паров масла, находящихся в картере, а затем подающихся в окружающую среду. У дизе­лей объем картерных газов намного меньше (по сравнению с карбюратор­ным двигателем) за счет процесса образования рабочей смеси.

Загрязняющие вещества делятся на 4 класса опасности (табл. 5.23).

Таблица 5.23 Классы опасности веществ

Выхлопные газы автомобилей (табл. 5.24) представляют собой смесь 200-1200 веществ, многие из которых еще очень мало изучены. К вредным ток­сичным выбросам относятся СО, NO_x, C_xH_y, R_xCHO, SO2, сажа, дым. Про­центное соотношение годовых выбросов загрязняющих компонентов отхо­дящих газов приведено на рис. 5.12.

Оксид углерода (СО) — газ без цвета, без запаха, легче воздуха. Во вре­мя работы дизеля концентрация СО незначительна (0, 1-0, 2 %). У карбюра­торных двигателей при работе на холостом ходу и малых нагрузках содер­жание СО достигает 5-8 %.

Оксиды азота (NOx) — самый токсичный газ из отходящих газов. Азот — инертный газ при нормальных условиях, а при высоких температурах ак­тивно реагирует с кислородом. Поэтому чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура в камере сгорания, и соответственно увеличивается выброс оксидов азота. Так, например, при температуре 2227-2027 °С ско-

Таблица 5.24

Основные компоненты со значениями концентраций в отходящих газах карбюраторного и дизельного ДВС

рость реакции падает в 8 раз, а при увеличении температуры от 2227 до 2427 °С скорость реакции увеличивается в 2, 6 раза [30].

Углеводороды (С_хН_у) имеют неприятный запах. Большое количество углеводородов выбрасывается в режиме холостого хода.

При сжигании 1 кг дизельного топлива получается 80-100 г токсичных компонентов (г): 20- СО; 20-40- NO; 4-10- СН; 10-30- SO; 3-5-сажи; 0, 8-1, 0 — альдегидов.

Карбюраторный двигатель выбрасывает СО приблизительно в 7 раз, а альдегидов примерно в 3 раза больше дизеля, выбросы же остальных ком­понентов этих двигателей почти одинаковы. В то же время дизель выбрасы­вает большее (примерно в 10-15 раз) количество SO2 (рис. 5.13).

С выхлопными газами в атмосферный воздух выделяются также тяже­лые металлы (свинец, цинк, кадмий, хром, марганец и медь). По разным оценкам в воздух ежегодно выбрасывается от 180 до 260 тыс. т свинцовых соединений, что в 60-130 раз превосходит поступление свинца в атмосферу при вулканических извержениях, которые составляют 2-3 тыс. т в год. От­работанные газы (СО, СН, N0, сажа и др.) представляют собой смесь газо­образных продуктов сгорания топлива, избыточного воздуха и различных микропримесей (газообразных, жидких и твердых частиц, поступающих из цилиндров двигателя в его выпускную систему). Оксид углерода и другие газовые выделения тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются у поверхно­сти земли и, соединяясь с гемоглобином крови, негативно влияют на живые организмы.

Так как из-за неполного сгорания в выхлопных газах содержатся неразло-жившиеся углеводороды топлива (гексен, пентен), часть углеводородов пре­вращается в сажу, содержащую смолистые вещества. Сажа представляет со­бой смесь мельчайших частиц углерода, содержащихся в продуктах сгорания, и придает выхлопным газам серую, темно-серую и черную окраску. Повы­шенное содержание сажи — результат несовершенного смесеобразования за счет пониженного наполнения цилиндров. Зачастую энергетические условия в цилиндре дизельного двигателя оказываются недостаточными для того что­бы молекула топлива разрушилась полностью. Более легкие атомы водорода диффундируют в богатый кислородом слой, вступают с ним в реакцию и как бы изолируют углеводородные атомы от контакта с кислородом.

Количества образования сажи зависит от температуры, давления в ка­мере сгорания, типа топлива и соотношения топливо-воздух (рис. 5.14) [31].

Сажа в чистом виде не является токсичным веществом. Токсичность сажи проявляется в ее способности адсорбировать на своей поверхности кан­церогенные и мутагенные вещества, содержащиеся в выхлопных газах. Так, на частицах сажи адсорбируется до 10 % смолистых веществ, часть которых обладает канцерогенными свойствами. В результате затрудняется их рассе­ивание в приземном слое.

