Геоэкологическая модель прогнозирования техногенного загрязнения почв в зоне воздействия дорожно-транспортного комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат наук Кондауров Роман Анатольевич

• Кондауров Роман Анатольевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Кондауров Роман Анатольевич

Введение.................................................................................... 5

Глава 1 Природно - техногенный комплекс «Автомобильная дорога -территория техногенного воздействия»: структура, особенности, причины, источники и последствия загрязнения тяжёлыми

металлами.................................................................... 15

1.1 Структура и особенности природно - техногенного комплекса

«Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» 15

1.2 Источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма че-

ловека.........................................................................

1.3 Особенности миграции тяжёлых металлов в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия»................................................................... 25

1.4 Теоретические основы геоэкологического прогнозирования...... 34

1.5 Региональные исследования по проблемам оценки и прогнозирования загрязнения тяжёлыми металлами почв территории

воздействия дорожно - транспортного комплекса....................... 38

Выводы по главе 1............................................................................ 42

Глава 2 Теоретические основы прогнозирования загрязнения почв тяжёлыми металлами территории воздействия дорожно - транспортного комплекса......................................................................... 44

2.1 Общая схема организации исследования....................................... 44

2.2 Теоретические основы и обоснование применения балансовой модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса.................................. 46

2.3 Прогнозирование геоэкологических характеристик автотранспортного потока............................................................... 48

2.4 Геоэкологическое моделирование поступления свинца на поверхность почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса......................................................................... 63

2.5 Геоэкологическое моделирование выноса тяжёлых металлов из почв территории воздействия дорожно - транспортного

комплекса....................................................................

Выводы по главе 2............................................................................ 79

Глава 3 Экспериментальные исследования загрязнения тяжёлыми металлами почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса.............................................................

3.1 Методы проведения экспериментальных исследований.............. 80

3.2 Физико - географические условия территории воздействия дорожно - транспортного комплекса и характеристики источников загрязнения............................................................................ 91

3.3 Результаты статистического анализа экспериментальных исследований и выявление геохимических ассоциаций.................. 95

3.4 Верификация расчетных и экспериментальных данных.............. 113

Выводы по главе 3............................................................................ 117

Глава 4 Расчётно - приборный геоэкологический мониторинг загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса....................................................................

4.1 Методика расчётного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса... 118

4.2 Методика расчёта фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах территории воздействия строящихся автомобильных дорог 124

4.3 Геоэкологическая оценка загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса и результаты

эколого - гигиенической оценки исследуемых почв.................... 126

4.4 Оценка эколого - экономической эффективности расчётного геоэкологического мониторинга состояния почв территории

воздействия дорожно - транспортного комплекса..............................................134

Выводы по главе 4........................................................................................................................................................148

Заключение..............................................................................................................................................................................................................150

Список литературы..................................................................................................................................................................................153

Приложение 1..........................................................................................................................................171

Приложение 2............................................................................ 173

Приложение 3............................................................................... 174

Приложение 4............................................................................... 175

Приложение 5.............................................................................. 176

Приложение 6............................................................................ 177

Приложение 7.......................................................................... 178

Приложение 8.......................................................................... 179

Приложение 9........................................................................... 180

Приложение 10.......................................................................... 181

Приложение 11........................................................................... 182

Приложение 12............................................................................................................................................183

Приложение 13............................................................................................................................................184

Приложение 14............................................................................................................................................185

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоэкологическая модель прогнозирования техногенного загрязнения почв в зоне воздействия дорожно-транспортного комплекса»

Введение

Актуальность проблемы. Непрерывный рост автомобилизации, строительства и эксплуатации автомобильных дорог приводит к загрязнению тяжёлыми металлами почв территорий воздействия дорожно - транспортного комплекса. В связи с этим возникает вопрос прогнозирования данного вида загрязнения. Актуальность прогнозирования загрязнения придорожных почв связана с тем, что тяжёлые металлы способны перемещаться по экологическим системам и пищевым цепям и оказывать негативное влияние на среду обитания и человека [1, 50, 119]. Причем почвы, являясь депонирующей средой загрязняющих веществ, могут служить вторичным источником загрязнения других сред, представляя угрозу для биоты.

Теоретические основы данной проблемы в целом достаточно хорошо изучены [3, 59, 98, 116, 117, 155]. В то же время в современной науке и инженерной практике отсутствуют теоретически и экспериментально обоснованные прогнозные модели формирования техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами, основанные на количественных расчетах и учитывающие особенности природно -техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» для длительных сроков загрязнения. Это и определяет актуальность настоящих исследований.

В данной работе обосновывается научно - методический подход к созданию геоэкологической модели прогнозирования техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами в зоне воздействия дорожно - транспортного комплекса, основанной на балансовых расчётах. Модель учитывает особенности образования, поступления, переноса, диффузии и аккумуляции тяжёлых металлов в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» и может быть использована в системе расчётного геоэкологического мониторинга почв территорий воздействия дорожно - транспортного комплекса.

