XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экспресс-оценка экологического состояния воздушной среды города Барнаула
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Одной из главных проблем в экологии городской среды является загрязнение атмосферного воздуха. На большей территории нашей страны загрязняет атмосферу в городской среде автотранспорт. Ученые определили, что более двухсот веществ, которые загрязняют атмосферу, содержатся в выбросах автотранспорта. Главные из них – оксиды углерода и азота, углеводороды, сажа, сернистые соединения [1].
Количество выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта, может быть определено расчетным методом. Оценить уровень загрязнения атмосферы можно сделать после учета интенсивности потока машин, учета марки автомобиля [2].
Цель работы – провести экспресс-оценку экологического состояния воздуха микрорайона Первомайский г. Барнаула.
Для решения поставленной цели были определены основные задачи:
-
изучить типы транспорта и их влияние на атмосферу;
-
провести учет проезжающих автомобилей в районе исследования; подсчитать количество выбросов автотранспортом вредных веществ в атмосферу;
-
сравнить количество вредных выбросов на данных участках с предельно допустимой концентрацией;
-
определить экологическую обстановку на изучаемых территориях.
Объект исследования: поток автомашин на улицах г. Барнаула.
Предмет исследования: загрязнения воздушной среды г. Барнаула.
Методы исследования: анализ, сравнение, математические, статистические.
Глава 1 Обзор литературы
-
-
Характеристика влияния автотранспорта на окружающую среду
-
В настоящее время автотранспорт является одним из основных потребителей энергии, при этом сжигая значительную часть мировой нефти. Именно автомобильный транспорт является крупнейшим источником глобального потепления [5].
Можно выделить целый ряд экологических последствий от все большего количества машин. Ученые утверждают, что загрязнение окружающей нас среды оказывает влияние по нескольким направлениям:
–загрязнение воздуха, воды, почвы;
–глобальное потепление;
–влияние на человеческое здоровье [1].
При этом эффекты от загрязнения могут носить как краткосрочный, так и долгосрочный характер.
Что мы наблюдаем на сегодняшний день? Рост городов уменьшает естественные природные территории и увеличивает площади урбанизированных территорий. В городах увеличивается количество автомагистралей, образуются многокилометровые пробки…
Рис. 1. Автомобильный смог
Автомобильные выхлопы содержат различные парниковые газы – монооксид углерода и оксид азота. Данные газы блокируют солнечные лучи, которые отражаются от поверхности Земли. Вся эта солнечная энергия попадает в атмосферу Земли. Последствия – отклонения в температуре у поверхности Земли [3].
Автомобильные выхлопы выделяют большой спектр газов и твердых веществ. Это не только усиливает интенсификацию глобального потепления, но и является причиной выпадения кислотных дождей. К загрязнению также приводят разливы топлива, а также шум от двигателя. Как оказалось, шум двигателя влияет не только на слух. Он провоцирует развитие гипертонии, язвы желудка и диабета [4].
1.2 Виды автотранспорта
Разные виды транспорта неодинаково оказывают влияние на загрязнение среды.
Легковые автомобили, например, выбрасывают в атмосферу вредные вещества: оксид углерода (угарный газ), оксиды азота, углеводороды, твёрдые частицы. От чего может зависеть состав выхлопных газов? В первую очередь от топлива. Так, большее содержание свинца будет от бензинового двигателя, а от дизельного двигателя образуется много сажи. При этом количество выбросов всегда больше как в городских районах, так и около крупных магистралей. Перекрестки на дорогах являются источниками наибольшего скопления загрязняющих веществ. Это связано с тем, что в этих местах больше всего разгонов и торможений. А при этом и наблюдается максимальный выброс как выхлопных газов, так и твердых частиц [1].
Грузовые автомобили выбрасывают загрязняющие вещества – оксиды азота, твердые частицы, особенно те, которые работают на дизельном топливе. Главной особенностью дизельных двигателей является то, что они выделяют более высокие уровни твёрдых частиц и оксидов азота, чем эквивалентный бензиновый двигатель.
Автобусы выбрасывают выхлопные газы, которые также загрязняют воздух. Что можно предпринять в данном случае для снижения уровня загрязнения? Использовать общественный транспорт, что может снизить выбросы вредных веществ, так как они заменяют личные автомобили на дорогах.
Мотоциклы выбрасывают в атмосферу вредные вещества. К ним можно отнести оксиды азота, угарный газ, углеводороды и твёрдые частицы.
