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.