Использование предлагаемой прогнозной модели при разработке проектов строительства и реконструкций автомобильных дорог общего пользования позволит более точно обосновывать природоохранные мероприятия и проектные реше-

ния, снижать негативное экологическое воздействие на окружающую среду и человека, а также предложить и обосновать геометрические параметры территории воздействия на почвы в зоне влияния проектируемых и реконструируемых автомобильных дорог общего пользования, повысить качество инженерно - экологических изысканий и обеспечить требуемую точность оценки воздействия на окружающую среду при проектировании строящихся и реконструкции существующих автомобильных дорог общего пользования.

Цели и задачи исследования. Цель исследования - разработка геоэкологической модели прогнозирования техногенного загрязнения почв в зоне воздействия дорожно - транспортного комплекса на основе балансовых расчётов. Для анализа особенностей аккумуляции тяжёлых металлов в почве зоны воздействия дорожно -транспортного комплекса и апробации прогнозной модели выбраны участки автомобильной дороги М - 4 «Дон» (с км 528+000 по км 529+000 и с км 587+000 по 588+000), расположенные в зоне типичной лесостепи на территории Воронежской области.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи.

1. Проанализированы современные подходы к прогнозированию загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса.

2. Проведены экспериментальные исследования по изучению закономерностей аккумуляции тяжёлых металлов /свинец (РЬ), медь (Си), кадмий (Cd), никель (М) и цинк ^п)/ в почвах придорожных полос.

3. Установлены закономерности накопления тяжёлых металлов в изучаемых почвах территории влияния типичных участков автомобильной дороги М - 4 «Дон».

4. Разработана геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, М и 7п) на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки и физико - географических условий загрязнения.

5. Модернизирован процесс прогнозирования техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами (Си, Cd, № и 7п) в зоне воздействия дорожно - транспортного комплекса посредствам обоснования индикационной роли свинца в формировании геохимических ассоциаций в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.

6. Разработана программа расчётно - приборного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса для оценки влияния автомобильных дорог на экологическое состояние почвенного покрова.

1. Разработана и апробирована методика оценки состояния почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса на основе применения балансовых расчетов и её реализации при разработке комплекса природоохранных мероприятий (на примере типичных участков /км 528+000 - 529+000, км 581+000 -588+000/ автомобильной дороги М - 4 «Дон»).

Объектом исследования являются почвы территории воздействия дорожно -транспортного комплекса.

Предметом исследования выступает анализ условий аккумуляции тяжелых металлов и прогнозирование загрязнения почв свинцом, медью, кадмием, никелем и цинком на территориях воздействия дорожно - транспортного комплекса.

Методология и методы исследования. Методы исследования включали полевые геохимические и лизиметрические исследования, исследование геоэкологических характеристик автотранспортного потока, химико - аналитические лабораторные анализы, модельные вероятностно - статистические и балансовые расчеты с применением ПЭВМ и картографической интерпретацией.

При проведении химико - аналитических анализов и статистической обработки данных использовалась действующая нормативно - техническая документация, аттестованные методики лабораторных измерений, лицензированные программные комплексы - «Прогнозирование интенсивности движения на автомобильных дорогах», Microsoft Excel, STATISTICA, SPSS, STADIA.

Фактический материал. Исходными материалами при решении поставленных задач явились результаты полевых работ (отбор объектов анализов и подсчёт интенсивности автотранспортного движения), аналитических исследований, анализа фондовых материалов, статистической обработки аналитических исследований, полученные лично автором в период с 2004 по 2014 г., а также материалы исследований Воронежского филиала «ВоронежГипродорНИИ» ОАО «Гипродор-

НИИ». Общее число обработанных результатов анализов, выполненных в аккредитованных лабораториях, составляет 10380 проб почвенных образцов, 1728 проб лизиметрических вод и 1512 проб воды снежной массы.

Достоверность научных результатов. Достоверность научных положений и выводов обеспечена применением классических положений теоретического анализа, теоретически обоснованных методов исследований, обстоятельной аргументацией принятых допущений и ограничений при разработке геоэкологической модели, корректным построением геоэкологической модели и метода работы с ней, применением современных методов экспериментальных исследований, экспериментальной проверкой результатов исследований в полевых условиях, большим объёмом репрезентативных экспериментальных данных за многолетний период, полученных в аккредитованных лабораториях, а также широкой апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, учитывающая особенности образования, поступления, переноса, диффузии и аккумуляции тяжёлых металлов (РЬ, Си, Cd, № и 7п) в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия», адаптированная к условиям интенсивного техногенного загрязнения придорожной полосы, отличающаяся возможностью интеграции в процесс проектирования автомобильных дорог.

2. Модернизирован способ оптимизации прогнозирования техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) в зоне воздействия дорожно-транспортного комплекса на основе обоснования индикационной роли свинца в формировании геохимических ассоциаций придорожной полосы в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.

