Влияние сезонных условий на выбросы тяжелых металлов при эксплуатации автомобилей
На правах рукописи
ПАНФИЛОВ Александр Анатольевич
ВЛИЯНИЕ СЕЗОННЫХ УСЛОВИЙ НА ВЫБРОСЫ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ
Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Тюмень 2009
Работа выполнена на кафедре эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин Тюменского государственного нефтегазового университета.
Научный руководитель доктор технических наук
профессор Захаров Н.С.
Официальные оппоненты: доктор технических наук
профессор Храмцов Н.В.
кандидат технических наук
доцент Новоселов О.А.
Ведущая организация - Управление Роспотребнадзора по Тюменской области
Защита состоится 13 ноября 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.273.04 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим присылать в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан 13 октября 2009 г.
Телефон для справок (3452) 20-10-39.
E-mail: [email protected]
Ученый секретарь
диссертационного совета Евтин П.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы Автомобильный транспорт удовлетворяет потребности в грузовых и пассажирских перевозках и является неотъемлемым звеном многих технологических процессов. При этом он является одним из основных источником загрязнения. Загрязнение происходит по всему пространству составляющих нашей биосферы, а именно - воздушного, водного бассейна и плодородного слоя почвы. Количество автотранспортных средств неуклонно растет, увеличивается интенсивность движения, следовательно, это приводит к увеличению валового выброса вредных веществ. Тяжелая экологическая ситуация на большей части территорий России требует принятия серьезных мер по защите окружающей среды.
Основными компонентами отработавших газов являются различные газообразные вещества, состоящие из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточный кислород, аэрозоли и различные примеси (как газообразные, так и в виде жидких и твердых частиц). Загрязнение почвы придорожной зоны характеризуется содержанием в верхнем плодородном слое продуктов работы транспортного комплекса, в частности, происходит накопление тяжелых металлов на удалении 100 м от автодороги. В конечном итоге происходит непосредственное влияние вредных веществ на здоровье человека, проживающего в населенных пунктах, вблизи дорог и через потребление сельскохозяйственных культур.
Важное влияние на выброс вредных веществ оказывают условия эксплуатации автотранспортных средств (климатические условия, дорожные условия, сезонные условия и многие другие).
Исследования загрязнения почвы придорожной зоны не в полной мере учитывают влияние факторов условий эксплуатации автомобилей. Поэтому необходимо отметить актуальность исследований, направленных на изучение закономерностей формирования массовых выбросов тяжелых металлов в придорожной зоне с учетом сезонных условий эксплуатации.
Известно, что в зимний период уменьшается интенсивность движения транспортного потока, но увеличивается расход топлива, увеличивается износ трущихся поверхностей, происходит износ шипов автомобильных шин, что также может оказать влияние на загрязнение почвы. В летний период происходит резкое увеличение интенсивности движения автомобилей, одновременно увеличивается радиус рассеивания тяжелых примесей.
Работа выполнялась при поддержке грантом губернатора Тюменской области 2004 г., полученным на конкурсной основе.
Целью исследования является повышение экологической безопасности автомобильного транспорта путем установления закономерностей его влияния на формирование массовых выбросов тяжелых металлов с учетом сезонных условий и разработки на этой основе методики расчета платы за загрязнение окружающей среды.
Объектом исследований является процесс загрязнения тяжелыми металлами придорожной зоны при эксплуатации автомобильного транспорта.
Предметом исследований является закономерности изменения массовых выбросов тяжелых металлов от автомобилей в придорожную зону с учетом сезонных условий эксплуатации.
Научная новизна:
- установлены закономерности формирования массовых выбросов тяжелых металлов с учетом сезонной вариации температуры окружающего воздуха и параметров движения транспортного потока (скорость и интенсивность);
- разработаны математические модели влияния температуры окружающего воздуха, скорости и интенсивности движения транспортного потока на изменение концентрации тяжелых металлов в придорожной зоне;
- экспериментально определены численные значения параметров математических моделей.
Практическая ценность заключается в разработке методики расчета платы за загрязнения почвы автомобильным транспортом с учетом температуры окружающего воздуха, скорости и интенсивности движения транспортного потока.
