Наукова робота «Оцінка рівня забруднення атмосферного повітря чадним газом на прикладі вулиці Хотинської м. Чернівців»

ЗМІСТ

ВСТУП

Життя на Землі можливе до тих пір, поки існує земна атмосфера, яка захищає живі організми від шкідливого впливу космічних випромінювань і різких коливань температури. Атмосферним повітрям дихають всі аеробні організми. Наприклад, якщо без їжі людина може прожити кілька тижнів, без води - декілька діб, то без повітря - всього чотири-п'ять хвилин. Незважаючи на це, атмосфера піддається величезному антропогенному впливу. Людина псує те, що є для неї життєво необхідним, не думаючи про наслідки.

Розвиток міського транспорту, промисловості та інших видів антропогенного впливу веде до забруднення атмосферного повітря.

Високий рівень забруднення атмосферного повітря пилом, СО, NO₂, формальдегідом практично у всіх містах обумовлений в першу чергу пріоритетним впливом пересувних джерел (34% від загальної кількості викидів [1]). Така величезна роль автотранспорту в забрудненні атмосферного повітря стала головним аргументом у виборі об'єкта дослідження.

Підраховано, що середньорічний пробіг кожного автомобіля 15 тис. км. У середньому за цей час він збіднює атмосферу на 4350 кг кисню і «збагачує» її на 3250 кг вуглекислого газу, 530 кг оксиду карбону, 93 кг вуглецевих сполук і 7 кг окислів нітрогену [2].

Актуальність даної теми обумовлена ​​зростаючою кількістю автомобільного транспорту і вирішенням проблеми його впливу на якість міського повітря і здоров'я населення.

Мета роботи: визначення ступеня забруднення повітря вихлопними газами автомобілів на прикладі чадного газу по вулиці Хотинській м. Чернівці.

Гіпотеза: рівень чадного газу по вулиці Хотинській вищий від граничнодопустимого за рахунок високого потоку автотранспорту.

Завдання:

1.     Вибрати точки досліджень і провести облік автотранспорту.
2.     Розрахувати завантаженість вулиці різними видами автотранспорту та дати оцінку рівню забруднення атмосферного повітря чадним газом (СО).
3.     Оцінити вплив автотранспорту на якість атмосферного повітря на досліджуваній території.

РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

1.1.Транспортно-дорожній комплекс – найпотужніше джерело забруднення атмосферного повітря в Україні

Під забрудненням атмосфери слід розуміти зміну властивостей та погіршення якості середовища в результаті викидів забруднюючих речовин. Автотранспорт є основним джерелом антропогенного забруднення атмосфери - 34% від загальної кількості викидів складають викиди від автотранспорту [1].

Під час роботи автомобільних двигунів внутрішнього згоряння джерелами викидів шкідливих речовин є відпрацьовані та картерні гази, а також випаровування з системи живлення. Серед цих джерел основним є відпрацьовані гази, які мають різноманітний хімічний склад. До відпрацьованих газів входить більше 1000 різних шкідливих речовин, які чинять негативний вплив на людину і довкілля, але тільки 200 з них розпізнано. Основними є оксид вуглецю, вуглеводні, оксиди азоту, альдегіди, сполуки сірки, тверді частинки, канцерогенні речовини [2].

Важко уявити сучасну людину без автомобіля. У розвинутих країнах автомобіль вже давно став найнеобхіднішою побутовою річчю. Рівень так званої «автомобілізації» населення став одним з основних економічних показників розвитку країни і якості життя населення.

За останні роки спостерігається зростання кількості автотранспорту та, як

наслідок цього, – зростання кількості викидів, що робить дослідження динаміки викидів актуальним завданням. Особливо катастрофічна ситуація складається у великих містах (Київ, Донецьк, Дніпропетровськ, Харків).

У 2008 р. згідно статистичних даних загальний обсяг викидів по Україні становив 7210,3 тис. т, у тому числі від стаціонарних джерел – 4524,9 тис. т (62%), від пересувних джерел – 2685,4 тис. т (34%).  Загалом в Україні у 2008 р. обсяг викидів від стаціонарних джерел на одну людину становив 98,3 кг [3]. Викиди автотранспорту у загальній кількості викидів від пересувних джерел становлять 90% (або 2420,3 тис. т). Доля викидів автотранспорту у загальній кількості викидів складає 34% (рис. 1.1).