3. Установлены закономерности накопления тяжёлых металлов в изучаемых почвах территории влияния типичных участков автомобильной дороги М - 4 «Дон».

4. Разработана программа расчётно - приборного геоэкологического мониторинга почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, позволяющая оптимизировать оценку воздействия на окружающую среду при проектировании строящихся и реконструкции существующих автомобильных дорог общего пользования. Данная программа учитывает особенности природно - техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия».

5. Апробирована методика применения балансовых расчётов (балансовой модели) для прогнозирования геоэкологического состояния почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, отличающаяся относительной простотой сбора исходных данных и вычислений, эффективность которой подтверждена при проектировании автомобильных дорог общего пользования.

Теоретическая значимость исследования заключается в обосновании возможности применения балансового подхода (балансовых расчётов) для целей прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования строящихся и реконструкции существующих автомобильных дорог общего пользования).

Предложенные научно - методические основы моделирования и прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования строящихся и реконструкции существующих автомобильных дорог общего пользования) развивают теорию и практику геоэкологии в части совершенствования оценки воздействия на окружающую среду и прогнозирования техногенной нагрузки при проектировании и реконструкции линейных инженерных сооружений с негативным воздействием на среду обитания.

Практическая значимость работы заключается в возможности более объективного и эффективного обоснования комплекса природоохранных мероприятий, и проектных решений, а также снижения негативного экологического воздействия

на окружающую среду и человека при разработке проектов строительства и реконструкции автомобильных дорог. Применение разработанных моделей и методик позволит оптимизировать расчётный геоэкологический мониторинг почв территории воздействия автомобильных дорог, уточнить оценки экологических рисков при проектировании и реконструкции автомобильных дорог общего пользования.

Внедрение в практику разработанной модели полностью согласуется с требованиями, закреплёнными в следующих нормативных документах: Земельный кодекс Российской Федерации от 25.10.2001 № 136 - ФЗ (ред. от 30.12.2015) (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.01.2016); Федеральный закон от 10.01.2002 №2 7 - ФЗ (ред. от 29.12.2015) «Об охране окружающей среды»; Федеральный закон от 30.03.1999 № 52-ФЗ (в ред. от 28.11.2015) «О санитарно - эпидемиологическом благополучии населения»; ГОСТ 32836-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Изыскания автомобильных дорог. Общие требования»; ГОСТ 32847 - 2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Требования к проведению экологических изысканий»; СП 11 - 102 - 97 «Инженерно - экологические изыскания для строительства»; СП 47.13330.2012 «Инженерные изыскания для строительства. Основные положения»; Положение об оценке воздействия намечаемой хозяйственной и иной деятельности на окружающую среду в Российской Федерации от 16.05.2000.

Эффективность исследований подтверждена актами внедрения результатов исследований в практическую деятельность областных административных ведомств и проектно - изыскательских организаций (Федеральное бюджетное учреждение здравоохранения «Центр гигиены и эпидемиологии в Воронежской области», ООО «ПроектИнжиниринг»).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры строительства и эксплуатация автомобильных дорог ФГБОУ ВО «Воронежский государственный архитектурно - строительный университет» при подготовке бакалавров по направлениям «270800 - Автомобильные дороги», «270205 - Автомобильные дороги и аэропорты» и на факультете географии, геоэкологии и туризма ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет»

при подготовке бакалавров и магистров по направлению «05.03.06, 05.04.06 -Экология и природопользование».

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертации разработана, обоснована и проверена на адекватность геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) на основе балансовых расчётов в условиях изменяющейся техногенной нагрузки (на примере проектирования и реконструкции автомобильных дорог общего пользования), что соответствует паспорту специальности «25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)». В соответствии с целью, задачами и полученными научными результатами диссертация соответствует следующим пунктам области исследования: 1.11. Геоэкологические аспекты функционирования природно - технических систем. Оптимизация взаимодействия (коэволюция) природной и техногенной подсистем; 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение экологической безопасности, средства контроля;

1.13. Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, превентивные мероприятия по снижению последствий катастрофических процессов, инженерная защита территорий, зданий и сооружений;

1.14. Моделирование геоэкологических процессов.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на международной научно - практической конференции «Географические проблемы сбалансированного развития староосвоенных регионов» (Брянск, 2007), на 9 - м Международном симпозиуме молодых учёных, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва, 2009), на XV Международной научно - практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (МК - 46 - 15) (Пенза, 2015), на IX Молодёжной международной научно - практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Шаг в будущее: теоретические и прикладные исследования современной науки» (Санкт - Петербург, 2015), на Первой международной научно - практической конференции «Муниципальные образования современных

регионов: проблемы исследования, развития и управления в условиях геоэкономической и политической нестабильности» (Воронеж, 2016).