На защиту выносится:
- закономерность формирования массовых выбросов тяжелых металлов с учетом сезонной вариации температуры окружающего воздуха и параметров движения транспортного потока (скорость и интенсивность);
- математические модели влияния температуры окружающего воздуха, скорости и интенсивности движения транспортного потока на изменение концентрации тяжелых металлов в придорожной зоне;
- численные значения параметров математических моделей.
Апробация работы Основные результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (Тюмень, 2006), региональной научно-практической конференции «Проблемы эксплуатации систем транспорта» (Тюмень, 2006), всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Красноярск, 2006), международной научно-технической конференции «Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин» (Тюмень, 2008), научных семинарах кафедры «Эксплуатация и обслуживание транспортно-технологических машин» ТюмГНГУ (2003 – 2009 г.)
Реализация результатов работы Разработанная методика внедрена в Управлении технологического транспорта и специальной техники №3 ООО «Газпром трансгаз Сургут». Кроме того, результаты исследований используются в учебном процессе ТюмГНГУ.
Публикации Основное содержание диссертационной работы опубликовано в одиннадцати статьях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (133 наименования), 4 приложений (16 страниц). Объем диссертации составляет 150 страниц (в том числе 24 таблицы и 45 иллюстраций).
Автор выражает глубокую признательность кандидату технических наук доценту Тюлькину В.А. за консультации в процессе работы над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, излагается цель исследований, научная новизна, практическая ценность, а также основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава посвящена анализу состояния вопроса. Загрязнению придорожной зоны тяжелыми металлами посвящено много исследовательских работ как в нашей стране, так и за рубежом. В результате изучения ранее выполненных исследований установлено следующее.
Автотранспортные средства влияют на загрязнение почвы вблизи автомагистралей, о чем свидетельствует уменьшение концентрации тяжелых металлов при удалении от дороги. Отработавшие газы, кроме основных компонентов, содержат тяжелые металлы, входящие в состав присадок смазочного масла, либо являющиеся продуктами изнашивания деталей двигателя.
Кроме этого, источниками поступления тяжелых металлов могут быть продукты изнашивания тормозных накладок (медь, свинец, хром, никель, цинк), продукты изнашивания автомобильных шин (цинк, кадмий, медь, свинец), продукты изнашивания дорожного покрытия (кадмий, свинец), утечки и испарения топлива через систему питания, картерные газы, противогололедные смеси.
Выбросы тяжелых металлов оседают в непосредственной близости от источников загрязнения и накапливаются на глубине нескольких сантиметров почвенного покрова. Максимальное загрязнение придорожной полосы происходит в зоне до 30 метров. Наиболее опасными среди тяжелых металлов, выбрасываемых при эксплуатации автомобилей, являются свинец, цинк, медь. Интоксикация свинцом может привести к поражению центральной нервной системы, печени, почек, мозга, половых органов, а отравление медью – к заболеваниям анемией и гепатитом.
На загрязнение придорожной зоны тяжелыми металлами влияют большое число факторов. В ранее выполненных исследованиях изучено влияние ряда из них.
В установлении закономерностей распределения выбросов свинца получили известность исследования Р.Х. Измайлова, выполненные в МАДИ в конце 70-х годов, а также работы В.И. Пуркина, Т.С. Самойловой.
Большой объем данных о наличии в придорожной почве и растениях тяжелых металлов и других элементов с учетом различных влияющих факторов получили Дз.Ж. Бериня, И.М. Лапиня, Л.В. Карелина и др.
Так как свинец долгое время применялся в качестве антидетонирующей добавки в этилированном бензине, а бензиновые двигатели составляют значительную часть от общей численности силовых установок подвижного состава, то большинство работ было связано с определением зоны сверхнормативного загрязнения почвы соединениями свинца. Влияние же сезонных условий эксплуатации автомобилей на выбросы тяжелых в придорожной зоне исследовано недостаточно.
Для характеристики поведения транспортного потока на дорогах вне населенного пункта, можно применить макроскопические модели, которые могут достаточно адекватно описывать этот процесс.
В результате анализа состояния вопроса сформулированы следующие задачи, решение которых обеспечивает достижение поставленной цели.
- Установить перечень факторов условий эксплуатации автомобилей, значимо влияющих на загрязнение почвы вблизи автомобильных дорог.