Рис. 1.1.  Розподіл викидів у атмосферне повітря за джерелами викиді

Динаміка викидів шкідливих речовин і парникових газів в атмосферне повітря України за останні 18 років (із 1990 р.) подана на рис. 1.2. Видно, що викиди від автотранспортних засобів і їх доля у загальній кількості викидів стабільно збільшуються. Цей факт пояснюється тим, що кількість автомобілів щорічно збільшується і станом на 2008 рік складав близько 200 автомобілів на тисячу жителів.

Рис. 1.2. Динаміка викидів шкідливих речовин та парникових газів в атмосферне повітря України

За кількістю шкідливих викидів від автотранспорту найвищі показники мають м. Київ і область, Донецька, Дніпропетровська, Одеська, Харківська області та Автономна Республіка Крим. Порівняльні дані наведені на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Динаміка викидів шкідливих речовин в атмосферне                     повітря за регіонами

Однак абсолютний показник не дає повної картини про рівень забруднення. Для оцінки краще використати приведений показник забруднення – кількість забруднення на одиницю площі. Тоді картина дещо змінюється (рис. 1.4), хоча «лідируючі» позиції все ж належать м. Києву, Донецькій та Дніпропетровській областям.

Структура викидів в атмосферне повітря від автотранспорту має такий вигляд:

- двооксид сірки – 1,1% (30 тис.т),

- двооксид азоту - 11,6% (311,1 тис.т),

- метан - 0,3% (8,6 тис.т),

- оксиду вуглецю - 74,2% (1991,5 тис.т),

- оксиду азоту - 0,09% (2,4 тис.т),

- сажі - 1,2% (33,3 тис.т),

- неметанових летких органічних сполук - 11,5% (308,3 тис. т).

Рис. 1.5.  Викиди шкідливих речовин в атмосферне повітря від пересувних джерел забруднення за регіонами України  у розрахунку  на одиницю площі, т/кв.

Найбільшу кількість викидів від автотранспорту складає оксид вуглецю. Кількість його неможливо порівнювати з кількістю інших сполук, бо рахується вона мільйонами тон. У 2008 році викиди оксиду вуглецю по Україні склали 35,1 млн. т.

Порівняльний аналіз викидів основних шкідливих речовин і оксиду вуглецю в атмосферне повітря від стаціонарних і пересувних джерел показано на рис. 1.5. Викиди від автотранспорту за такими складовими як сажа та оксид вуглецю перевищують викиди від стаціонарних джерел.

Якщо порівнювати кількість викидів від стаціонарних і пересувних джерел (рис. 1.6), то можна бачити, що у більшості областей України викиди від автотранспорту переважають над викидами від стаціонарних джерел. Це дуже небезпечна тенденція, яка потребує подальшого дослідження та розв’язання.

Рис. 1.5. Порівняльний аналіз викидів шкідливих речовин

в атмосферне повітря від стаціонарних та

пересувних джерел (за даними 2008 р.)

Рис. 1.6. Порівняльний аналіз викидів від стаціонарних та пересувних

 джерел за регіонами України

Шкідливі речовини, під час експлуатації автотранспорту, потрапляють у повітря з вихлопними газами, випарами з паливних систем, а також під час заправки автомобіля паливом. На викиди оксидів вуглецю (вуглекислий газ і чадний газ) впливає також рельєф дороги та режим і швидкість руху автомобіля. Наприклад, якщо збільшувати швидкість авто і різко зменшувати її під час гальмування, то у вихлопних газах кількість оксидів вуглецю збільшується у 8 разів. Мінімальна кількість оксидів вуглецю виділяється при рівномірній швидкості автомобіля 60 км/год.

Таким чином, вміст шкідливих речовин у вихлопних газах залежить від ряду умов: режиму руху автотранспорту, рельєфу дороги, технічного стану авто та ін.

Вихлопні гази накопичуються у нижніх шарах атмосфери, тобто шкідливі речовини знаходяться в зоні дихання людини. Тому автомобільний транспорт варто віднести до категорії найнебезпечніших джерел забруднення повітря поблизу автомагістралей.

