Саратовский государственный университет им. Н.Г.Чернышевского (г.Саратов)

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Проблемы и перспективы современной науки" с материалами Четвертой Международной Телеконференции "Фундаментальные науки и практика" - Том 3 - №1. - Томск - 2011.

Одним из главных источников антропогенного загрязнения в городах является автотранспорт. Основная часть загрязнителей поступает от автомобилей в виде отработавших газов (99% всех выбросов), картерных газов, испарений углеводородов топлива из бака, карбюратора и трубопроводов. Отработавшие газы автомобилей поступают в приземный слой атмосферы и содержат оксид углерода, оксиды азота, различные углеводороды, альдегиды, диоксид серы. На придорожные территории попадают продукты износа шин (цинк, кадмий, медь, свинец), тормозных накладок (медь, свинец, хром, никель, цинк) и материалов дорожных покрытий (кадмий, свинец). Помимо этого, транспорт представляет собой одну из важнейших причин шумового воздействия на окружающую среду [К.С.Дзюба, В.В.Никулин, 2001].
Специфика загрязнения окружающей среды  при работе автомобилей проявляется в высоких темпах роста численности автомобилей по сравнению с ростом количества стационарных источников; в их пространственной рассредоточенности, что создает общий повышенный фон загрязнения; в непосредственной близости к жилым районам; в более высокой токсичности выбросов автотранспорта по сравнению с выбросами стационарных источников; в сложности технической реализации средств защиты от загрязнений на подвижных источниках; в низком расположении источника загрязнения от земной поверхности, в результате чего отработавшие газы автомобилей скапливаются в зоне дыхания людей. Перечисленные особенности подвижных источников приводят к тому, что автотранспорт создает в городах обширные зоны с устойчивым превышением санитарно - гигиенических нормативов загрязнения воздуха [В.Н.Денисов, В.А.Рогалев, 2003].
Согласно Докладу о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2009 году, вклад автотранспорта (с учетом индивидуального) в суммарный выброс по г.Саратову составляет 86%, в том числе по диоксиду серы – 39,19%, оксидам азота – 96,5%, оксиду углерода – 96,5%, летучим органическим соединениям – 62,3%, по саже – 89,2%. Общее количество выбросов от автотранспорта в 2009 году составило  115,9 тыс. тонн. По данным Управления ГИБДД ГУВД по Саратовской области по состоянию на 01.01.2010 г. на территории г.Саратова зарегистрировано 251901 единица автотранспорта, из них легковых – 213997 ед., грузовых – 32420 ед. и автобусов – 5484 ед. [Доклад…, 2010]. За последние 10 лет численность транспорта на улицах города возросла почти на 92 тыс. единиц (в 1999 году было зарегистрировано 160079 единиц автомобилей). Несомненно, с ростом численности автотранспорта увеличиваются и выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду.
Контроль за состоянием воздуха на территории г.Саратова проводится Комплексной лабораторией по мониторингу окружающей среды «ГУ Саратовский ЦГМС» на шести стационарных постах (ПНЗ) наблюдения по четырем основным ингредиентам: пыль, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота и ряду специфических примесей. Посты условно подразделяются на «городские фоновые», «промышленные»  и «авто», установленные вблизи автомагистралей. Расчет уровня загрязнения атмосферного воздуха производится для всего города и отдельно для четырех из шести районов, на территории которых установлены стационарные посты наблюдения. Исходя из площади г.Саратова (более 320 кв. км), каждый пункт измерения приходится приблизительно на 50 кв. км городской территории.
В целом по городу индекс загрязнения атмосферы (ИЗА) очень высокий и равен  16,2. Расчеты  показали, что наиболее сильно загрязнен атмосферный воздух в Кировском районе, где ИЗА равен 17,6 [Доклад…, 2010]. Полученные на ПНЗ данные не позволяют оценить вклад автотранспорта и степень загрязнения воздуха на отдельных улицах и в конкретных микрорайонах г.Саратова. Концентрация компонентов автомобильных выбросов в атмосферном воздухе подвержена большим колебаниям в зависимости от рельефа местности, характера застройки и ширины улиц, интенсивности движения автотранспорта и ряда метеорологических факторов.
Центр г. Саратова,  расположенный в Приволжской котловине, плохо проветриваемый, с дефицитом рекреационных зон, плотной застройкой и частой сетью дорог,  испытывает большую нагрузку, чем периферийные районы города, где загрязнение выбросами автотранспорта распределено «линейно» вдоль 2-3 основных автодорог. Ситуация в г.Саратове осложняется сложившейся транспортной структурой города, при которой основные связи между крупными окраинными Ленинским и Заводским районами осуществляется через исторический центр, и без того перегруженный автотранспортом.
В основном центральные улицы Саратова представляют собой уличные каньоны, т.е. автодороги, стесненные с двух сторон зданиями. Малая ширина дороги, многоэтажные здания при сплошном характере застройки препятствуют рассеянию вредных примесей в воздухе. Такие условия приводят к высоким уровням загазованности даже при небольшой интенсивности движения автотранспорта. Кроме уличных каньонов при частой сети дорог типичным элементом центра города является перекресток, который также становится источником высоких концентраций вредных веществ. Увеличение концентраций в случае с перекрестком происходит благодаря резкому росту объема выхлопов при нестационарной работе двигателя в периоды торможения, разгона и ожидания.
Свой вклад в загрязнение окружающей среды в центре г.Саратова вносят и места стоянок автомобилей. При их недостаточном количестве горожане зачастую личный автотранспорт паркуют на дворовых территориях. Замкнутость объемов "глухих" дворов приводит к образованию так называемых застойных зон, где практически отсутствует ветровой перенос примесей, которые образуются при запуске и прогреве двигателей автомобилей. Причем такие режимы работы сопровождаются значительно большим выбросом вредных веществ с отработавшими газами (до 8... 10 раз), чем при движении автомобиля. При разогреве двигателя у стен зданий в замкнутых дворах вещества-загрязнители проникают внутрь жилых помещений в концентрациях, превышающих предельно-допустимые концентрации [Денисов В.Н., Рогалев В.А., 2003].
Для оценки воздействия выбросов автотранспорта на состояние приземного слоя атмосферы авторами выбран типичный участок городской территории в центральной части г. Саратова. В пределах локального участка произведен анализ интенсивности и состава транспортных потоков в зимний и летний периоды 2010 года, расчетными методами определены концентрации оксида углерода, образующегося вдоль автотрасс, оценена экологическая ситуация во дворах жилого квартала.
Исследования проводились на территории Кировского района, участок ограничен улицами Чапаева, Кутякова, Вольская и Челюскинцев (рис.).
 

