Краткая теория
В условиях интенсивной антропогенной нагрузки экологическая безопасность окружающей среды представляется актуальнейшей проблемой, весьма далекой от разрешения. Всё отчетливее проявляются последствия урбанизации, о чём указывается в Экологической доктрине Российской Федерации. Существенной особенностью загрязнения воздушной среды городов являются отработанные газы автотранспорта. В ряде городов России, особенно в крупных административных и промышленных центрах, выхлопные газы автомобильного транспорта составляют 60-80% общих выбросов. Многие страны принимают различные меры по снижению токсичности выбросов, путем лучшей обработки бензина, замены его на более чистые источники энергии (газовое топливо, этанол, электричество), снижение свинца и добавках к бензину.
Автомобильные двигатели загрязняют атмосферу вредными веществами, которые представляют собой сложную смесь из более чем двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенных. Основные виды выбросов загрязняющих веществ от мобильных источников приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные виды выбросов загрязняющих веществ от мобильных источников
Тип двигателя |
Топливо |
Основные виды загрязнений |
Примеры |
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания |
Бензин |
Углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, свинец |
Автомобили, автобусы, самолеты, мотоциклы |
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания |
Бензин (с добавлением масла) |
Углеводороды, оксид углерода, оксиды азота, твердые вещества (сажа) |
Мотоциклы, вспомогательные моторы |
Дизель |
Лигроин |
Оксиды азота, твердые вещества (сажа) |
Автобусы, тракторы, поезда |
Проектируются более экономичные двигатели с более полным сгоранием горючего, создание в городах зон с ограниченным движением автомобилей и др. Несмотря на принимаемые меры, из года в год растет число автомобилей и загрязнение воздуха не снижается.
Известно, что автотранспорт выбрасывает в воздушную среду 280 компонентов. По своему воздействию на организм человека вещества, содержащиеся в отработанных газах, подразделяются на несколько групп.
В группу нетоксичных веществ входят азот, кислород, водяной пар, а также углекислый газ.
Группу токсичных веществ составляют окись углерода СО, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, включающая парафины, ароматические соединения и т.д. Окись углерода поражает нервную систему человека, нарушает сердечную деятельность, препятствует кислородному обмену в крови. Углеводороды способствуют развитию раковых заболеваний.
Следующую группу образуют неорганические газы – оксиды серы, сероводород и сажа. Например, длительное воздействие сажи может провоцировать болезни органов дыхания, центральной нервной и иммунной систем.
Особую группу составляют полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе активный – бенз(а)пирен, являющийся сильным канцерогеном. Именно с бенз(а)пиреном связывают дополнительный риск возникновения онкологических заболеваний.
В случае присутствия этилированного бензина образуются токсичные соединения свинца. Свинец поражает нервную систему человека и костную ткань.
Состав отработанных газов основных типов двигателей – бензинового двигателя с электрическим зажиганием и дизеля – существенно отличается прежде всего по концентрации продуктов неполного сгорания, а именно оксида углерода, углеводородов и сажи. В таблице 2 показаны выбросы вредных веществ карбюраторного и дизельного двигателей (% к общему объему выбросов).
Таблица 2 – Выбросы вредных веществ карбюраторного и дизельного двигателей
Вещество |
Карбюраторный двигатель |
Дизельный двигатель |
Оксид углерода |
0,5-12,0 |
0,01-0,5 |
Оксид азота |
0,005-0,8 |
0,002-0,5 |
Углеводороды |
0,2-0,3 |
0,009-0,5 |
Бенз(а)пирен |
до 20 мкг/м3 |
до 10 мкг/ м3 |
Как видно из таблицы, выбросы основных загрязняющих веществ значительно ниже в дизельных двигателях. Поэтому принято считать их более экологически чистыми. Наиболее полно положительные качества дизеля проявляются в режиме городского движения с большим процентом малых нагрузок холостого хода. Однако дизельные двигатели отличаются повышенными выбросами сажи, которая насыщена канцерогенными углеводородами и микроэлементами.