Забруднення поверхні землі транспортними і дорожніми викидами накопичується поступово, в залежності від кількості автотранспорту, що проїжджає через трасу, дорогу, магістраль і зберігається дуже довго навіть після ліквідації дорожнього полотна (закриття дороги, траси, магістралі або повна ліквідація шляху та асфальтного покриття). Для майбутнього покоління, яке найімовірніше відмовиться від автомобілів у їх сучасному вигляді, транспортне забруднення ґрунтів стане найболючішим і найважчим наслідком минулого. Можливо, що навіть під час ліквідації побудованих нашим поколінням доріг, забруднений не окиснюючими металами та канцерогенами ґрунт доведеться просто прибирати з поверхні.

Різні хімічні елементи, особливо метали, що накопичуються у ґрунтах, засвоюють рослини і через них по харчовому ланцюгу переходять в організм тварин і людини. Частина з них розчиняється і виноситься ґрунтовими водами, потім потрапляє в ріки, водойми і вже через питну воду може потрапити у людський організм.

Найбільш поширеним і найтоксичнішим із транспортних викидів є свинець. Санітарна норма вмісту свинцю у ґрунті – 32 мг/кг.  За даними екологів вміст свинцю на поверхні  ґрунту біля траси Київ-Одеса в Україні наближається до 1000 мг/кг, але в місті, де дуже інтенсивний рух транспорту, цей показник може бути більшим у 5 разів. Більшість рослин легко переносить підвищення вмісту важких металів у ґрунті, лише при вмісті свинцю більше 3000 мг/кг починається пригнічення рослинного світу навколо дороги. Для тварин небезпечним є вміст 150 мг/кг свинцю у їжі [2].

1.2. Якість атмосферного повітря у м. Чернівці

За даними завідуючої кафедри екології та біомоніторингу Інституту біології, хімії та біоресурсів Чернівецького національного університету               ім. Ю. Федьковича, Руденко Світлани Степанівни, транспорт – головний забруднювач атмосфери міста. Половина викидів від автотранспорту області припадає на територію Чернівців [4].

За даними департаменту екології та туризму Чернівецької облдержадміністрації основним джерелом забруднення атмосферного повітря в Чернівецькій області є викиди від пересувних джерел (відпрацьовані гази автотранспорту), викиди яких в 2015 році складають 30,9 тис. тонн і сягають 90,6 % від загальної кількості викидів (табл. 1.1, 1.2) [5].

Таблиця 1.1. Динаміка викидів в атмосферне повітря

Наше місто побудоване таким чином, що у ньому формується низький рівень самоочищення атмосферного повітря, тобто вулиці мало "продуваються", тому й відбувається концентрування шкідливих речовин. Найбільш загазованими є ті вулиці, де будівлі високі і подібні до коридорів, наприклад, на вулицях Головній, І. Франка, Університетській, Шкільній, рух вітру там слабкий, натомість рух транспорту інтенсивний [4].

Таблиця 1.2.  Динаміка викидів в атмосферне повітря

За даними департаменту екології та туризму Чернівецької облдержадміністрації рівень чадного газу в атмосфері не перевищує ГДК (табл. 2.2) [5].

Таблиця 1.3. Вміст основних забруднюючих речовин

в атмосферному повітрі

Вміст основних забруднюючих речовин у атмосферному повітрі наведений у таблиці показує, що перевищення середньорічною концентрацією середньодобової ГДК визначено тільки по “формальдегіду” – 1,3 ГДК. Перевищення максимально разовою концентрацією максимально разової ГДК визначено по “двоокису азоту” (1,1 ГДК), “фенолу” (1,7 ГДК), “фтористому водню” (1,6 ГДК), “хлористому водню” (3,2 ГДК), “формальдегіду” (1,2 ГДК).

Перераховані речовини та ще велика кількість інших елементів присутні у викидах багатьох джерел, наприклад хлористий водень і фтористий водень, формальдегід викидається при виробництві синтетичних барвників та смол на ВАТ “Чернівецький хімічний завод”. Оксиди азоту та вуглецю, а також бензопірен є продуктами неповного згоряння палива автотранспорту [4].