 Рис. Обзорная схема исследуемого участка территории г.Саратова

Для каждой улицы определены ширина дорожного полотна и тротуаров, отмечено наличие или отсутствие газонов и деревьев, характер застройки (мало- или многоэтажная). Основная территория внутри квартала – двор 9-этажного дома по ул.Кутякова и ул.Вольская, в пределах которого находятся игровая площадка для детей, газоны вдоль дома, дорога для проезда транспорта к подъездам дома и несколько ветхих сараев. Со стороны ул.Чапаева и ул.Челюскинцев расположены несколько малоэтажных жилых домов со своей придомовой территорией.
Согласно применяемым в работе методикам [Ю.Г.Фельдман, 1975; А.И.Федорова, А.Н.Никольская, 1997; С.В.Алексеев и др., 2005], наблюдения за интенсивностью движения автотранспорта проводились в различное время суток в утренние, дневные и вечерние часы по 20 минут каждого временного интервала в течение 3 дней в будни, после чего рассчитывалось среднее арифметическое число проезжающих автомобилей в час через каждую точку наблюдения. Такие же расчеты произведены и для выходного дня. Отдельно велся подсчет легковых, легких грузовых, средних грузовых, тяжелых грузовых автомобилей и автобусов. По данной методике наблюдения проведены в зимний и в летний периоды 2010 года для сравнительного анализа за интенсивностью движения в разное время года. В обобщенном виде результаты исследований приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты наблюдений за интенсивностью и составом автотранспорта на локальном участке территории г. Саратова в зимний и летний периоды 2010 года (будни)