Таким образом, для обеспечения экологически устойчивого развития безопасности автомобильного транспорта необходимо эффективное использование уже имеющихся инфраструктур. Важно снижать потребности на перевозки, готовность перехода к использованию экологически чистых транспортных средств [3].
Глава 2 Методика исследования
Материалом для работы послужили данные по учету автомобильного потока на проезжей части некоторых улиц. Учет проезжающих машин проводился с учетом общепринятой методики три раза в день. Расчет проводился для проезжей части улицы длиной 100 м [7].
Для расчетов использовались данные, представленные в таблицах (см. Таблица 1, 2) [5].
Таблица 1
Нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города
|
Тип автотранспорта |
Нормы расхода топлива (л на 100 км) |
Удельный расход топлива Yj (л на 1 км) |
в среднем |
|
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 |
Таблица 2
Эмпирические коэффициенты, определяющие выброс вредных веществ
|
Вид топлива |
Значение коэффициента (К) |
||
|
Угарный газ |
Углеводороды |
Диоксид азота |
|
|
Бензин |
0,6 |
0,1 |
0,04 |
|
Дизельное топливо |
0,1 |
0,03 |
0,04 |
Коэффициент К численно равен количеству вредных выбросов соответствующего компонента в литрах при сгорании в двигателе автомашины количества топлива, необходимого для проезда 1 км (т.е. равного удельному расходу, Yj) [6].
Глава 3 Результаты исследования
Исследования проводились в период с 19 по 23 сентября 2025 года на проспекте Красноармейский, улицах Ядринцева и Молодежная (см. Рисунок 1,2). Время учета автотранспорта на каждом исследуемом участке: 8.00, 13.00 и 20.00.
Рис. 2. Учет количества проезжающего транспорта
на пр. Красноармейский
Расчет выполняли для каждой проезжей части улиц длиной 100 метров.
Полученные результаты усредняли, проводили подсчет количества проезжающих автомашин за 1 час. Рассчитывалось количество выбросов загрязняющих веществ (см. Таблица 3).
Рис. 2. Поток автомашин на ул. Молодежная
Таблица 3
Количество автотранспорта каждого типа за 1 час
|
Тип автотранспорта |
Количество за 20 минут, шт. |
За час, Ni, шт |
||||
|
Пр. Красно-армейский |
Ул. Моло-дежная |
Ул. Ядрин-цева |
Пр. Красно-армейский |
Ул. Моло-дежная |
Ул. Ядрин-цева |
|
|
Легковой автомобиль |
548 |
299 |
473 |
1644 |
897 |
1419 |
|
Грузовой автомобиль |
20 |
7 |
10 |
60 |
21 |
30 |
|
Автобус |
66 |
6 |
15 |
178 |
18 |
45 |
В ходе исследования были получены следующие результаты. Общее количество машин за 1 час на пр. Красноармейский является максимальным, по сравнению с другими участками: легковые – 1644, грузовые – 60; автобусы – 178. На ул. Молодежная: легковые – 897; грузовые – 21; автобусы – 18. На ул. Ядринцева: легковые – 1419; грузовые – 30; автобусы – 45. Учитывался тип двигателя: внутреннего сгорания или дизельный.
Общий путь, пройденный выявленным количеством автомобилей каждого типа за 1 час (L, км) рассчитывается по формуле:
Li=Ni*l, где
N- количество автомобилей каждого типа за 1 час;
i- обозначение типа автотранспорта;
l – длина участка, км.
Результаты расчетов представлены в таблице (см. Таблица 4).
При проведении расчета выброса загрязняющих веществ учитывались следующие факторы: типы автотранспорта и их количество, время проезда, тип двигателя и расход топлива [7].
Таблица 4
Общий путь, пройденный автомобилями за 1 час, L, км
|
Общий путь за 1 час, L, км |
Пр. Красно-армейский |
Ул. Молодежная |
Ул. Ядринцева |
|
Легковые |
164,4 |
89,7 |
141,9 |
|
Грузовые |
6 |
2,1 |
3 |
|
Автобусы |
17,8 |
1,8 |
4,5 |
Количество топлива (Qi, л) разного вида, сжигаемого при этом двигателями автомашин, рассчитывали по формуле: Qi=Li*Yi, данные по Yi брали из таблицы 1 (см. Таблица 1,5).
Таблица 5
Общее количество сожженного топлива, Qi , л
|
Тип автотранспорта |
Пр. Красно-армейский |
Ул. Молодежная |
Ул. Ядринцева |
|
Легковой автомобиль |
18,084 |
9,867 |
15,609 |
|
Грузовой автомобиль |
1,74 |
0,609 |
0,87 |
|
Автобус |
7,298 |
0,738 |
1,845 |
|
Всего ∑Q |
27,122 |
11,214 |
18,324 |
После определения общего количества сожженного топлива рассчитали количество выделившихся вредных веществ в литрах при нормальных условиях рассчитывали с помощью коэффициента К (см. Таблица 2, 6).