1.3. Вплив оксиду вуглецю на здоров’я та самопочуття людини

Погіршення стану навколишнього середовища, зниження імунітету населення, зростання багатьох інших захворювань — це далеко не повний список наслідків діяльності двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Автором статті [6] зазначено, що рухаючись у середньому зі швидкістю 80–90 км/год , автомобіль перетворює у вуглекислоту стільки ж кисню, скільки 300–350 осіб. Річний вихлоп одного автомобіля — це 800 кг небезпечного оксиду вуглецю, 40 кг оксидів азоту і більше 200 кг різних вуглеводнів. Але також відомо, що допустима концентрація оксиду вуглецю в атмосферному повітрі не повинна перевищувати 1 мг/м³ (5 мг/м³ [2]).

Автотранспорту відповідає приблизно 39 % викидів вуглеводнів в індустріально розвинених країнах. Автомобілі — основне джерело чадного

газу (СО) [6].

Оксид вуглецю (СО) - значна домішка вихлопних газів, яку в побуті називають чадним газом. Вміст СО в природних умовах від 0,01 до 0,2 мг / м³. Основна маса викидів СО утворюється в процесі спалювання органічного палива, перш за все в двигунах внутрішнього згоряння. ПДК м. р. 5,0 мг/м³. Найбільш висока концентрація СО спостерігається на вулицях і площах міст з інтенсивним рухом, особливо у перехресть. Висока концентрація СО в повітрі призводить до фізіологічних змін в організмі людини, а концентрація більше 750 мг/м³ - до смерті.

СО - виключно агресивний газ, що легко з'єднується з гемоглобіном крові, утворюючи карбоксигемоглобін. Час перебування СО в атмосфері становить 2-4 місяці [7] (додаток, рис. ).

2. МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
   1.           Завантаженість вулиці різними видами автотранспорту

Відбір матеріалу по завантаженості вулиць автотранспортом проводили на трьох точках вздовж вулиці Хотинської  (рис. 2.1.) впродовж 5 днів із замірами о 8, 13 і 18 годині.

Рис.2.1. Карта розміщення точок для замірів                                             вздовж вулиці Хотинської

Інтенсивність руху автотранспорту визначали методом підрахунку автомобілів різних типів 3 рази по 20 хв. (табл. 2.1). Підрахунок проводили методом позначень.

Таблиця 2.1. Таблиця для підрахунку автомобілів

На кожній точці спостережень проводили оцінку вулиці:

• Тип вулиці;
• Швидкість вітру;
• Відносна вологість повітря [2].

Дані щодо вологості повітря та швидкості вітру брали на сайті http://rp5.ua в розділі «Погода в Чернівцях (аеропорт)».

2.           Визначення рівня забруднення атмосферного повітря                     чадним газом (СО) розрахунковим методом

Ця частина роботи полягала у визначенні забруднення атмосферного повітря відпрацьованими газами автотранспорту за результатами  попередньої частини роботи.

Розрахунки проводились за таким алгоритмом:

• Спочатку накреслили декілька таблиць: 1) сумарну таблицю кількості різного виду автотранспорту по кожній із трьох точок; 2) таблицю вологості повітря  та швидкості вітру для кожного дня і виміру;
• Виходячи із даних, одержаних у першій таблиці, визначили склад автотранспорту в частках одиниць;
• Розрахували концентрацію СО за формулою Бегма (1984), модифікованою Шаповаловим (1990):

К_СО = (0,5 +0,01 × N × K_т)× K_а × К_у ×  К_с ×  К_в × К_п,

де 0,5 – фонове забруднення атмосферного повітря нетранспортного походження, мг/м³

N – сумарна інтенсивність руху автомобілів на міській дорозі, автомобілів, годину,

K_т – коефіцієнт токсичності автомобілів за викидами в атмосферне повітря оксидів карбону,

K_а – коефіцієнт, що враховує аерацію місцевості (за табл. 2.3),

К_у – коефіцієнт, що враховує зміни забруднення атмосферного повітря оксидом карбону в залежності від величини поздовжнього нахилу (за табл. 2.4),

К_с – коефіцієнт, що враховує зміни концентрації окису карбону в залежності від швидкості вітру (за табл. 2.5),

К_в – те ж у залежності від відносної вологості повітря (за табл. 2.6), К_п – коефіцієнт збільшення забруднення атмосферного повітря оксидом карбону біля перехресть (за табл. 2.7).