- Разработать математические модели влияния факторов условий эксплуатации на загрязнения почвы придорожной зоны.
- Разработать математическую модель изменения показателей транспортных потоков вне населенного пункта во времени.
- Определить численные значения параметров математических моделей. Оценить адекватность полученных моделей.
- Разработать пути практического использования полученных результатов и оценить экономическую эффективность от их внедрения.
Вторая глава посвящена аналитическим исследованиям. В ней изложена общая методика исследований, проведена оценка влияния различных факторов на формирование выбросов тяжелых металлов вблизи автомобильных дорог, разработаны гипотезы о виде математических моделей влияния температуры окружающего воздуха и параметров движения транспортного потока (скорость и интенсивность) на изменение концентрации тяжелых металлов в почве придорожной зоны.
Для того чтобы установить влияние автомобильного транспорта на загрязнение почвы тяжелыми металлами использован системный подход. В соответствии с ним на первом этапе определяется критерий эффектности функционирования исследуемой системы.
В общем случае в качестве критерия эффектности можно определить минимизацию суммарных выбросов тяжелых металлов (Мв) от автомобильного транспорта, принимая за целевую функцию следующее выражение:
Мв min. (1)
Локализация системы сводится к установлению перечня факторов, наиболее существенно влияющих на формирование выбросов тяжелых металлов вблизи автомобильных дорог. Структура изучаемой системы представлена рис. 1.
 Рис. 1. Схема формирования выбросов тяжелых металлов | |
 Рис. 2. Схема связей элементов изучаемой системы | |
Отбор факторов включает следующие этапы: определение перечня всех факторов, влияющих на формирование выбросов тяжелых металлов; предварительный отбор на основе априорной оценки их влияния; параметризация, то есть выбор показателей для характеристики факторов; окончательный отбор на основе результатов эксперимента с использованием формальных математических методов.
Факторы условий эксплуатации оказывают влияние на качество протекания рабочих процессов в двигателе и как следствие определяют состав и интенсивность поступления тяжелых металлов в окружающую среду.
Изменение суммарных выбросов зависит как от состава выбросов вредных веществ, так и от интенсивности поступления их в окружающую среду.
Состав выбросов зависит от типа подвижного состава, количества и качества потребляемого топлива, который может измеряться пробеговыми выбросами вредных веществ с отработавшими газами одиночных АТС. Интенсивность поступления вредных веществ характеризуется количеством источников выбросов в единицу времени.
Схема связей элементов изучаемой системы представлена на рис 2. В качества входа в систему рассматривается время. Существует корреляционная связь температуры окружающего воздуха с элементами системы. Анализ связей элементов рассматриваемой системы показал, что в меньшей степени исследованы закономерности влияния сезонных условий эксплуатации на интенсивность поступления тяжелых металлов.
Исходя из того, что среди климатических факторов условий эксплуатации существует тесная корреляционная связь, то при учете влияния сезонных факторов достаточно использовать показатели одного из них – температуры окружающего воздуха М=f(t).
Из анализа ранее проведенных исследований и литературных источников известно, что температура окружающего воздуха оказывает большое влияние на изменение выбросов вредных веществ. Выдвинута гипотеза о том, что изменение выбросов тяжелых металлов при изменении температуры окружающего воздуха описывается квадратичной моделью:
, (2)
| где | С | - | концентрация тяжелых металлов, мг/кг; |
| a, b | - | эмпирические коэффициенты; | |
| t | - | температура окружающего воздуха, 0С; | |
| t0 | - | оптимальная температура, соответствующая минимальным выбросам тяжелых металлов, 0С. |
Влияние количества автотранспортных средств на загрязнение придорожной зоны можно оценить интенсивностью движения транспортного потока.
Сезонные изменения климатических условий влекут за собой соответствующие изменения дорожных условий, колебания которых во времени приводит к вариации скорости движения транспортно потока, что оказывает влияние на выбросы вредных веществ.