Из анализа результатов наблюдений можно сделать ряд выводов.
1. Основной вклад в транспортные потоки вносит легковой транспорт, от 83% на ул. Чапаева до 98% на ул. Челюскинцев. Грузовой тип автомобилей на изученных автодорогах составляет 1/7 – 1/56 часть от легкового. Количество автобусов в процентном отношении составляет не более 3% от общего количество транспорта.
2. Интенсивность движения автомобилей по изученным автотрассам приблизительно одинакова в зимний и летний периоды года.
3. В выходные дни наблюдается снижение интенсивности движения автотранспорта. В летний период количество автомобилей в воскресный день составляет  51%-74% от их общего числа в будни, в зимний период – 45-64%.
4. На улицах Вольская и Кутякова наибольшая интенсивность транспорта фиксируется в утренние часы с постепенным спадом к вечеру. На ул. Челюскинцев количество транспорта невелико и практически не меняется в течение дня.
5. Анализ результатов измерения интенсивности движения по параллельные улицам с  односторонним движением Вольская и Чапаева позволяет сделать вывод о большем потоке машин в утренние часы по ул. Вольская в направлении к центру города (и далее с сторону Октябрьского и Заводского районов) и увеличение количества машин в вечерние часы по ул.Чапаева в противоположном направлении.
Кроме наблюдений за транспортными потоками, в работе использовались расчетные методы определения концентрации загрязняющих веществ на городских автомагистралях. Оценка уровня загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами автотранспортных средств по концентрации окиси углерода произведена по известным методикам [Фельдман, 1975; А.И.Федорова, А.Н.Никольская, 1997; С.В.Алексеев и др., 2005]. При расчетах выбросов используется ряд параметров: общее количество автомобилей, зафиксированное на точке наблюдения в течение 1 часа; количество легковых автомашин, грузовых автомобилей разного типа и автобусов; средняя скорость движения автомобилей; сведения о ширине проезжей части и линии застройки; продольный уклон дорожного полотна; этажность зданий; данные о регулировании дорожного движения; метеорологические условия; наличие зеленых насаждений вдоль трасс и т.д. Единым параметром, учитывающимся во всех методиках, является общее количество автомобилей, проезжающих через точку наблюдения за 1 час. 

K_CO=(0,5+0,01N · K_T) · K_A · K_Y · K_C · K_B · К_П,    

где 0,5 – фоновое загрязнение атмосферного воздуха нетранспортного  происхождения, мг/м³, N   –  суммарная интенсивность движения автомобилей на городской дороге, авт./час,  вносятся поправки (K), значения которых варьируют в зависимости от метеорологических условий, процентного соотношения автомобилей разного типа, уклона местности, характера застройки вдоль автотрассы и т.д.

В методике, предложенной Ю.Г.Фельдманом, для расчетов применяется формула:

                                                    Cp = K₁K₂K₃(Co/vH/30)^1/3

где Ср -   расчетная концентрация окиси углерода (мг/м³) на краю проезжей части; v - скорость ветра на улице в пределах 1-10 м/сек.; Н - ширина улицы в линиях застройки; Со - стандартная концентрация окиси углерода, получаемая как 

Co = 7,38+0,026N+∑A/N,

где N - интенсивность движение автотранспорта в авт./час в двух направлениях;

SА=А₁+А₂+А₃ - сумма поправок, учитывающих долю грузовых автомобилей и автобусов в общем количестве транспорта; изменение средней скорости движения автомобилей, изменение продольного уклона дороги от нулевого. Коэффициенты K₁, К₂, К₃ учитывают степень снижения токсичности выбросов и количество выбросов за счет усовершенствования автомобильных двигателей и использования лучшего топлива.