При увеличении нагрузки на дизельные двигатели при неизменном ко­личестве воздуха, увеличивается количество топлива, поступающего в ка­меру сгорания. В результате соотношение ^" ^₀ уменьшается. По мере увеличения нагрузки растет температура в камере сгорания, что приводит к увеличению образования СО_х и NO_x. В то же время вследствие увеличения концентрации топлива в рабочей смеси и уменьшения парциального давле­ния кислорода увеличивается выброс С_хН_у и содержание сажи в отходящих газах. Усредненные оценки поведения некоторых первичных и вторичных загрязнителей, связанных с отработанными газами автомобильных двигате­лей, приведены в табл. 5.25.

Таблица 5.25

Поведение токсикантов в атмосфере

Альдегиды и органические кислоты являются активными предшествен­никами фотохимического смога, при образовании которого продукты не­полного сгорания расщепляются под воздействием солнечного света, осво­бождая мелкие частицы углеводорода, адсорбирующие на своей поверхнос­ти другие токсичные соединения бензина и дизельного топлива.

Степень загрязнения атмосферного воздуха в районе автодорог зависит от многих факторов:

• степени загрузки автомагистралей;

• типа автодороги (ее назначения);

• состояния дорожного покрытия;

• условий регулировки движения;

• рельефа местности;

• системы озеленения и характера застройки примагисгральных терри­торий;

• климата;

• загрязненности воздушного бассейна от других источников и фоно­вых концентраций загрязняющих веществ;

• метеорологических условий и синоптических ситуаций, при которых наблюдаются максимальные концентрации загрязняющих веществ, их частота и продолжительность.

Существенное влияние на токсичность отходящих газов оказывают ре­жимы движения автомобиля, которые можно разделить на установившиеся и неустановившиеся. В городских условиях эксплуатации преобладающими являются неустановившиеся режимы, характеризующиеся постоянным из­менением скорости автомобиля. Так, в городе движение автомобиля осуще­ствляется разгонами, замедлениями, работой двигателя на холостом ходу и движением с относительно постоянной скоростью, причем сочетание этих фаз может быть самым разнообразным. В целом же в условиях города про­должительность режимов в балансе времени для условий города примерно такова: холостой ход— 23 %, разгон— 39, постоянная скорость— 12, за­медление — 26 %.

Режим холостого хода характеризуется возрастанием выбросов продук­тов неполного сгорания. Снижение качества смесеобразования и распреде­ления рабочей смеси по цилиндрам, а также возрастание количества оста­точных газов в цилиндрах ДВС ухудшают процесс сгорания топлива. На холостом ходу температура в камере сгорания невелика, поэтому содержа­ние NO_x в отходящих газах на холостом ходу ДВС незначительно. С другой стороны, в этом режиме работы ДВС увеличивается количество углеводородов и угарного газа. Также резко возрастает содержание С_хН_у в период пус­ка ДВС, так как в нескольких первых циклах работы двигателя горения не происходит. Основная доля выброса NO_x приходится на режим разгона (до 85 %), что связано с увеличением температуры в камере сгорания.

Значительную часть времени работы двигателя в условиях города со­ставляют режим замедления или режим принудительного холостого хода. При нагрузочных режимах, следующих за режимом принудительного холо­стого хода, выброс СО примерно на 135 %, а С_хН_у на 250 % больше, чем при установившемся режиме движения с той же скоростью. А в карбюраторном двигателе на режимах разгона и торможения по сравнению с равномерным движением выброс СО увеличивается в 4-5 раз, а бенз(а)пирена — в 5-7 раз. Дизельные двигатели при неустановившихся режимах выделяют мало ток­сичных компонентов отходящих газов, нов период разгона наблюдается увеличение дымности.

Кроме этого режимы движения, а следовательно, загрязнение воздуш­ного бассейна города определяются геометрическими характеристиками улич-но-дорожной сети, типом автомобиля, квалификацией водителя, парамет­рами транспортного потока и качеством регулирования дорожного движе­ния. Так, концентрация токсических веществ на перекрестках в 2, 5-4 раза выше, чем на перегоне. Также большое значение имеет расстояние между регулируемыми пересечениями. Разнородность состава транспортного по­тока (из-за значительных различий тягово-динамических, тормозных, скоростных качеств отдельных транспортных средств) также является при­чиной частого изменения режимов движения (табл. 5.26-5.27).