На основании изучения асимптотики была выдвинута гипотеза о возможности описания зависимостей влияния интенсивности и скорости движения транспортного потока на выбросы тяжелых металлов экспоненциальными моделями:
, (3)
| где | С | - | концентрация тяжелых металлов, мкг/дм3; |
| d, f | - | эмпирические коэффициенты; | |
| Nч | - | среднечасовая интенсивность движения транспортного потока, авт./ч. |
, (4)
| где | С | - | концентрация тяжелых металлов, мкг/дм3; |
| g, h | - | эмпирические коэффициенты; | |
| V | - | скорость движения транспортного потока, км/ч. |
На массу выбросов тяжелых металлов автомобилями влияет ряд факторов, поэтому математические модели, описывающие закономерности влияния этих факторов, являются многофакторными. Используя уравнения (2), (3) и (4), на основе правил построения многофакторных моделей разработана трехфакторная мультипликативная математическая модель формирования выбросов тяжелых металлов автомобилями:
, (5)
| где | M | - | суммарные выбросы тяжелых металлов в придорожной зоне при различной вариации температуры воздуха, скорости и интенсивности движения транспортного потока; |
| CNi,CVi | - | концентрации тяжелых металлов, зависящие от интенсивности и скорости движения транспортного потока, мкг/дм3; | |
 , | - | средние значения концентраций тяжелых металлов для рассматриваемых интервалов интенсивности и скорости движения транспортного потока, мкг/дм3; | |
| i | - | вид тяжелых металлов (i=1,2,3…n). |
На основании анализа литературных источников предложена макроскопическая математическая модель движения транспортного потока вне населенного пункта. Интенсивность транспортных потоков подвержена значительным временным изменениям, при этом наблюдается не только суточная, но также недельная и сезонная периодичность, которая может быть представлена гармонической моделью:
, (6)
| где | Nс | - | среднее значение интенсивности за цикл, авт/ч; |
| k | - | номер гармоники; | |
| g | - | количество гармоник; | |
| Ck | - | полуамплитуда колебания k-той гармоники; | |
| m | - | интервал между Ti и Ti+1 в градусах; | |
| Tk | - | начальная фаза колебания. |
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям. Целью экспериментов является определение численных значений параметров математических моделей и проверка их адекватности.
Экспериментальные исследования проводились параллельно в нескольких направлениях.
Первое заключалось в определение влияния сезонных условий эксплуатации автомобилей на загрязнение почвы тяжелыми металлами. Для чистоты эксперимента в целях исключения фонового загрязнения оценка влияния сезонных условий эксплуатации автомобилей на загрязнение почвы тяжелыми металлами производилось вне черты города.
Для исследования загрязнений окружающей среды тяжелыми металлами использовались биоиндикаторы. В качестве биоиндикатора выбрана кора сосны обыкновенной (Pitras sylvestris). Так как кора имеет шероховатую поверхность, она способна удерживать соединения тяжелых металлов длительное время, что способствует их проникновению внутрь.
Взятие проб коры производилось в течение всего года. Надрез снимался с нескольких стволов деревьев на равноудаленном расстоянии от автодороги с левой и правой стороны. После этого усредненная проба помещалась в стерильный маркировочный пакет и доставлялась в лабораторию для анализа. Отбор проб осуществлялся в сухую погоду на разных трактах с разной интенсивность движения и техногенной нагрузкой.
Второе направление связано с определением влияния скорости и интенсивности движения транспортного потока на уровень загрязнения почвы придорожной зоны тяжелыми металлами. Изучались и анализировались пробы снега, взятые на 5-метровом удаление от проезжей части с левой и правой стороны автодороги, при ограничении скорости движения транспортного потока: 30 км/ч – пост ГИБДД, 50 км/ч – населенный пункт, 70 км/ч – сужение дороги, 90 км/ч – прямолинейный участок автодороги.
Обработка образцов коры и проб снега производилась на базе лабораторий кафедры общей и специальной химии ТюмГНУ. Определение концентрации тяжелых металлов в растительных образцах проводилось в соответствии с ГОСТ 30692-2000. Измерения массовой концентрации ионов определяемых металлов в растворе производились инверсионным вольтамперометрическим методом с помощью полярографа АВС-1.1, который обеспечивает достаточный уровень точности.
Влияния автомобилей на уровень загрязнения почвы придорожной зоны тяжелыми металлами определялось по наиболее негативным индикаторам (медь и свинец), которые имеют наибольшую долю по концентрации в придорожной зоне. Кроме того, в работе оценивалось совокупное влияние элементов транспортного потока на загрязнение почвы придорожной зоны.
