Экология/ 2. Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон

К.т.н. Лисьев В.Н.

Харьковский национальный автомобильно–дорожный университет, Украина

Мониторинг загрязнения городов выбросами автотранспорта

Оценка загрязненности окружающей среды требует комплексного учета многих факторов, влияющих на ее качество. Основными источниками химического загрязнения атмосферы на уровне городов является автомобильный транспорт и многочисленные источники неорганизованных выбросов, таких как частный сектор. Автомобиль - этот "символ" XX в. в индустриальных странах, все чаще становится настоящим бедствием. Десятки миллионов личных и корпоративных автомашин заполнили улицы городов и автострады, то и дело возникают многокилометровые "пробки", без толку сжигается дорогостоящее горючее, воздух отравляется ядовитыми отработанными газами (ОГ). Общий мировой парк автомобилей уже насчитывает почти 1,5 млрд. единиц, из которых (83–85) % составляют легковые автомобили, а (15–17) % - грузовые и автобусы. Проблема урбанизации и связанное с ней качество окружающей среды могут быть правильно поняты только как система "человек – общество– автомобиль – окружающая среда". Одной из важнейших задач изучения этой системы следует считать рассмотрение непрерывного и все углубляющегося процесса урбанизации и возрастающего воздействия общества и его продукта – автомобиля на природную среду. Города в настоящее время занимают всего 0,3 % площади земного шара, но в них сконцентрировано более 40% населения планеты. По данным ООН к 2050 г. в городах будет проживать до 70 % всего населения Земли. Общий вклад автомобильного транспорта в загрязненность атмосферы городов оценивается в пределах (40 – 60) %, а в неблагоприятных метеоусловиях – до 100 %. Помимо этого, автотранспорт вносит основной вклад в шумовую обстановку города и в загрязнение почвы такими веществами как свинец. Так в 1 л бензина может содержаться около 1 г тетраэтилсвинца, который разрушается и выбрасывается в виде соединений свинца. Только один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы, в среднем, больше 4 т кислорода, выбрасывая с ОГ, примерно, 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов, а также не сгоревшие или не полностью сгоревшие компоненты топлива, доля которых резко возрастает, если двигатель работает на малых оборотах или в момент увеличения скорости. В ОГ двигателя, работающего в нормальном режиме, содержится, в среднем, 2,7% оксида углерода. При снижении скорости эта доля увеличивается до 3,9%, а на малом ходу – до 6,9%. Монооксид углерода, углекислый газ, и большинство других ОГ двигателей – тяжелее воздуха, поэтому все они скапливаются у земли. Автотранспорт - весьма специфичный источник загрязнения. Во первых, это низкий источник загрязнения. Во вторых, это пространственный, комплексный, неорганизованный источник многокомпонентных загрязняющих веществ (ЗВ) и многопараметрических воздействий. В третьих, зона загрязнения от автотранспорта обычно сосредоточена в узкой полосе - "ленте", ограниченной, в городах, зданиями различной этажности, скверами и др. архитектурными объектами. В четвертых, этот источник ЗВ максимально приближен к школам, больницам, городским зонам реакриации, т.е. ко всем жителям города в любое время суток и в течение всей жизни людей. В пятых, это турбулентный источник, движение газов которого зависит как от климатических, так и от архитектурных особенностей района рассеивания. Расчет загрязнения от автотранспорта или пространственное моделирование рассеивания ЗВ в городских условиях осложняется сильной неконсервативностью составляющих ЗВ в смоговых условиях, в частности, оксидов азота и углеводородов, участвующих в смоговом фотохимическом цикле. Оценка влияния автотранспорта на экологическую обстановку конкретного города и эффективное управление процессами урбанизации в современных условиях массовой автомобилизации связано с учетом следующих требований: а) принятию ответственных решений должно предшествовать теоретическое осмысление проблемы, научный прогноз рассеивания ЗВ, раскрывающий возможные альтернативы в развитии городской среды; б) развитие населенных мест следует рассматривать в единстве с экономическим и социальным развитием общества, обеспечиваемое развитием транспортной инфраструктуры города; в) "комплексность" экологических оценок и прогноз загрязненности городских кварталов должны стать одним из наиболее важных вопросов, решаемых в настоящее время. Исключительная сложность экологических проблем городов требует системного подхода к их решению, при этом сам объект (город, групповое расположение населенных мест) должен рассматриваться как сложная биосоциальная система, включающая три подсистемы – социальную, экономическую, транспортную и экологическую, из которых экологическая подсистема – системообразующая по отношению к другим.

