Экология/ 6. Экологический мониторинг

 

К.т.н. Лисьев В.Н.

 

Харьковский национальный автомобильно–дорожный университет, Украина

 

Мониторинг загрязнения отработанными газами

 

При экологической оценке автомобильно-дорожного комплек­са первоочередное внимание обоснованно уделяют воздействиям, возникающим при движении транспортных средств. Обычно их называют транспортным загрязнением, включая в это понятие не только выбросы загрязняющих веществ, но и физические воздей­ствия разного рода. В отличие от изменений параметров среды, вызванных строительством или ремонтом путей движения, транс­портные загрязнения вызывают снижение качества среды обита­ния человека в основном в период их действия. Объектами воздей­ствий транспортных средств являются практически все компонен­ты окружающей среды, но все-таки основным критерием опасно­сти считают ущерб здоровью людей.

К транспортным загрязнениям относят три типа воздействий – параметрические, связанные с непроизводительными потерями энер­гии; механические, в которые входят прямые силовые действия на элементы среды (в том числе дорожно-транспортные происшествия), и ингредиентные, включающие собственно материальные выбросы. Существенное значение имеют силовые, в основном гравиметри­ческие воздействия, поскольку они проявляются в разрушении до­рожных конструкций, изменении естественных силовых полей в гео­логических образованиях, а также при непосредственных контактах транспортных средств с другими объектами. В последнем случае ре­зультаты появляются на самих транспортных средствах и участниках движения. Автомобильный парк СНГ потребляет ежегодно около 70 млн. т углеводородного топлива (не считая газа). Расходуется более 200 млн. т атмосферного кислорода (воспроизводится его в биосфере стран СНГ в 12 раз больше). Взамен в атмосферу выбра­сывается 27 млн. т окиси углерода, 2,5 млн. т углеводородов, до 9 млн. т окислов азота, 190 тыс. т соединений серы, до 100 тыс. т сажи, 13 тыс. т свинца и других тяжелых металлов, а также 200-230 млн. т углекислого газа и до 3,1*1012 МДж теплоты. Общее количество контролируемых вредных выбросов в пересчете на СО составляет 300-400 млн. т в год. Оценить наши неиспользованные возможности и перспекти­вы развития можно сравнением, например, с США. Так, при числен­ности автомобилей и протяженности дорог примерно на порядок большей, выбросы за год у них составляют: окиси углерода - 62 млн. т; углеводородов - 6,4 млн. т; окислов азота - 6,6 млн. т; соединений серы - 400 тыс. т, причем эти количества постоянно уменьшаются.

Нельзя не учитывать агрессивного воздействия автомобиль­ных выбросов на строительные материалы и сооружения. Еще недавно эта проблема рассматривалась лишь применительно к сохранности памятников архитектуры. Комплекс сложнейших и очень дорогих мероприятий был выполнен в Риме, в Афинах для спасения античных памятников. Аналогичные задачи возникают и в других странах. С увеличением интенсивности движения воз­растает опасность коррозии не только природных известняков, но и бетонных и металлических элементов дорожного комплекса. Задача затрудняется сложностью и малой изученностью агрессивных процессов. Хотя количество, разрушающих строительные материалы, компонентов в отрабо­тавших газах относительно невелико, отмечены случаи очень бы­строго старения бетона в мостах и ограждающих конструкциях, которые трудно объяснить только прямым воздействием серни­стого газа или веществ, входящих в состав противогололедных солей. Очевидно, настало время изучать комплексные физико-химические воздействия с учетом климатических процессов, ката­литического воздействия соединений азота, других веществ, про­являющих агрессию даже в малом количестве.

В настоящее время в мировой практике не нормируются и не контролируются автомобильные выбросы углекислого газа - по при­чине его нетоксичности и сернистого газа - вследствие относительно незначительного его количества в транспортных выбросах в сравне­нии с выбросами тепловых энергоустановок, металлургических и хи­мических предприятий. Низкомолекулярные углеводороды не относят к высокоток­сичным. Однако альдегиды, молекулы которых содержат кисло­род, действуют на слизистую оболочку органов дыхания и при высоких концентрациях воздействуют на центральную нервную систему, снижают чувство осторожности у водителя. Следует за­метить, что в выбросах грузовых автомобилях и автобусов содержание углеводородов, как правило, в 2-3 раза превышает санитарные нормы. Не в этом ли причина некоторых ДТП, не подпадающих под типовую классификацию?