Третье направление заключалось в исследование динамики транспортного потока на автомагистралях федерального и областного значения. В качестве объектов исследования выбраны тракты в окрестностях города Тюмени с интенсивность движения транспортного потока от 500 – 1000 авт/ч– Тобольский, Ялуторовский, Червишевский и Московский.
Эксперимент проводился на всех трактах одновременно, в одно и то же время исследовался один час максимальной интенсивности ежедневно в течение всей недели. Пик максимальной интенсивности дня был установлен с помощью предварительного эксперимента. Исследование транспортного потока проводились в течение всех четырех сезонов. При изучении динамики транспортных потоков экспериментально определены реальные динамические характеристики и характер их изменений во времени.
Исследования транспортных потоков проводились с использованием различных методов: натурное наблюдение с фиксированием транспортного потока на видеокамеру, исследование на стационарных постах и с помощью подвижных средств.
Четвертое направление предусматривает сбор статистических данных об изменениях температуры окружающего воздуха в период изучения загрязнения придорожной зоны.
После обработки экспериментальных данных многократных измерений растительных образцов на содержания тяжелых металлов за каждый месяц были построены графики изменения концентрации свинца и меди в течение года (рис. 3, 4).
Рис. 3. Закономерность изменения концентрации свинца в течение года
Рис. 4. Закономерность изменения концентрации меди в течение года
Изменение концентрации тяжелых металлов в течение года описывается моделями (мг/кг):
CPb=0,62 + 0,14· Cos (30 (T – 1,01)); (7)
CCu=0,68 + 0,26· Cos (30 (T – 0,94)). (8)
Как видно из вышеприведенных графиков, изменение концентрации тяжелых металлов в течение года имеет ярко выраженную сезонную неравномерность. Наиболее значима во всех случаях первая гармоника (с периодом 1 год), влияние остальных гармоник не значимо на основании статистики Стьюдента в программе «REGRESS 2.5».
Далее устанавливалось влияние температуры окружающего воздуха на концентрацию свинца и меди в придорожной зоне (рис. 5,6).
Влияние температуры воздуха на концентрацию тяжелых металлов описывается моделями (мг/кг):
; (9)
. (10)
Расход топлива зависит от температуры окружающего воздуха. При понижении температуры ухудшаются рабочие процессы двигателя, вызванные пониженным тепловым режимом, что приводит к увеличению расхода топлива.
В летний период повышается испаряемость топлива, ухудшается наполнение цилиндров двигателя, появляются дополнительные потери на привод вентилятора системы охлаждения, все это приводит к повышенному расходу топлива и неэффективной работе двигателя.
Кроме того, выброс тяжелых металлов в придорожной зоне зависит и от процессов изнашивания, происходящих при движении автотранспортных средств. При низкой температуре окружающего воздуха расход топлива возрастает из-за увеличения сопротивления трансмиссии и шин, увеличенного аэродинамического сопротивления, что может привести к повышенному содержанию токсичных веществ в отработавших газах.
Таблица 1
Статистические характеристики математических моделей влияния температуры воздуха на концентрацию тяжелых металлов
| Наименование характеристики | Численные значения характеристик | |
| Свинец | Медь | |
| Коэффициент корреляции | 0,82 | 0,87 |
| Коэффициент детерминации | 0,67 | 0,76 |
| t-статистика коэффициента корреляции | 4,59 | 5,6 |
| Уровень значимости коэффициента корреляции | 0,99 | 0,99 |
| Средняя ошибка аппроксимации, % | 10,17 | 12,6 |
| Sост. | 0,082 | 0,11 |
| Дисперсионное отношение Фишера | 2,54 | 3,4 |
| Уровень адекватности | 0,9 | 0,95 |
| Коэффициент эластичности | 0,14 | 0,21 |
| Коэффициент влияния | 0,21 | 0,31 |
Дисперсионное отношение Фишера для моделей превышает табличное значение с вероятностью более 0,90, средняя ошибка аппроксимации не превышает 12,6%. Это свидетельствует об адекватности моделей экспериментальным данным.