Таблица 6
Количество вредных веществ, выделяющихся при сгорании топлива
|
Вид топлива (бензин) |
∑Q, л |
Количество вредных веществ, л |
||
|
СО |
Углеводороды (пентан С5Н12) |
NO2 |
||
|
Пр. Красно-армейский |
27,122 |
16,273 |
2,712 |
10,849 |
|
Ул. Молодежная |
11,214 |
6,728 |
1,121 |
4,486 |
|
Ул. Ядринцева |
18,324 |
10,994 |
1,832 |
7,330 |
Рассчитали массу выделившихся вредных веществ и количество чистого воздуха, необходимого для разбавления выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий атмосферы (см. Таблица 7).
Масса выделившихся вредных веществ (m,г) рассчитывается по формуле: m=V*M/22,4 где
V - объем в литрах,
М - молекулярная масса, грамм/моль (С=12; N=14; О=16; Н=1);
число 22,4 - константа (объем Авогадро) - объем 1 моль газа при н.у., л/моль (см. Таблица 8, 9, 10).
Справочные значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ приведены в таблице (см. Таблица 7).
Таблица 7
Основные свойства загрязнителей воздушной среды
|
Наименование компонента-загрязнителя и его химическая формула |
Основные физико-химические и другие свойства |
Основные источники поступления в атмосферу |
ПДК внп средне-сут. , мг/м³ |
ПДК внп макс. раз., мг/м³ |
Класс опас-ности |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Оксид азота (IV) (диоксид азота),NO2 |
Желтовато-бурый газ с характерным запахом, раздражает дыхательные пути. |
Выхлопные газы автотранспорта, продукты сгорания топлива |
0,04 |
0,085 |
2 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Оксид углерода(II) (монооксид углерода, угарный газ), СО |
Бесцветный ядовитый газ без запаха, обладающий кумулятивным эффектом. Время жизни в атмосфере 2-4 месяца |
Выхлопные газы тепловых двигателей (продукты неполного сгорания топлива), выбросы промышленных предприятий |
3,0 |
5,0 |
4 |
|
Углеводороды нефти(нефтепродукты), С5-С11 (пентан С5Н12) |
Бесцветные пары со слабым запахом, обладающие наркотическим эффектом |
Выхлопные газы тепловых двигателей (продукты неполного сгорания), аварийные ситуации (проливы топлива) |
25 (пентан) |
100 (пентан) |
4 |
Таблица 8
Масса выделившихся вредных веществ и количество чистого воздуха для обеспечения санитарно-допустимых условий среды на пр. Красноармейский
|
Вид вредного вещества |
Количество, л |
Масса, г |
Количество воздуха для разбавления, м3 |
Значение ПДК мг/м3 (сред.сут.) |
|
|
СО |
16,273 |
20,341 |
6,78033 |
3,0 |
|
|
Углеводороды |
2,712 |
8,717 |
0,34868 |
25 |
|
|
NO2 |
10,849 |
22,279 |
556,975 |
0,04 |
Таблица 9
Масса выделившихся вредных веществ и количество чистого воздуха для обеспечения санитарно-допустимых условий среды на ул. Молодежная
|
Вид вредного вещества |
Количество, л |
Масса, г |
Количество воздуха для разбавления, м3 |
Значение ПДК мг/м3 (сред.сут.) |
|
СО |
6,728 |
8,410 |
2,80333 |
3,0 |
|
Углеводороды |
1,121 |
3,603 |
0,14412 |
25 |
|
NO2 |
4,486 |
9,212 |
230,30 |
0,04 |
Таблица 10
Масса выделившихся вредных веществ и количество чистого воздуха для обеспечения санитарно-допустимых условий среды на ул. Ядринцева
|
Вид вредного вещества |
Количество, л |
Масса, г |
Количество воздуха для разбавления, м3 |
Значение ПДК мг/м3 (сред.сут.) |
|
СО |
10,994 |
13,742 |
4,58083 |
3,0 |
|
Углеводороды |
1,832 |
5,888 |
0,23552 |
25 |
|
NO2 |
7,330 |
15,052 |
376,3 |
0,04 |
В ходе исследования был рассчитан условный объем воздуха над выделенным участком дороги по формуле:
Vусл.=l*a*h, где
l- длина участка (100м.)
a- ширина проезжей части + ширина 2-х обочин (20 м.+4 м.)
h- высота активной зоны биосферы (2 м.)