Загрязнение воздуха ухудшает качество среды обитания всего населения придорожных территорий. Однако, распространение отработавших газов имеет кратковременный характер и с уменьшением или прекращением движения – снижается. Все виды загрязнений воздуха через срав­нительно короткое время переходят в более безопасные формы.

Загрязнение поверхности земли транспортными и дорожны­ми выбросами накапливается постепенно, в зависимости от числа интенсивности движения транспортных средств, и сохраняется очень долго, даже после ликвидации дороги. Накапливающиеся в почве химические элементы, особенно металлы, охотно усваиваются растениями и через них, по пищевой цепи, переходят в организм животных и человека. Часть их рас­творяется и выносится стоковыми водами, попадает затем в реки, водоемы и уже через питьевую воду также может оказаться в ор­ганизме человека. Действующие нормативные документы требуют пока сбора и очистки стоков только в городах и водоохранных зонах. Учет транспортного загрязнения почвы и водоемов на тер­ритории прилегающей к дороге, необходим при проектировании дорог 1 и 2 экологического класса для оценки состава загрязнения почвы сельско-хозяйственных и селитебных земель, а также для проектирования очистки дорожных стоков. Исследований загрязнений почвы до сих пор выполнено не­много: процесс выброса и распределения загрязняющих частиц на поверхности почти также сложен как и в воздухе, а натурные из­мерения с использованием методов микроанализа не всем доступ­ны и дороги.

Наиболее распространенным и токсичным транспортным за­грязнителем считается свинец. Время нахождения мелких частиц свинца в атмосфере составляет от одной до четырех недель. Свинец относится к распространенным элементам: его среднемировой кларк (фоновое содержание) в поч­ве считается равным 10 мг/кг. Примерно такого же уровня достигает содержание свинца в растениях (на сухую массу). Обще санитарный показатель ПДК свинца в почве с учетом фона - 32 мг/кг. По некоторым данным содержание свинца на поверхности почвы на краю полосы отвода обычно составляет до 1000 мг/кг, но в пыли городских улиц с очень большим движением может быть в 5 раз больше.

Большинство растений легко переносят по­вышенное содержание в почве тяжелых металлов. И только при со­держании свинца более 3000 мг/кг возникает заметное угнетение. Причины летнего листопада – высокое содержание свинца в воздухе. Но, концентрируя свинец, деревья тем самым очищают воздух. В течении вегетативного периода одно дерево обезвреживает соединения свинца, содержащиеся в 130 л. бензина. Наименее восприимчивым к свинцу является клен, а наиболее восприимчивы орешник и ель. Сторона деревьев, обращенная к автомобильным магистралям, на 30-60 % “металличнее”. Хвоя ели и сосны обладает свойствами хорошего фильтра по отношению к свинцу. Она его накапливает и не обменивает с окружающей средой. Накопление свинца ведут интенсивно грибы, мхи и лишайники и доводят его концентрацию до 64,76 частей на миллион соответственно. А вот более знакомые нам овес и клевер уже при концентрации свинца 50 частей на миллион начинают замедлять рост и урожайность снижается. Отмечено интересная особенность растений в различных своих частях накапливать различное количество свинца. Например, салат и сельдерей в листьях накапливают значительно больше свинца, чем в корнях, а морковь и одуванчик – наоборот. Отмечено активное накопление свинца в капусте и корнеплодах, причем именно в тех, которые повсеместно употребляются в пищу; например, отмечают большое содержание свинца в картофеле. Выявили интересную особенность репчатого лука. Оказалось, что на фоновых участках он содержит свинца всего 0,07 частей на 1 млн. частей сухого вещества. На придорожных участках его концентрация гораздо меньше, но степень возрастания этой концентрации десятикратная. Зеленый лук оказался самым устойчивым к накоплению свинца из всех изученных растений; содержание свинца в нем не превышало 4 частей на 1 млн. Но, пожалуй, рекордсменом среди растений по стойкости к соединениям свинца являются дрожжи. Биологи утверждают, что дрожжи могут поглощать огромные количества свинца в виде уксуснокислой соли – до 15 тысяч частей на миллион частей веса дрожжей – без всякого угнетения обмена веществ. В ничтожном количестве свинец необходим живым организмам. Растительность суши вовлекает в биологический круговорот ежедневно 70-80 тыс. т свинца. Содержание его в растениях обычно не значительные: примерно 1-2 тысячных долей % от веса золы. Верхний порог концентраций свинца для растений пока не установлен. Наилучшим индикатором загрязнения придорожной полосы являются эпифитные лишайники - концентрация металлов в них в 2-4 раза выше и более однородная, чем в травах.