Таблица 5.26

Продолжительность режимов движения в Москве

Таблица 5.27

Влияние регулирования движения на загрязнение атмосферного

воздуха

Химический состав атмосферы формируется не только за счет антропо­генных и естественных факторов ее загрязнения, но и в результате химичес­ких превращений веществ в воздухе. Попадая в воздух, компоненты отрабо­танных газов, взаимодействуя с другими веществами, могут образовывать новые соединения, зачастую с более высокой токсичностью. Так, например, при переходе NO в NO2 при соединении с кислородом воздуха масса вредно­го вещества возрастает в 1, 5 раза, а токсичность — в 7 раз. Поэтому атмо­сферный воздух следует рассматривать как вторичный реактор дообразова-ния вредных веществ.

Так, во влажной атмосфере происходит окисление и фотоокисление ди­оксида серы, катализируемое металлизированными частицами, а также вза­имодействие оксидов серы с аммиаком с образованием ионов аммония и сульфит- или сульфат-ионов. Диоксид азота под влиянием света разлагает­ся с вьщелением атомарного кислорода, который, соединяясь с кислородом воздуха, образует озон. Попадающий в атмосферу фтористый кремний раз­лагается с образованием фтористого водорода, который затем диссоциирует на ионы фтора и водорода. Таким образом, концентрации примесей в атмо­сфере определяется балансом между их поступлением и их вьщелением из атмосферы. При нарушении баланса изменяется сложившееся содержание веществ в воздухе.

Кроме соединений, поступающих в атмосферу с отходящими газами автомобилей, в воздушную среду поступает огромное количество мелко­дисперсных частиц — (960-2615)-10^б т/год. Содержание пыли в воздухе зависит от времени года, климатических и погодных факторов, наличия или отсутствия растительности и т.д. (табл. 5.28). Пыль образуется в результате износа покрытий, происходящего в результате трения шин автомобилей, естественного выветривания дорожных материалов из-за процесса старения и коррозии вяжущего, а также низкого качества строительных и ремонтных работ. В результате постепенного истирания образуются частицы пылевид­ных и глинистых фракций с размером частиц менее 10 мкм, при шелуше­нии и выкрашивании — до 100 мкм. В первые 2-3 года эксплуатации авто­дороги за счет истирания, а также по мере старения происходит процесс выкрашивания, возрастающий на асфальтобетонных покрытиях до макси­мального после 6-7 лет эксплуатации дороги.

Таблица 5.28

Валовые выбросы пыли из-за износа покрытий проезжей части автомобильных дорог общественного пользования

Время жизни взвешенных веществ в атмосфере зависит от их физико-химических свойств, метеорологических и других факторов. Основные про­цессы удаления аэрозолей из атмосферы: осаждение частиц под действием гравитации, конденсация, вымывание дождем и др.

Покрытия автодорог разделяются по категориям пылеобразующей спо­собности. Выделяют 3 типа покрытий [30]:

• сильнопылящие, с ориентировочным пылевыделением более 60 мг/м³;

• среднепылящие, с пылевыделением 10-60 мг/м³;

• слабопылящие — пылевыделение менее 10 мг/м³.

При отсутствии возможности замера пылевыделения на дороге без пред­варительных ориентировочных расчетов фактическая концентрация пыли при­нимается в соответствии с данными табл. 5.29. Можно проследить зависи­мость выбросов пыли в различных областях России от протяженности дорог со щебеночным и гравийным покрытием (рис. 5.15).

Концентрация пыли в воздухе значительно снижается по мере удаления от автодороги (табл. 5.30).

Таблица 5.29

Фактическая концентрация пыли для разных типов покрытий

Таблица 5.30

Фактическая среднесуточная концентрация пыли в зависимости от расстояния от дороги

5.3.4. Воздействие результатов деятельности автотранспорта на организм человека

Высокие уровни загрязнения атмосферы выбросами автотранспорта ока­зывают сильное отрицательное влияние на здоровье населения. Так, в Мос­кве более 95 % взрослого населения, проживающего в районах прохождения крупных автомагистралей, страдают от раздражения слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей. Большую опасность для населения представ­ляют выбросы автотранспортом канцерогенных веществ: бензола, формаль­дегида и бенз(а)пирена. Загрязнение воздуха этими веществами (наряду с оксидами азота, свинцом и оксидом углерода) создает зоны повышенного риска потери здоровья, в которых проживает около 15 млн чел.