Личный вклад. Автору принадлежит постановка научной проблемы и обоснование методических подходов, модельных расчетов; личное участие в сборе, обработке и анализе экспериментальных данных; разработка и проверка адекватности реальным условиям эксплуатации автомобильных дорог разработанной прогнозной модели, а также практическая реализация результатов диссертационной работы.

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 5 статей опубликованы в ведущих рецензируемых журналах перечня ВАК РФ.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Геоэкологическая модель прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами (РЬ, Си, С^ № и 7п).

2. Модернизация способа оптимизации прогнозирования техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) в зоне воздействия дорожно -транспортного комплекса в условиях изменяющейся техногенной нагрузки.

3. Закономерности аккумуляции и формирования геохимических ассоциаций тяжёлых металлов в почвенном покрове придорожной полосы (на примере типичных участков автомобильной дороги М - 4 «Дон»).

4. Методика геоэкологической оценки состояния почв и программа расчётно-приборного геоэкологического мониторинга загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса.

Структура, содержание и объём диссертации.

В первой главе раскрыта структура и описаны особенности природно - техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия», установлены источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма человека, раскрыты особенности миграции тяжёлыми металлами в природно - техногенном комплексе

«Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия», описаны теоретические основы геоэкологического прогнозирования, осуществлён обзор литературы, посвящённой вопросам геоэкологической оценки и прогнозирования загрязнения почв территорий воздействия дорожно - транспортного комплекса тяжёлыми металлами.

Вторая глава посвящена разработке геоэкологической модели прогнозирования загрязнения почв тяжёлыми металлами (РЬ, Си, Cd, № и 7п) для оценки воздействия на окружающую среду при разработке проектов строительства и реконструкций автомобильных дорог общего пользования. Созданная геоэкологическая модель основана на системном применении закона сохранения вещества и энергии, модифицированной модели водного баланса на поверхности почв, анализе особенностей миграции тяжёлых металлов в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия», гипотезе о перемещении тяжёлых металлов по почвенному слою с гравитационными водами под действием разности давления и о наличии устойчивых связей между тяжёлыми металлами в почвах территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, а также прогнозировании геоэкологически значимых характеристик автотранспортного потока.

Третья глава посвящена геоэкологическому обоснованию индикационной роли свинца при прогнозировании техногенного загрязнения придорожной полосы и проверке адекватности разработанной геоэкологической модели реальным условиям посредством осуществления геоэкологического мониторинга почв стационарных участков, верификации экспериментальных и расчётных данных, а также осуществлении статистических анализов (корреляционного, кластерного и факторного в форме метода главных компонент) для установления особенности аккумуляции тяжёлых металлов в изучаемых почвах.

Четвертая глава посвящена научно - прикладным аспектам применения разработанных методических подходов к прогнозированию загрязнения почв тяжелыми металлами в близи источников линейных инженерных сооружений, в том

числе обоснованию расчетного геоэкологического мониторинга территории интенсивного воздействия автотранспорта на среду обитания. Проведена оценка эколого - экономической эффективности предлагаемых практических мероприятий.

В Заключении сформулированы основные выводы исследования, а в Приложениях даны справочные и дополнительные информационно - аналитические материалы по теме диссертации.

Автор выражает искреннюю благодарность за методическую помощь при выполнении работы д. г. н, профессору С. А. Куролапу и д. ф - м. н., профессору О. В. Базарскому и д. ф - м. н., профессору А. Н. Ларионову.

Глава 1 Природно - техногенный комплекс «Автомобильная дорога -территория техногенного воздействия»: структура, особенности, причины, источники и последствия загрязнения тяжёлыми металлами

1.1 Структура и особенности природно - техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия»

Автомобильная дорога и образующаяся территория техногенного воздействия с точки зрения системного подхода могут быть представлены как природно -техногенный комплекс, который в свою очередь является результатом взаимодействия технической подсистемы (техноценоза) «автомобильная дорога» и природной подсистемы - окружающая природная среда территории техногенного воздействия (рисунок 1.1). Данный комплекс относится к объектам образовавшимся в результате целенаправленной хозяйственной деятельности человека.

В соответствии с терминологией Б. И. Кудрина, под техноценозом будем понимать ограниченное в пространстве и времени любое выделенное единство, включающее сообщество изделий [77]. В состав техноценоза «автомобильная дорога» входит две системы: «транспортный поток» и «дорожные сооружения».

Транспортный поток - система, состоящая из средств передвижения, имеющих определённые геометрические размеры, физико - технические характеристики и тип двигателя [11]. Наиболее важными геоэкологическими характеристиками транспортного потока являются: объём и токсичность веществ, выделяемые при работе двигателя; трение колёс о дорожную одежду; интенсивность и состав движения.

Дорожные сооружения - система, состоящая из конструкций (насыпь, выемка, дорожная одежда, дорожный водоотвод и дренаж, водопропускные трубы, мосты, путепроводы и т. д.), обеспечивающих движение транспортного потока [11]. Природный подкомплекс представлен биоценозами и экотопами, которые территориально располагаются в пределах техногенного воздействия дорожно -транспортного комплекса.