Коефіцієнт токсичності автомобілів K_т  визначали як середній для потоку автомобілів за формулою:

K_т = Ʃ Р_і К_ті,

де Р_і – склад автотранспорту в частках одиниці,

К_ті – визначали за таблицею [2]:

Таблиця 2.2. Коефіцієнт токсичності автомобілів

Таблиця 2.3. Коефіцієнт за ступенем аерації місцевості

Таблиця 2.7. Коефіцієнт збільшення забруднення атмосферного повітря оксидом карбону біля перехресть

3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

1.           Характеристика вулиці Хотинської

Вулиця Хотинська є частиною автошляху М19 - автомобільний шлях міжнародного значення на території України, довжиною 512 км, пролягає від переходу Доманове (Волинська область) до автомобільного прикордонного переходу Порубне (Чернівецька область). На території України є частиною Європейського автомобільного маршруту E85 [8].

Загальна протяжність вулиці – 4 км (відміряна, користуючись картою Google).

На цій вулиці знаходяться два освітніх заклади – Чернівецька загальноосвітня школа №19 (вул. Хотинська, 23) та школа №31 (вул. Дібровецька, 5А).

Фото 1. Підрахунок автомобільного потоку на точці №2

2.           Завантаженість вулиці Хотинської різними                                 видами автотранспорту

«Пункти»  підрахунку  потоку автомобілів по вулиці Хотинській розмістили в трьох точках ( див. рис. 2.1):

Точка №1 – кінець вулиці Хотинської, поблизу будинку №62;

Точка №2 – частина вулиці, де знаходиться дорожнє кільце, що з’єднує вулицю Хотинську із вулицею Калинівською;

Точка №3 – кінець вулиці Хотинської, через яку йде сполучення із центральною частиною міста.

За результатами наших спостережень, які  проводили з 24.10 по 30.10 цього року, отримали наступні результати (табл. 3.1.):

1. Середня завантаженість вулиці Хотинської складає 21,7 тис. автомобілів за добу (рис. 3.1), з них на Точці №1 зафіксовано 18,5 тис. авто/добу, на Точці №2 – 21,8 тис. авто/добу, на Точці №3 – 24,8 тис. авто/добу. При цьому згідно з ГОСТ – 17.2.2.03-77 завантаженість вулиці автотранспортом градуюється наступним чином:

2,7 – 3,6 тис. авто/добу – низька інтенсивність руху;

8 – 17 тис. авто/добу – середня інтенсивність руху;

18 – 27 тис. авто/добу – висока інтенсивність руху [2].

Таким чином, ми бачимо, що інтенсивність руху автомобілів по вулиці Хотинській є високою. Завантаженість вулиці Хотинської автотранспортом, як бачимо із таблиці 3.1 не залежить від часу доби та режиму роботи ринку «Калинівський», як ми думали на початку роботи. Максимальний потік транспорту фіксувався нами як в ранішні, обідні так і у вечірні часи. Найвищий потік машин все ж спостерігали в Точці №3 (початок вулиці Хотинської).

Таблиця 3.1. Автомобільний потік по  вулиці Хотинській

Рис. 3.1. Завантаженість вулиці Хотинської

2.     Сумуючи інтенсивність потоку автомобілів різної категорії (рис. 3.2) ми бачимо, що близько половини усього транспорту, який рухається по досліджуваній вулиці припадає на легкові автомобілі (рис. 3.3).