Первичное воздействие аэротехногенных загрязнителей испытывают ра­стительные организмы, а затем по пищевой цепи многие из них через жи­вотных оказывают неблагоприятное воздействие на человека. На рис. 5.16 показана схема поступления токсикантов в организм человека посредством поглощения их растениями.

Рис. 5.16. Пути поступления токсикантов в организм человека через пищевую цепь

Все газообразные соединения автотранспортных выхлопов токсичны для кроветворной и дыхательной систем и общего обмена веществ человека. В частности, оксид углерода, начиная с концентрации 0, 01 %, вызывает тяже­лые токсикозы нервной системы, нарушает углеводный и фосфорный обме­ны, а вследствие сродства углекислого газа к гемоглобину крови повышает­ся опасность сердечно-сосудистых заболеваний. Окись углерода вызывает торможение активных центров органов человека, образование гемоглобина

крови, приводящее к нарушению окислительных процессов в организме, что может привести к смерти (рис. 5.17). Хроническое отравление небольшими дозами СО происходит при объемной концентрации около 0, 01 %. Оно вы­зывает головные боли, шум в ушах, затруднение дыхания, общую депрес­сию, уменьшение работоспособности, ослабление внимания и замедленную реакцию. Около 95 % угарного газа, вдыхаемого пешеходами, — отработан­ные газы автотранспортных средств.

Оксиды азота в концентрации 0, 001-0, 002 % более опасны для челове­ка, нежели оксид углерода, поскольку оксид азота гораздо легче соединяет­ся с гемоглобином крови, чем кислород, образуя метгемоглобины. Оксид азота раздражает слизистую оболочку глаза, легких, изменяет необратимые изменения в сердечно-сосудистой системе, вызывает патологическое состо­яние беспокойства. Оксиды азота в соединении с углеводородами образуют токсичные нитроолефины.

Бенз(а)пирен — один из наиболее опасных компонентов отходящих га­зов, обладает канцерогенными свойствами. Некоторые ароматические угле­водороды обладают сильными отравляющими свойствами, как, например, бензол. Они воздействуют на процесс кроветворения, центральную нервную систему и мышечную систему. Углеводороды алифатического типа менее токсичны, но оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему. Углеводороды провоцируют рак кожи, легких и желудка, они мо­гут способствовать развитию бронхиальной астмы у детей.

Оксиды серы оказывают раздражающее воздействие на кроветворные органы — костный мозг и селезенку, а также нарушают обмен углеводов. Хроническое отравление малыми дозами оксида серы вызывает головные

боли, бессонницу, раздражение слизистой оболочки, хронический бронхит и конъюнктивит. Сернистые соединения в концентрациях выше 0, 13 мг/м³ вызывают многочисленные детские ОРЗ.

Свинец — наиболее токсичный из тяжелых металлов, содержащихся в отходящих газах автомобилей. Он оказывает отрицательное воздействие на центральную нервную систему, кроветворную и репродуктивную системы организма. В результате интоксикации свинец уменьшает количество эрит­роцитов в крови, повышается утомляемость и раздражительность, возника­ют головные боли, увеличивается кровяное давление, происходит наруше­ние обмена веществ. Частицы свинца размером менее 1 мк легко проникают в легкие, более крупные задерживаются в носоглотке и гортани. В целом в легких оседает около 50 % свинцовых частиц, вдыхаемых человеком.

На организм человека автомобильный транспорт воздействует через ат­мосферу, путем шумового и вибрационного воздействия, через животных, растения и воду, которые человек потребляет в пищу. Кроме того, в резуль­тате дорожно-транспортных происшествий, ежегодно в мире гибнет около 250 тыс. человек, а травмы получает около 7 млн человек.

Акустический дискомфорт, создаваемый транспортом, испытывает до 40 % городского населения. Шум воздействует на центральную нервную систему, приводя к ее расстройству, хроническому переутомлению, гипер­тонии и язвенной болезни, гастриту в результате нарушения секреторной и моторной функции желудка, а также приводит к преждевременному старе­нию и сокращению продолжительности жизни жителей крупных городов на 8-12 лет. Уровни шума от городских (преимущественно транспортных) ис­точников, проникающие в помещения жилых и общественных зданий, час­то превышают на 20-30 децибел действующие нормы, что означает превы­шение потока проникающей звуковой энергии в 100-1000 раз выше норма­тивного.