Окружающая природная среда

Факторы окружающей природной среды

¥

Природно-техногенный комплекс

Биоценоз

Фитоценоз

Зооценоз (коне у менты)

М икро би оц е ноз (редуценты)

Природный подкомплекс

Экотоп

Приземный слой атмосферного воздуха

Почва

Поверхностные воды

Материнские породы

Подземные воды

Донные отложения

Техногенный подкомплекс (техноценоз) Дорожные сооружения

Транспортный поток

Рисунок 1.1 - Структура природно - техногенного комплекса «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия»

Зона техногенного воздействия - территория, в пределах которой возможно достоверно установить в процессе геоэкологических исследований негативное влияние автомобильной дороги (дорожно - транспортного комплекса) на объекты природного подкомплекса.

Как и все природно - техногенные комплексы, комплекс «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» обладает рядом особенностей, выраженных в наличии взаимодействия подсистем, которые проявляются в интенсивном массоэнергопереносе.

В природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» транспортный поток и дорожное сооружение выступают как источники загрязнения, а средами, которые переносят загрязняющие вещества, являются приземный слой атмосферного воздуха, поверхностные и подземные воды, представители зооценоза.

1.2 Источники образования, причины и последствия загрязнения тяжёлыми металлами придорожных экосистем и организма человека

Источниками образования тяжёлых металлов в функционирующем техногенном подкомплексе «Автомобильная дорога» являются отработанные газы и продукты истирания поверхностей деталей автотранспортных средств (автопокрышек, тормозных колодок, подшипников, вкладышей, кузовов, цилиндров двигателей и т. д.) и дорожной одежды.

Причинами загрязнения тяжёлыми металлами почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса являются процессы истирания поверхностей деталей автотранспортных средств и дорожной одежды при функционировании автомобильной дороги, а также внесение соединений свинца в бензин.

При истирании поверхностей образуются следующие тяжёлые металлы - РЬ, Cd, Си, 7п, Со, Fe, Мп, №, Т и Сг [43, 82, 83, 98, 165, 167], при использовании горюче

- смазочных и нейтрализующих веществ - РЬ, Си, 7п, №, Cd и Сг [34, 82, 83, 98].

Для увеличения октанового числа, с целью повышения антидетонационной стойкости топлива и предотвращения образования при сгорании отложений оксидов свинца на поверхностях деталей камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, в бензин добавляют тетраэтилсвинец (ТЭС) [РЬ(С2Н5)4] с «выносителями» -хлористыми или бромистыми соединениями, которые при детонации быстро разлагаются с образованием мелких коллоидных частиц свинца, легко окисляющихся на воздухе и относящихся к нерастворимым дисперсным частицам с размером от 1 до 4 мкм. При этом гранулометрическими анализами установлено, что 75 - 80 % массы свинца содержится в частицах диаметром менее 5 мкм в виде аэрозольных взвесей [18, 80].

Детонационная стойкость бензина повышается с целью достижения условий нормального горения без сопровождения процессов взрывного характера - детонации. От детонационной стойкости зависит степень сжатия топливовоздушной смеси в цилиндрах, мощность двигателя и удельный расход топлива. Явление детонации связано с накоплением в объёме горения активных частиц - преимущественно перекисей [137].

В Российской Федерации концентрация свинца в марках бензина регламентируется следующими нормативными документами: ГОСТ 2084 - 77, ГОСТ Р 51866 -2002, ГОСТ Р 51105 - 97, ТУ 38.001165 - 97, ТУ 38.401 - 58 - 86 - 94, ТУ 38.401 - 58 - 122 - 95 и ТУ 38.401 - 58 - 127 - 95 [26, 32, 33]. В соответствии с этими действующими нормативными документами в таблице 1.1 приведены концентрации свинца по видам марок бензина.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кондауров Роман Анатольевич, 2017 год

Источники

информации

Методы исследования

;шшштшшшЩ

Почвы территории воздействия дорожно-транспортного комплекса / автомобильная дорога М - 4 «Дон» на территории Воронежской области/.

Анализ закономерностей аккумуляции тяжелых металлов и прогнозирование загрязнения почв свинцом, медью, кадмием, никелем и цинком на территориях воздействия дорожно-транспортного комплекса

ш

шшшшшшшшшшшшшшшшшшшшШ.

шш

1) Собственные эколого-аналитические (почвенно-геохимиче-ские) и лизиметрические исследования, в том числе учёт геоэкологических характеристик автотранспортного потока;

2) Фондовые данные Воронежского филиала «ВоронежГипродорНИИ ОАО «ГИПРОДОРНИИ» по накоплению тяжелых металлов в депонирующих средах в пределах территории влияния автомобильной дороги М - 4 «Дон» и по учёту геоэкологических характеристик автотранспортного потока в ретроспективе за 1999-2005 гг.