Рис. 5. Влияние температуры окружающего воздуха на концентрацию свинца в придорожной зоне
Рис. 6. Влияние температуры окружающего воздуха на концентрацию меди в придорожной зоне
После анализа водной вытяжки (талый снег) определялись виды математических моделей влияния скорости и интенсивности движения на концентрацию свинца и меди.
Влияние интенсивности движения транспортного потока на выбросы свинца и меди описывается следующими моделями, мкг/дм3:
; (11)
. (12)
Интенсивность движения определяется количеством автотранспортных средств, проезжающих через сечение дороги за единицу времени, что в значительной мере влияет на техногенную нагрузку прилегающей территории.
Интенсивность движения подвержена сезонным колебаниям, связанным с сезонными изменениями объемов работ в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, сезонными изменениями условий эксплуатации (дорожных условий: весенняя и осенняя распутица в сельской местности, сезонность работы зимников, снежные заносы, гололед, низкая температура воздуха), сезонностью отпусков рабочих (водителей).
Рис. 7. Влияние интенсивности движения автотранспортного потока на выбросы свинца
Рис. 8. Влияние интенсивности движения автотранспортного потока на выбросы меди
Таблица 2
Статистические характеристики математических моделей влияния интенсивности движения транспортного потока на выбросы тяжелых металлов
| Наименование характеристики | Численные значения характеристик | |
| Свинец | Медь | |
| Корреляционное отношение | 0,97 | 0,89 |
| Коэффициент детерминации | 0,95 | 0,79 |
| t-статистика коэффициента корреляции | 13,59 | 5,63 |
| Уровень значимости коэффициента корреляции | 0,99 | 0,99 |
| Средняя ошибка аппроксимации, % | 7,33 | 10,6 |
| Sост. | 3,69 | 2,05 |
| Дисперсионное отношение Фишера | 17,82 | 4,02 |
| Уровень адекватности | 0,99 | 0,95 |
| Коэффициент эластичности | 0,85 | 0,61 |
| Коэффициент влияния | 0,85 | 0.43 |
Влияние скорости движения транспортного потока на выбросы свинца и меди описывается следующими моделями, мкг/дм3:
; (13)
. (14)
Рис. 9. Влияние скорости движения автомобилей на выбросы свинца
Рис. 10. Влияние скорости движения автомобилей на выбросы меди
Таблица 3
Статистические характеристики математических моделей влияния скорости движения транспортного потока на выбросы тяжелых металлов
| Наименование характеристики | Численные значения характеристик | |
| Свинец | Медь | |
| Корреляционное отношение | 0,92 | 0,94 |
| Коэффициент детерминации | 0,84 | 0,88 |
| t-статистика коэффициента корреляции | 3,29 | 3,9 |
| Уровень значимости коэффициента корреляции | 0,95 | 0,95 |
| Средняя ошибка аппроксимации, % | 13,51 | 11,4 |
| Sост. | 7,59 | 4,69 |
| Дисперсионное отношение Фишера | 2,1 | 2,57 |
| Уровень адекватности | 0,9 | 0,9 |
| Коэффициент эластичности | 0,3 | 0,41 |
| Коэффициент влияния | 0,31 | 0,43 |
Выбросы тяжелых металлов имеют большее значение при малых скоростях, это связанно с изменением расхода топлива, процессов изнашивания при малых частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, повышение скоростного режима транспортного потока приводит к увеличению радиуса рассеивания вредных веществ, что снижает концентрацию тяжелых металлов в придорожной зоне.
Трехфакторные модели имеют вид (мг/кг):
(15)
(16)
| где | t | - | температура окружающего воздуха, oС; |
| Nч | - | среднечасовая интенсивность движения транспортного потока, авт./ч; | |
| V | - | скорость движения транспортного потока, км/ч. |
Влияние температуры окружающего воздуха и скорости движения транспортного потока на выбросы свинца и меди при интенсивности движения автомобилей 600 авт.ч<N<800 авт./ч представлены на рис. 12, рис. 13.
На рис. 11 представлена закономерность изменения интенсивности движения транспортного потока вне населенного пункта в течение недели. Эта закономерность адекватно описывается моделью:
(17)
Рис. 11. График изменения интенсивности транспортного потока по дням недели
Таким образом, в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решены первые четыре задачи исследований.