В расчетной методике С.В.Алексеева с соавторами учитывается расход топлива в зависимости от вида транспорта, тип топлива (бензин, дизельное). Данная методика позволяет рассчитать не только выбросы CO, но и оценить степень загрязнения воздуха диоксидом азота и углеводородом.

В целом результаты расчетов концентрации выбросов СО, полученные по разным методикам, сопоставимы между собой. Большее совпадение результатов документируется для точек наблюдения с интенсивностью движения транспорта от 500 до 3000 авт./час [Л.В.Гребенюк, 2009]. При расчетах учитывались относительная влажность воздуха (60% - для летнего периода и 80% - для зимнего) и скорость ветра, равная 3 м/с. Данные климатические параметры являются характерными для г.Саратова. Результаты расчетов концентрации выбросов СО и превышение над ПДК (ПДКмр СО = 5 мг/м3) приведены в таблице 2.
 

На трех из четырех изученных автотрассах (ул. Чапаева, Кутякова, Вольская) концентрации СО превышают предельно допустимые значения в 6,73- 8,24 раз в зимний период и в 4,46-6,25 раз – в летний. В зимний период фиксируются более высокие значения концентрации оксида углерода в приземных слоях атмосферы, что обусловлено погодными условиями (повышенная влажность воздуха) и некоторыми различиями в структуре транспортных потоков.
Наблюдения внутри квартала жилой застройки показали, что в вечерние и ночные часы на территории припаркованы около 70-80 легковых автомобилей. В дневные часы количество автомобилей уменьшается до 25-30. Специальных моделей для оценки качества атмосферного воздуха внутри дворов на сегодняшний день не существует. Но если учесть, что парковка осуществляется непосредственно под окнами жилого дома, то при прогреве двигателей автомобилей загрязняющие вещества проникают в квартиры нижних этажей, а также накапливаются на детской игровой площадке, т.к. на исследуемой территории ветровой перенос воздуха затруднен из-за сплошной застройки квартала.  По мнению В.Н. Денисова и В.А. Рогалева, одновременный старт нескольких автомобилей (интервал -15 мин.) создает опасные концентрации вблизи зданий. При парковке автомобиля «капотом к стене» наблюдается практически двукратное превышение ПДК у стены здания. Чем уже ширина двора, тем выше концентрация СО у стены здания. [В.Н.Денисов, В.А.Рогалев, 2003].
Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что на исследуемом локальном участке городской территории вредные выбросы автотранспортных средств, в концентрациях, превышающих ПДК до 8 раз (по оксиду углерода), концентрируются в приземном слое атмосферы, в зоне наиболее плотного демографического обитания и представляют опасность для здоровья жителей домов, проживающих на ул.Чапаева, ул.Кутякова и ул.Вольская. Особому риску подвержены жители первых этажей жилых зданий, находящиеся под воздействием негативных факторов, исходящих от транспортных потоков.

Литература
Дзюба К.С., Никулин В.В. Автотранспорт. Эковестник Дубны. Дубна, 2001. С. 31-36.
Денисов В. Н., Рогалев В. А. Проблемы экологизации автомобильного транспорта. - СПб.: МАНЭБ, 2003. 213 с.
Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2009 году.- Саратов, 2010. – 280 с.
Фельдман Ю.Г. Гигиеническая оценка автотранспорта как источника загрязнения атмосферного воздуха. М.: Медицина. 1975. 160 с.
Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. Учебное пособие. Воронеж, изд-во Воронежского ун-та. 1997. 305 с.
Алексеев С.В., Груздева Н.В., Гущина Э.В. Экологический практикум школьника. Учебное пособие для учащихся. Самара: Корпорация «Федоров», изд-во «Учебная литература). 2005. 304 с.
Гребенюк Л.В. Оценка уровня загрязнения приземного слоя атмосферы выбросами автотранспортных средств в г.Саратове. // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов : сборник трудов II международного научно-технического конгресса ELPIT-2009 (IV международной научно-технической конференции),  24-27 сентября 2009 г., г.Тольятти: ТГУ, 2009. – Т.1. – С.191-198.