1) балансовые расчеты;

2) лабораторно - инструментальные почвенно-геохимические и лизиметрические исследования;

3) визуальный учёт геоэкологических характеристик автотранспортного потока.

4) вероятностно - статистический анализ и моделирование (корреляционный, кластерный, факторный).

Рисунок 2.1 - Общая схема организации исследования

Основные этапы исследования, осуществленные в работе, а также их содержание представлены на рисунке 2.2.

шр

1. Информационно - статистический

1) формирование банка данных загрязнения депонирующих сред за 1999 - 2014 г. /около 10380 проб почв, около 1728 проб лизиметрических вод и около 1512 проб воды снежных масс/;

2) обоснование алгоритмов создания балансовой модели загрязнения почв.

2. Аналитический

1) разработка и апробация балансовой модели техногенного загрязнения почв в зоне воздействия дорожно - транспортного комплекса;

2) экспериментальные исследования и статистическое обоснование закономерностей формирования геохимических ассоциаций тяжелых металлов в зоне воздействия дорожно - транспортного комплекса;

3) обоснование расчёта фоновых концентраций тяжёлых металлов в почвах территории воздействия строящихся автомобильных дороги.

3. Прогнозно - рекомендательный

Совершенствование принципов и разработка рекомендаций по организации расчетно - приборного геоэкологического мониторинга с верификацией прогнозной модели и оценкой её эколого - экономической эффективности.

Шштшшштштшт

Рисунок 2.2 - Основные этапы и краткое содержание исследований

Сочетание расчетных и экспериментальных методик позволило осуществить верификацию полученных данных, обосновать закономерности формирования геохимических ассоциаций тяжелых металлов и сформулировать принципы расчетно-приборного геоэкологического мониторинга загрязнения почв придорожной полосы в условиях интенсивного автотранспортного потока.

2.2 Теоретические основы и обоснование применения балансовой модели прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса

Применение модели прогнозирования балансового типа основано на том, что создаваемый техногеохимический поток тяжёлых металлов, вызванный функционированием технической подсистемы (автомобильная дорога + транспортный поток), вовлекается в глобальный миграционный поток химических элементов (тяжёлых металлов), которые мигрируют в пределах ландшафтно - геохимических систем [68].

Балансовая модель является отражением системного подхода в изучении экосистем, направленного на установление структуры исследуемого объекта и выявление взаимосвязей между его компонентами. В основе системного подхода лежит представление о природном (природно - техногенном) комплексе (экосистеме, биогеоценозе, ландшафтно - геохимической системе) как системе блоков, связанных между собой «потоками» вещества в процессе функционирования системы, а также входными и выходными потоками, связывающими изучаемую систему с другими [69].

Согласно [22] простейшей структурной единицей ландшафтно - геохимической системы является элементарная ландшафтно - геохимическая система (ЭЛГС) (рисунок 2.3). Компоненты ландшафта представляют собой блоки элементарной ландшафтно - геохимической системы. Каждый блок может рассматриваться как подсистема, состоящая из субблоков. Блоки и субблоки элементарной ландшафтно - геохимической системы - это трёхфазные биокосные тела, в которых наряду с твёрдой, жидкой и газовой фазой присутствует живое вещество. Функционирование элементарной ландшафтно - геохимической системы осуществляется путём обмена веществом, энергией и информацией между блоками и субблоками при многократном изменении химического и фазового состояния вещества. Каналами связи между блоками элементарной ландшафтно - геохимической системы служат миграционные потоки, которые состоят из фазы носителя и из фазы мигранта. В

качестве фазы носителя выступают потоки водных, воздушных, твёрдых масс. Мигранты перемещаются вместе с фазой носителя, они рассеяны в ней в различных формах.

Блоки схемы - А - атмосфера, П - почва, Вп - поверхностные воды, Вг -грунтовые воды, Л - породы (литогенная основа); 1 - газовая, 2 - жидкая, 3 - твёрдая, 4 - фаза живого вещества, 5 - направление миграционных потоков

Рисунок 2.3 - Схема элементарной ландшафтно - геохимической системы (ЭГХС)

При функционировании элементарной ландшафтно-геохимической системы соблюдается закон сохранения вещества и энергии. Данный закон хорошо отражается в балансовых моделях в виде уравнения запасов. Балансовый подход обеспечивает единую основу для многих моделей, определяя связь между скоростями изменения потоков в пространстве и скоростями изменения состояния системы во времени в некоторой точке. Потоки образуют приходную и расходную части баланса в уравнении, тогда как изменения в состоянии характеризуют приращение запасов. Для того, чтобы балансовая модель была эффективной, необходимо учесть все пути поступления и выноса вещества из системы [76].