Наиболее объемным компонентом автомобильных выбросов является оксид углерода, на него приходится до 80% выбросов от легковых автомобилей и до 87% выбросов от грузового транспорта. Ко вторым по массе загрязнителям атмосферы от автотранспорта относятся углеводороды (14% от легкового и до 8% от грузового транспорта). Оксидами азота в большей степени насыщены выхлопы автобусов и легкового транспорта (до 8%). Оксид углерода, оксиды азота и углеводороды, как обладающие наибольшей токсичностью, являются основными нормирующими компонентами выхлопных газов автомобилей.
Наибольшее количество токсичных веществ выбрасывается автомобилями в воздух на малом ходу, на перекрестках, остановках перед светофорами. В таблице 3 приведены значения концентрации основных примесей карбюраторного двигателя при различных режимах его работы.
Таблица 3 – Концентрация основных примесей карбюраторного двигателя при различных режимах его работы
Режим работы двигателя |
Оксид углерода, % по объему |
Углеводороды, мг/л |
Оксиды азота, мг/л |
Холостой ход |
4-12 |
2-6 |
– |
Принудительный холостой ход |
2-4 |
8-12 |
– |
Средние нагрузки |
0-1 |
0,8-1,5 |
2,5-4,0 |
Полные нагрузки |
2 |
0,7-0,8 |
4-8 |
Подсчитано, что среднегодовой пробег каждого автомобиля равен 15 тысяч километров. В среднем за это время он обедняет атмосферу на 4350 кг кислорода и обогащает ее на 3250 кг углекислого газа, 530 кг окиси углерода, 93 кг углеводородов и 7 кг окиси азота.
Количество выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта, может быть оценено расчетным методом. Исходными данными для расчетов количества выбросов являются:
– количество единиц автотранспорта разных типов, проезжающих по выделенному участку автотрассы за единицу времени. В соответствии с методикой автомобильный транспорт необходимо разделить на пять категорий: автобусы, легковые автомобили, легкие, средние и тяжелые грузовые автомобили;
– нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города (средние нормы расхода топлива приведены в таблице 4).
Таблица 4 – Средние нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города
Тип автотранспорта |
Средние нормы расхода топлива, л на 100 км |
Удельный расход топлива Уi, л/км |
Легковой автомобиль |
11-13 |
0,11-0,13 |
Грузовой автомобиль |
29-33 |
0,29-0,33 |
Автобус |
41-44 |
0,41-0,44 |
Дизельный грузовой автомобиль |
31-34 |
0,31-0,34 |
Значения эмпирического коэффициента, определяющего выброс вредных веществ от автотранспорта, в зависимости от вида горючего, приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего
Вид топлива |
Значения коэффициента К |
||
Оксид углерода |
Углеводороды |
Диоксид азота |
|
Бензин |
0,6 |
0,1 |
0,04 |
Дизельное топливо |
0,1 |
0,03 |
0,04 |
Коэффициент К численно равен количеству выбросов соответствующего компонента в литрах при сгорании в двигателе автомобиля топлива (в литрах), необходимого для проезда 1 км (т.е. равного удельному расходу).
ЗАДАНИЕ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАГРУЖЕННОСТИ УЛИЦ АВТОТРАНСПОРТОМ И НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, УСУГУБЛЯЮЩИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Данная практическая работа дает возможность оценить загруженность участка улицы автотранспортом в зависимости от его видов, изучить и сравнить различные улицы по нагрузке на окружающую среду, обусловленную видами автотранспорта и его интенсивностью. Собранные параметры необходимы для расчетов уровней загрязнения воздушной среды.
Ход работы
Подсчет автомобилей производится на одной улице, но в течение двух временных отрезков. Выбрана улица Готвальда, протяженность – 500 м, длина шага – 0,7 м.
Обработка результатов