Источником шума являются двигатели автомобилей и взаимодействие шин с дорожным покрытием, которое зависит от шероховатости покрытия, нагрузки на колесо, износа протектора, скорости движения и характеристик самой шины на контакте с покрытием, рисунка протектора, качества резины и технологических процессов при ее изготовлении. Кроме того, уровень шума также зависит от характера груза и характер его закрепления в кузове. Раз­ность уровня шума порожнего и груженого автомобиля для легкового авто­мобиля составляет 2-3 дБ А, для грузового — 8-9 дБ А.

К настоящему времени установлена взаимосвязь различных факторов и их влияние на общий уровень транспортного шума и разработана системати­зация всех факторов по четырем группам:

1) транспортные факторы, создающие уровень шума;

2) дорожные факторы, определяющие уровень шума;

3) природно-климатические факторы, влияющие на уровень шума; 4). защитные факторы, снижающие уровень шума.

Наибольшее влияние на состояние акустического комфорта оказывают транспортные факторы:

• интенсивность движения и скорость транспортного потока;

• средняя скорость движения автомобилей;

• эксплутационное состояние автомобилей, двигающихся по дороге;

• объем и характер перевозимых грузов;

• подача звуковых сигналов.

В табл. 5.31 представлены значения уровня шума в зависимости от ско­рости движения для транспортных потоков разной интенсивности.

Таблица 5.31

Уровень шума в зависимости от скорости движения для потоков различной интенсивности

Факторы, определяющие уровень шума на прилегающей территории (до­рожные факторы):

• продольный профиль дороги;

• поперечный профиль земляного полотна;

• наличие и размеры разделительной полосы;

• наличие пересечения на одном или нескольких уровнях;

• вид и состояние покрытия, его шероховатость.

Так, например, при движении под уклон автомобиль создает большие шумы.

При изменении характера движения, например на перекрестке с регули­руемым движением, уровень шума повышается на 3 дБа. Для различных видов покрытий разница уровня шума может до 10 дБа. В последнее время за рубежом получило распространение покрытие из шумопоглощающего ас­фальтобетона («шепот-асфальт» по типу дренирующего асфальтобетона), которое обеспечивает снижение шума на 4, 1-5, 6 дБа. Для обеспечения безо­пасного движения автомобилей с высокой скоростью применяют способ уве­личения шероховатости с помощью поверхностной обработки щебнем труд­но полируемых пород, что приводит к увеличению внешнего шума. Опти­мальная шероховатость, которая обеспечивает безопасное движение на рас­четную скорость с минимальным уровнем шума без повышения износа шин, — 0, 8-1, 2 мм.

Природные и климатические факторы, которые влияют на уровень шума: атмосферное давление, влажность, температура, направление и сила ветра, осадки, окружающий ландшафт, состояние поверхности придорожной по­лосы.

К защитным от шумового воздействия автотранспорта факторам отно­сятся шумопонижающие технические мероприятия, шумозащитные экра­ны, лесополосы и мероприятия шумозащитного зонирования. Шумозащит­ные экраны представляют собой препятствие между источником шума и за­щищаемой зоной, которые не допускают прямолинейного распространения звука. Материал, используемый для шумозащтных экранов, — железобе­тон, бутовый камень, дерево, кирпич, габионные кладки, прозрачный плас­тик, шумопоглошающие пластмассы, алюминий и черные металлы; погло­щающие материалы — пористые заполнители (вермикулит, перлит), мине­ральное стеклововолокно, стекловата и стеклоткань, геотекстиль. Приемы шумозащитного зонирования используются при условии, что уровень транс­портного шума не превышает 70 дБа.

Лесопосадки предназначены для рассеивания, поглощения и экраниро­вания звуковой волны. Эффективность лесополосы повышается до 25 м, далее она снижается и уменьшение уровня шума происходит за счет увеличения расстояния. Оптимальной считается ширина лесополосы 10-25 м. Породы деревьев, которые наилучшим образом подходят для таких лесопо­садок: хвойные породы — ель, пихта, туя; лиственные породы — липа, граб, шелковица, ильмовые с подлеском из бирючины, гордовины, спиреи, дере­вья должны располагаться в шахматном порядке, высота деревьев должна быть не менее 7-8 м, кустарники — 1, 5-2 м. Снижение уровня шума в пре­делах создаваемой ими звуковой тени происходит на 5-6 дБа.