2.3 Прогнозирование геоэкологических характеристик автотранспортного

потока

Так как основным источником загрязнения в природно - техногенном комплексе «Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия» является поток автотранспортных средств, то от режима функционирования последнего зависит эмиссия аэрозолей тяжёлых металлов. Таким образом, одними из входных данных в приходную часть балансовой модели будут являться геоэкологические характеристики автотранспортного потока.

К геоэкологическим характеристикам автотранспортного потока относятся средняя скорость, состав автотранспортного потока и интенсивность движения [69].

Нами обоснованы геоэкологические характеристики автотранспортного потока, использование которых показало их достаточную адекватность в модельных расчетах.

Так, влияние средней скорости транспортного потока предлагается учитывать введением коэффициента тр. Данный коэффициент учитывает дорожные и автотранспортные условия в зависимости от средней скорости транспортного потока на перегоне. Расчёт данного коэффициента представлен в разделе 2.4.

Состав транспортного потока влияет на эмиссию свинца через средние эксплуатационные нормы расхода топлива на 1 км пути в литрах. Типы автотранспортных средств с прописанными средними эксплуатационными нормами расхода топлива на 1 км пути в литрах указаны в таблице 2.1 [135].

Таблица 2.1 - Средние эксплуатационные нормы расхода топлива на 1 км пути в литрах

Тип автомобиля Средние эксплуатационные нормы расхода топлива на 1 км пути в литрах

Легковые автомобили 0,11

Малые грузовые автомобили карбюраторные (до 5 тонн) 0,16

Грузовые автомобили карбюраторные (6 тонн и более), например ЗИЛ - 130 и др 0,33

Грузовые автомобили дизельные 0,34

Автобусы карбюраторные 0,37

Автобусы дизельные 0,28

Данный фактор будет учитываться путём введения в расчётную формулу величины Gik, которая характеризует средний эксплуатационный расход топлива для данного типа (марки) автомобилей, л/км.

Очевидное влияние интенсивности движения транспортных средств неоспоримо. В соответствии с этим будет вводиться переменная №), которая характеризует расчетную, (фактическую) прогнозируемую среднегодовую суточную интенсивность движения между 1 - м j - м населёнными пунктами в соответствии с дифференциацией транспортного потока по грузоподъёмности и типам двигателей, авт./сутки.

Факторы, влияющие на интенсивность движения, можно условно разделить на три группы: численность населения в корреспондирующих пунктах; экономический потенциал участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований; время сообщения.

Численность населения является одним из основных факторов, влияющих на

интенсивность движения как грузовых, так и легковых автомобилей, так как объём пассажиро - и грузоперевозок между корреспондирующими пунктами пропорционален численности населения в этих пунктах.

Экономические показатели развития участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований, такие как - национальный доход; товарооборот; прибыль; валовая продукция сельского хозяйства и промышленности; капитальное вложение в строительство - связаны с интенсивностью движения автотранспортных средств. Однако, данные экономические показатели зависят от плотности населения участка инженерно - экономических (геоэкологических) исследований. Чем больше жителей на территории инженерно - экономических (геоэкологических) исследований, тем больше производится продукции, строится различных объектов, перевозится грузов. По мнению Байбулатова Х. А. [9] данные факторы взаимосвязаны, и для проверки этой гипотезы он провёл корреляционный анализ взаимосвязи экономических показателей. Анализ показал, что плотность населения, объёмы перевозок и грузооборот автотранспорта, капитальное вложение в строительство и товарооборот взаимосвязаны между собой, а коэффициенты парной корреляции близки к единице. В связи с этим для учёта экономического развития территории инженерно - экономических (геоэкологических) исследований при прогнозировании интенсивности движения автотранспортных средств достаточно использовать один из вышеперечисленных факторов.

Влияние времени сообщения обусловлено тем, что высокая категория автомобильной дороги и её хорошее техническое состояние ставят эту дорогу в преимущественное положение по сравнению с другими, даже более короткими по протяжённости, но не позволяющими реализовать высокие скорости и, следовательно, проигрывающими во времени сообщения. Использование данного показателя особенно важно для прогнозирования перераспределения автотранспортных потоков на сложившейся сети автомобильных дорог [8].

Время сообщения зависит от расстояния между корреспондирующими пунктами и качества связи, характеризующегося скоростью движения автотранспортных средств. Чем меньше время сообщения, тем больше интенсивность движения

между корреспондирующими пунктами, то есть имеет место обратная связь.

Предлагается в качестве методики прогнозирования геоэкологических характеристик автотранспортного потока апробированная методика, разработанная ОАО «ГИПРОДОРНИИ», которая реализована в ОДМ и в сертифицированном программном комплексе «Прогнозирование интенсивности движения на автомобильных дорогах» [69].

Данная методика позволяет прогнозировать вероятностные характеристики автотранспортного потока, совершающие поездки между парами корреспондирующих населённых пунктов рассматриваемой территории, корреспонденции между которыми являются значимыми.