Важнейшими градостроительными мероприятиями по снижению неблагоприятного воздействия на население ОГ автомобилей являются: Во первых – это определение допустимых размеров городов, поскольку в больших городах издержки процесса автомобилизации особенно велики. Исследования показали, что поскольку в Украине около 98 автомобилей на 1000 человек (65-е место в мире по количеству автомобилей на душу населения), то в малых и средних городах (с численностью населения, не превышающей 100 тыс. человек) рассеивание ЗВ автомобильного транспорта в пространстве городов до уровня, не превышающего санитарные нормы, обеспечивается естественной вентиляцией уличного пространства и низкой интенсивностью движения автомобилей. И, следовательно, в 414 или 90,19 % городов Украины (в стране всего 459 городов) нет проблемы загрязнения атмосферы ОГ автомобилями. Это же касается и всех 885 поселков городского типа и 28450 сельских населённых пунктов Украины.

Но, в 42 городах Украины и, особенно, в трех городах с населением более 1 миллиона (Киев – 2,85; Харьков – 1,45; Одесса – 1,02 млн.) проблема загрязнения атмосферы ОГ автомобилей требует специального рассмотрения.

Моделирование процессов рассеивания ОГ автомобилей в пространстве, образованном улицей и окружающими ее элементами городской застройки, при ветре, направленном перпендикулярно улице, позволило выявить несколько типовых ситуаций:

– Для улицы с домами одинаковой этажности по ее сторонам.

В "уличном колодце" образуется турбулентный поток, перпендикулярный оси улицы. Вращение потока направлено по ветру – до стены здания на противоположной стороне улицы; затем – вниз, до уровня асфальта; затем к подветренной стене и далее вверх, до верхнего уровня подветренного здания. Далее процесс – повторяется. Вращающимся атмосферным потоком захватываются ОГ автомобилей, которые как правило тяжелее воздуха, создавая "газо–воздушную" смесь (ГВС), и направляются к подветренной стороне улицы, создавая там повышенную концентрацию ОГ, почти не позволяя смеси "воздух–ОГ" покидать турбулентную зону (рассеивается не более 1%) "уличного колодца". По причине интенсивного движения автотранспорта и непрерывного процесса вращения ГВС происходит накопление ОГ, максимальная концентрация которых достигается у подветренной стороны "уличного колодца". Исследования показали, что разница в концентрации ОГ внизу, уровень асфальта, и у верхнего уровня подветренного здания составляет не более 1,5 %. Пути понижения концентрации ОГ в этих условиях: 1) Нормирование интенсивности движения автотранспорта с ДВС. 2) Увеличение доли общественного транспорта "троллейбусного" типа, в том числе и для перевозки грузов. 3) Применение уличной "вытяжной" вентиляции для понижения максимальных значений концентрации ОГ.

– Для улицы с домами не одинаковой этажности с обеих ее сторон.

При рассмотрении случая, когда подветренное сооружение ниже наветренного процесс турбулентности аналогичен выше рассмотренному случаю. Различие – концентрация ОГ у верхнего уровня подветренного здания отличается от концентрации ОГ у этого здания на уровне асфальта на (15–20) % по причине большего рассеивания ГВС. Способы снижения загазованности такие же как в первом случае.

– Для улицы с деревьями по центру улицы.

При движении турбулентного потока ГВС, аналогичного рассмотренному выше, поток при своем движении к подветренному сооружению на середине улицы встречает препятствие в виде деревьев. Деревья по отношению к потоку является "решетчатым" препятствием, которое пропускает поток, но снижает его скорость. Снижение скорости потока на уровне асфальта приводит к накоплению ОГ в этой зоне в несколько раз большему, чем в случае когда деревьев по центру улицы нет. Таким образом, деревья по центру улицы способствуют накоплению ЗВ в "уличном колодце" и, следовательно, с экологической точки зрения являются опасным элементом градостроительного ландшафта и, следовательно, их применение – недопустимо!

– Для улицы с деревьями в тротуарной зоне.

Если в случае, когда деревья по центру улицы "уличный колодец" разбивался решетчатым препятствием на две зоны, то в данном случае – делится на три зоны. Это приводит к еще большему накоплению ОГ в пространстве "уличного колодца" за счет еще большего торможения потока ГВС на уровне асфальта. Максимльная концентрация ОГ достигается над тротуарной зоной. Поэтому применение деревьев в градостроительной практике должно быть запрещено!

Выводы.

На урбанизированных территориях с численностью населения свыше 100 тыс. человек необходимо:1) Нормирование интенсивности движения автотранспорта с ДВС. 2) Увеличение доли общественного транспорта "троллейбусного" типа, в том числе и для перевозки грузов. 3) Применение уличной "вытяжной" вентиляции для понижения максимальных значений концентрации ОГ. 4) Применение деревьев в градостроительной практике для "озеленения" улиц должно быть запрещено!