Рис. 12. Влияние температуры окружающего воздуха и скорости движения транспортного потока на выбросы свинца при интенсивности движения автомобилей 600 авт./ч<N<800 авт./ч
Рис. 13. Влияние температуры окружающего воздуха и скорости движения транспортного потока на выбросы меди при интенсивности движения автомобилей 600 авт./ч<N<800 авт./ч
Четвертая глава посвящена разработке методики расчета платы за загрязнения почвы автомобильным транспортом.
Плата рассчитывается на основании данных о пробеговых выбросах одиночных АТС, нормативов платы за выбросы от передвижных источников и суммирования полученных произведений по видам загрязняющих веществ.
В данной методике на основе результатов полученных исследований предложен коэффициент неравномерности выбросов тяжелых металлов, который учитывает изменение температуры окружающего воздуха, категории автодороги и типа дорожного покрытия при эксплуатации автомобилей на формирование выбросов тяжелых металлов. Дифференцирование платы за загрязнение почвы производится с учетом климатического района и категорий условий эксплуатации автомобилей.
Таблица 4
Коэффициент неравномерности выбросов тяжелых металлов
| Тип дорожного покрытия | Категории автодорог | Климатические районы | |||||
| Теплый, жаркий, сухой | Умеренный | Умеренно холодный | Арктический | Холодный | Очень холодный | ||
| Д1 | I | 1,58 | 1,60 | 1,62 | 1,64 | 1,66 | 1,70 |
| II | 1,10 | 1,11 | 1,13 | 1,15 | 1,18 | 1,21 | |
| III | 0,57 | 0,59 | 0,61 | 0,63 | 0,65 | 0,69 | |
| Д2 | II | 1,15 | 1,16 | 1,18 | 1,20 | 1,23 | 1,26 |
| III | 0,62 | 0,64 | 0,66 | 0,68 | 0,70 | 0,73 | |
| IV | 0,57 | 0,58 | 0,60 | 0,62 | 0,65 | 0,68 | |
| Д3 | II | 1,27 | 1,29 | 1,31 | 1,33 | 1,35 | 1,39 |
| III | 0,74 | 0,76 | 0,78 | 0,80 | 0,82 | 0,86 | |
| IV | 0,69 | 0,71 | 0,73 | 0,75 | 0,77 | 0,81 | |
| Д4 | III | 0,82 | 0,83 | 0,85 | 0,87 | 0,90 | 0,93 |
| IV | 0,76 | 0,78 | 0,80 | 0,82 | 0,84 | 0,88 | |
| Д5 | IV | 0,76 | 0,78 | 0,80 | 0,82 | 0,84 | 0,88 |
| Д6 | V | 0,82 | 0,83 | 0,85 | 0,87 | 0,90 | 0,93 |
Методика прошла апробацию в Управлении Роспотребнадзора по Тюменской области и внедрена в качестве эксперимента на предприятие УТТ и СТ-3 ООО «Газпром трансгаз Сургут».
Величина экономического эффекта при годовой эксплуатации 88 ед. техники, работающей на бензине составляет 38045 руб. (в ценах 2009г.) применительно к умеренно холодному климатическому району с эксплуатаций автомобилей по автодорогам I категории с дорожным покрытием Д1 (представительный пункт - г. Тюмень).
Методика направлена на возмещение экономического ущерба, связанного с воздействием выбросов загрязняющих веществ, на стимулирование снижения выбросов, на формирование средств для проектирования и строительства природоохранных объектов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- На основе выполненных исследований решена научно-практическая задача по установлению закономерностей формирования массовых выбросов тяжелых металлов с учетом сезонных условий эксплуатации автотранспортных средств и разработки на этой основе методики расчета платы за загрязнение почвы.
- Установлены виды математических моделей закономерностей изменения концентрации свинца и меди по времени. С вероятностью 0,9 эти закономерности адекватно описываются гармоническими моделями. Наиболее значима во всех случаях первая гармоника (с периодом 1 год), влияние остальных гармоник статистически не значимо.
- Установлены виды математических моделей влияния температуры окружающего воздуха на изменение концентрации свинца и меди в придорожной зоне. С вероятностью 0,9 эти закономерности адекватно описываются квадратичными моделями.