Рис. 3.2. Потік автомобілів різної категорії на

різних точках по вул. Хотинській

Рис. 3.3. Завантаженість вул. Хотинської різними                               типами автомобілів

3.           Розрахунок рівня чадного газу (СО) по вулиці Хотинській

Користуючись  даними сайту http://rp5.ua  картина вологості повітря та швидкості вітру у досліджуваний період була наступною:

Таблиця 3.2. Показники гідрометеоцентру

Користуючись формулою Бегма-Шаповалова отримали наступні результати:

Таблиця 3.3. Рівень чадного газу (СО) по вул. Хотинській

Рис. 3.4. Рівень чадного газу (СО) на різних точках по вул. Хотинській

Фото2. Підрахунок отриманих результатів

4. ЗАХОДИ ЩОДО ЗНИЖЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ                       ЧАДНОГО ГАЗУ (СО) В ПОВІТРІ

На сьогодні основними заходами щодо зниження шкідливого впливу автотранспорту на атмосферне повітря є:

• перехід автомобілів на газове паливо;
• заміна карбюраторних вантажних автомобілів дизельними [2];
• використання альтернативних видів палива, наприклад скрапленого нафтового газу, природного газу, етанолу, метанолу і метану;
• використання присадок для покращення технологічних та екологічних характеристик палива;
• раціональна організація перевезень та руху;
• вдосконалення доріг;
• більш детальний вибір парку рухомого складу і його структури;
• оптимальна маршрутизація автомобільних перевезень;
• організація і регулювання дорожнього руху, обмеження інтенсивності руху до 300 авто/год. [2];
• раціональне керування автомобілем;
• удосконалення двигунів внутрішнього згорання та постійна їх підтримка у справному технічному стані [7];
• установка фільтрів [2].

ВИСНОВКИ

Рівень забруднення повітря чадним газом в Україні, в тому числі і в нашій області та місті в основному залежить від викидів автотранспорту. За даними департаменту екології та туризму Чернівецької облдержадміністрації рівень викидів чадного газу в атмосферу з кожним роком знижується та в 2015 році склав 22,3 мг/м³, рівень концентрації СО в атмосфері не перевищував норми.

За результатами наших спостережень ми отримали наступні результати:

1. Середня завантаженість вулиці Хотинської автотранспортом складає 21,7 тис. автомобілів за добу, що знаходиться в межах верхньої границі норми. Рух автотранспорту вважається високим.
2. Близько половини усього транспорту, який рухається по досліджуваній вулиці припадає на легкові автомобілі.
3. Середня кількість викидів чадного газу в атмосферу по вулиці Хотинській складає 30,9 мг/м^3, що у шість разів перевищує гранично допустимий рівень, при цьому найвище значення бачимо в Точці №3.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Васькін Р.А., Васькіна І.В. Аналіз динаміки забруднення атмосферного повітря України викидами автотранспорту. Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського . Випуск 5/2009 (58). Частина 1.
2. Руденко С.С, Костишин С.С., Морозова Т.В.Загальна екологія. Практичний курс: Навчальний посібник У 2 ч. Частина 1. Урбоекосистеми. – Чернівці: Книги – ХХІ, 2008. – 342 с.
3. О.М. Яворська, О.В. Іконніков. Статистичний аналіз якості атмосферного повітря в Україні// Науковий вісник НЛТУ України. – 2010. − Вип. 20.9
4. Повітря забруднюють не лише викиди автомобілів, а навіть... їхні зношені шини // Молодий буковинець. Електронний доступ - https://molbuk.ua/chernovtsy_news - 2007 р.
5. Чернівецька обласна державна адміністрація. Департамент екології та туризму. Регіональна доповідь про стан навколишнього середовища в Чернівецькій області у 2015 році.
6. Трофімов І. Л. ЗНИЖЕННЯ ШКІДЛИВОГО ВПЛИВУ ВИКИДІВ МОТОРНОГО ТРАНСПОРТУ НА СТАН АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ //  Наукоємні технології, 2014. № 3 (23).
7. С.Ю. Огородникова. Атмосферный воздух: учебно-методическое пособие. – Киров: ООО «Типография «Старая Вятка», 2012. – 95 с.: ил. – (Серия тематических сборников и DVD-дисков «Экологическая мозаика». Сборник 2).
8. https://uk.wikipedia.org - Автошлях М 19.
9. Германова Т.В., Керножитская А.Ф. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРОДА АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ НА ПРИМЕРЕ ТЮМЕНИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 10-1. – С. 12-15. Електронний доступ : https://www.fundamental-research.ru.