Vусл . (пр. Красноармейский)= 100м*24м*2м= 4800 м3
Рассчитали концентрацию вредных веществ на данном участке по формуле:
q= m/Vусл.
q(СО)=20,341/4800=0,0042377 мг/м3
q(С5Н12)=8,717 /4800=0,00181604 мг/м3
q (NO2) = 22,279/4800=0,00464145 мг/м3
Vусл . (ул. Молодежная)= 100м*12м*2м= 2400 м3
Рассчитали концентрацию вредных веществ на данном участке по формуле:
q= m/Vусл.
q(СО)=8,410/2400=0,003504 мг/м3
q(С5Н12)=3,603 /2400=0,001501 мг/м3
q (NO2) = 9,212/2400=0,003838 мг/м3
Vусл . (ул. Ядринцева)= 100м*12м*2м= 2400 м3
Рассчитали концентрацию вредных веществ на данном участке по формуле :
q= m/Vусл.
q(СО)=13,742/2400=0,0035725 мг/м3
q(С5Н12)=5,888 /2400=0,002453 мг/м3
q (NO2) = 15,052/2400=0,006271 мг/м3
Таблица 11
Результаты расчетов концентрации загрязняющих веществ
|
Исследуемый участок |
Вид вредного вещества |
Концентрация в воздухе, q (мг/м3) |
Значение ПДК (мг/м3) |
|
Пр. Красноармейский |
СО |
0,004237 |
3 |
|
С5Н12 |
0,001816 |
25 |
|
|
NO2 |
0,004641 |
0,04 |
|
|
Ул. Молодежная |
СО |
0,003504 |
3 |
|
С5Н12 |
0,001501 |
25 |
|
|
NO2 |
0,003838 |
0,04 |
|
|
Ул. Ядринцева |
СО |
0,003572 |
3 |
|
С5Н12 |
0,002453 |
25 |
|
|
NO2 |
0,006271 |
0,04 |
Результаты исследования показали, что концентрация вредных веществ в воздухе на всех трех участках по сравнению с ПДК мала. Данные показатели не превышают норму (Таблица 12). Но при этом высока интенсивность движения.
На пр. Красноармейском она составляет 1882 машины, что превышает санитарную норму в 9,4 раза; на ул. Ядринцева – 1494 машины, превышение нормы в 7,47 раза; ул. Молодежная – 936машины, превышение – 4,68 раза. По литературным данным норма – не более 200 авт/ч [6].
Таким образом, на всех исследуемых участках поток автомашин превышает в несколько раз санитарные нормы. Концентрация вредных веществ в воздухе на всех трех участках не превышает норм предельно допустимой концентрации.
Выводы:
-
Общее количество машин на исследуемых участках составило: пр. Красноармейский – 1882, ул. Ядринцева – 1494, ул. Молодежная – 936.
-
Общий путь, пройденный автомобилями за 1 час на пр. Красноармейском – 188,2 км, на ул. Ядринцева – 149,4 км, на ул. Молодежная – 92,9 км.
-
Общее количество сожженного топлива за 1 час на пр. Красноармейском – 27,122 л, ул. Ядринцева – 18,324 л, ул. Молодежной – 11,214 л.
-
Концентрация вредных веществ в воздухе на всех трех участках не превышает норм предельно допустимой концентрации.
-
Высока интенсивность движения. На пр. Красноармейском она составляет 1882 машины, что превышает санитарную норму в 9,4 раза; на ул. Ядринцева – 1494 машины, превышение нормы в 7,47 раза; ул. Молодежная – 936 машин, превышение – 4,68 раза. По литературным данным норма – не более 200 авт/ч.
Список литературы:
1. Вершинин, В. Л. Экология города : [учеб пособие] / В. Л. Вершинин. – 2-е изд., испр. и доп. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 88 с.
2. Гавриков, Д.Е. Практика по прикладной экологии и экологическому мониторингу / Д.Е. Гавриков. – Иркутск: Изд-во ГОУ ВПО «Иркут. Гос. пед. ун-т», 2004 – 328 с.
3. Степановских, А.С. Прикладная экология: охрана окружающей среды: Учебник для вузов / А.С. Степановских. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.
4. Федорова А.И., Никольская А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. – 142 с.
5. Экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие. Изд. 3-е, испр. и доп./Под ред. Т.Я. Ашихминой. М.: Академический проект, 2006. – 41 с.