Изучение влияния транспортного загрязнения свинцом на энтофауну не выявило заметных аномалий в плотности обитания или составе насекомых. Видимо, они способны полностью адаптироваться к загрязнениям, которые возникают в придорожном пространстве при интенсивности движения до 1-2 тысяч автомобилей в сутки. Для животных опасность вызывает уже 150 мг/кг свинца в пище. Установлено, что жители большого города имеют сегодня содер­жание свинца в костях в 100-500 раз больше, чем 100 лет назад. Американцы подсчитали, что 25% заболеваний горожан связано с транспортом. Причем, среди этих недугов есть такие, транспортное происхождение которых нельзя было даже предположить, например, врожденные уродства. В Великобритании от автомобильного загрязнения ежегодно умирают раньше срока 11 тыс. человек.

В США в конце 70-х годов были опубликованы данные иссле­дований, свидетельствующие, что в каждом погонном метре защит­ной полосы шириной 100 м дороги с интенсивностью движения 90 тыс. авт/сут за 10 лет эксплуатации аккумулировалось до 3 кг свинца. Это послужило действенным аргументом в пользу ограничения при­менения свинцовых добавок. По данным, полученным в Голландии, при общем фоновом содержании свинца в траве 5 мг/кг сухого веса, на обочинах его оказалось в 40 раз, а на разделительной полосе - в 100 раз больше. Эти данные дали основание запретить, использова­ние для фуража травы в полосе 150 м от автомагистралей. Согласно, выполненных латвийскими учеными, замеров кон­центрация металлов в почве на глубине 5-10 см вдвое меньше, чем в поверхностном слое, толщиною до 5 см. Установлено, что в слое глубиной до 5 см свинец накапливается более интенсивно, чем медь, молибден, железо, никель и хром. И это печально, поскольку из всего этого ряда свинец – самый ядовитый. Наибольшее количество отложений обнаружено на расстоянии 7-15 м от края проезжей части дороги. Уста­новлено, что через 25 м концентрация снижается примерно вдвое и через 100 м приближается к фоновой концентрации. Учитывая, однако, что до половины свинцовых частиц не выпадает сразу на землю, а разно­сится с аэрозолями, выбросы свинца, хоть и в меньшей концен­трации, могут откладываться на больших расстояниях от дороги. Загрязнение тяжелыми металлами травяного покрова выяв­лено в полосе до 100 м в каждую сторону. Максимум получен в 10 м от проезжей части, а на расстоянии в 50 м концентрация снижается в 1,6 - 4 раза. Исследование перед покосом злаковых трав показало снижение концентрации на расстоянии 25 м: свинца - в 3,3 раза, цинка - в 2 раза кадмия - в 1,5 раза, меди - в 1,8 раз. Тяжелые металлы и дру­гие вещества, которые не поддаются биологическому разложению, накапливаются в придонных отложениях. Например, концентрация свинца, об­разующего нитрат, в придорожных водоемах обычно многократно превышает значение ПДК, равное 0,03 мг/л. Правда, благодаря от­носительной связности солей, тяжелые металлы практически не попа­дают в подземные воды, но сам водоем становится непригодным не только для водоснабжения, но и для купания. По данным ряда наблюдений из общего количества выбросов твердых частиц, включая металлы, примерно 25 % остается до смыва на проезжей части, 75 % распределяется на поверхности прилегающей территории, включая обочины. В зависимости от конструктивного профиля и площади покрытия в сточные дожде­вые или смывные воды попадает от 25 % до 50 % твердых частиц.

Реальное распределение загрязнений, в основном, подтверждает возможность применения упрощенных способов расчета, основанных на статистической обработке натурных за­меров, но из-за не учета многих влияющих факторов, объективная точность таких расчетов невелика. Контроль за отложениями выбросов других металлов, вследствие их не токсичности (железо, медь) или малого содержания, нормативными документами не установлен.