- Установлены виды математических моделей влияния скорости и интенсивности движения транспортного потока на изменение концентрации свинца и меди в придорожной зоне. С вероятностью 0,9 эти закономерности адекватно описываются экспоненциальными моделями.
- Установлена закономерность формирования массовых выбросов тяжелых металлов с учетом сезонной вариации среднесуточного пробега, скорости и интенсивности движения транспортного потока, адекватно описываемая трехфакторной мультипликативной математической моделью.
- Экспериментально определены численные значения параметров математических моделей. Результаты показали, что ошибка аппроксимации полученных моделей не превышает 12,6%, вероятность адекватности во всех случаях превышает 90%.
- Установлен характер изменения недельной интенсивности транспортного потока на автодорогах вне населенного пункта, который достаточно адекватно описывается гармонической моделью
- Разработан метод расчета корректирующего коэффициента неравномерности выбросов тяжелых металлов в зависимости от температуры окружающего воздуха, скорости и интенсивности движения транспортного потока.
- На основании выполненных исследований предложена методика расчета платы за загрязнения почвы с учетом условий эксплуатации автомобилей климатического района, категории автодороги и типа дорожного покрытия. Внедрение методики позволяет достичь экономического эффекта 342 руб. на один автомобиль в год.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
В рецензируемых изданиях из списка ВАК.
- Захаров Н.С., Абакумов Г.В., Бугаев К.В., Быков Д.С., Ефимов В.В., Панфилов А.А. Актуальные проблемы эксплуатации автомобилей и транспортно-технологических машин в нефтегазодобывающем регионе // Известия вузов. Нефть и газ. – 2006. – №6 – С.74-75.
- Захаров Н.С., Панфилов А.А. Влияние сезонных условий на выбросы тяжелых металлов при эксплуатации автомобилей // Транспорт Урала. - 2009. - №2 (21). - С. 26-27
В прочих изданиях.
- Панфилов А.А. Проблема загрязнения почвы автомобильным транспортом // Эксплуатация и обслуживание транспортно-технологических машин: Межвузовский сборник научных трудов. Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. – С. 113-114.
- Панфилов А.А. Взаимосвязь автомобилизации и проблем экологической безопасности // Эксплуатация и обслуживание транспортно-технологических машин: Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 2. Тюмень: ТюмГНГУ, 2005. – С. 99-102.
- Панфилов А. А. Анализ подходов в математическом моделировании при исследовании транспортных потоков вне населенного пункта // Проблемы эксплуатации систем транспорта: Труды региональной научно-практической конференции. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2006. – С. 195-199.
- Панфилов А. А. Влияние автомобильного транспорта на загрязнения придорожной зоны тяжелыми металлами // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Доклады международной научно-технической конференции. – Тюмень: Феликс, 2006. – С. 149-152.
- Захаров Н.С., Панфилов А.А. Э кспериментальные исследования загрязнения придорожной зоны автомобильным транспортом в г. Тюмени // Политранспортные системы: Материалы IV Всероссийской науч.-техн. конф. Ч.1 – Красноярск: КГТУ, 2006. – С. 117-121.
- Панфилов А.А. Факторы, влияющие на загрязнение почвы придорожной зоны тяжелыми металлами // Политранспортные системы: Материалы IV Всероссийской науч.-техн. конф. Ч.1 – Красноярск: КГТУ, 2006. – С. 249-252.
- Тюлькин В.А., Панфилов А.А. Математическое моделирование загрязнение почвы придорожной зоны тяжелыми металлами // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции. Часть 2.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2007.-С.112-115.
- Тюлькин В.А., Панфилов А.А. Сезонные изменения загрязнения придорожной зоны тяжелыми металлами // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2008.-С.185-188.
- Тюлькин В.А., Панфилов А.А. Влияние скорости движения транспортных средств на уровень загрязнения придорожной зоны тяжелыми металлами // Проблемы эксплуатации и обслуживания транспортно-технологических машин: Материалы международной научно-технической конференции.- Тюмень: ТюмГНГУ, 2008.-С.189-191.
| Подписано в печать 9.10.2009 Заказ № Формат 6084 1/16 Отпечатано на RISO GR 3750 | Бум. писч. №1 Усл. изд. л. 1,0 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. |
Издательство «НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