Прогнозирование вероятностных характеристик автотранспортного потока сводится к четырём этапам, которые схематично отображены на рисунке 2.2 [69].

Рисунок. 2.2 - Этапы прогнозирования геоэкологических характеристик

автотранспортного потока

Первый этап включает в себя сбор исходных данных:

административная значимость и подчинённость корреспондирующих точек; численность населения в корреспондирующих точках - Р; существующий или перспективный уровень насыщения территории инженерно - экономических (геоэкологических) исследований автобусами - Qa, легковыми - Qл и грузовыми - Qr автотранспортными средствами;

физическая длина участков автомобильной дороги между корреспондирующими точками - Lф;

техническая категория участка автомобильной дороги между корреспондирующими точками;

доля легковых автомобилей, учтённых в материалах статистической отчётности, но не используемых из - за технических неисправностей - Dн;

половина доли легковых автомобилей, используемых с рекреационными целями для выезда на дачные участки в период с апреля по октябрь, а также с другими целями только в воскресные и праздничные дни - Dp;

коэффициент готовности автобусов (доля технически исправных из учтённых в материалах статистической отчётности или ГИБДД) - Га; коэффициент выхода автобусов на линию - Ква; средняя продолжительность работы автобусов в наряде - Тш; средняя продолжительность работы грузовых автотранспортных средств в наряде - Тнг;

коэффициент готовности грузовых автотранспортных средств (доля технически исправных из учтённых в материалах статистической отчётности или ГИБДД) - Гг; коэффициент выхода грузовых автотранспортных средств на линию - Квг. Сбор исходных данных осуществляется в ходе изучения фондовых материалов в камеральных условиях или с выездом на предприятия, обладающие правом собственности на исходные данные. Второй этап включает:

расчёт суммарной приведенной численности населения для 1 - го и j - го корреспондирующих населенных пунктов - Рр;

расчёт коэффициента связанности между 1 - м и j - м корреспондирующими населенными пунктами - Кс;

расчёт коэффициента, характеризующего пользование легковыми автомобилями в будние дни - Кл;

расчёт средней продолжительности работы в течение суток автобусов - та; расчёт коэффициента, характеризующего использование автобусов - Ка; расчёт средней продолжительности работы в течение суток грузовых автотранспортных средств - тг;

расчёт коэффициента, характеризующего использование грузовых автотранспортных средств - Кг;

расчёт приведенного расстояния между 1 - м и j - м населёнными пунктами -

расчёт коэффициента снижения скорости движения в населённых пунктах - dV; расчёт длины зоны влияния населённых пунктов - Lв; расчёт приведённой длины z - го участка - Lz;

расчёт коэффициента снижения скорости движения объектами регулирования движения - dR;

расчёт величины радиуса зоны, в пределах которой подлежат учёту соответствующие населённые пункты - Ry;

расчёт показателя степени, используемого при расчёте интенсивности движения грузовых автотранспортных средств - а.

Третий этап включает расчёт прогнозируемой (фактической) ожидаемой среднегодовой суточной интенсивности движения между 1 - м j - м населёнными пунктами в соответствии с дифференциацией транспортного потока по грузоподъёмности и типам двигателей - Ну, авт/сут.

Четвёртый этап реализует графическое отображение результатов расчёта в виде районирования (зонирования) участка автомобильной дороги в зависимости от полученных результатов.

Расчёт суммарной приведенной численности населения для 1 - го и j - го корреспондирующих населенных пунктов определяют в зависимости от соотношения численности населения в них:

при отношении численности населения в большем населенном пункте (Ртах) к численности населения в меньшем населенном пункте (Рт1п) меньше 7,38, - по формуле (2.1) [139]:

Рр (In(Рmax/Рmm)+2)Рmm,

(2.1)

во всех остальных случаях - по формуле (2.2) [139]:

Рр=4-Ртах (2.2)

Интенсивность движения при прочих равных условиях зависит от административной значимости и подчинённости корреспондирующих населённых пунктов, т. е. от уровня их связанности. С целью учёта этих факторов населённые пункты предлагается подразделить на следующие группы:

1 группа - территориальные центры и города федерального подчинения;

2 группа - районные центры и города территориального подчинения;

3 группа - прочие города, посёлки городского типа и центральные усадьбы;

4 группа - прочие сельские населённые пункты.

Определение коэффициента связанности между 1 - м и j - м корреспондирующими населенными пунктами определяют по таблице 2.3 [139].

Таблица 2.3 - Параметры коэффициента Кс

Административная значимость первого населенного пункта Территориальная принадлежность населенных пунктов Значение коэффициента Кс в зависимости от административной значимости второго населенного пункта

территориальный центр районный центр центральная усадьба местный пункт

Территориальный центр одна территория - 1,0 0,7 0,4

разные территории 0,4 0,3 0,1 0,1

Районный центр одна территория 1,0 0,7 0,3 0,1

один район - - 0,7 0,3

разные территории 0,3 0,3 0,1 0,1

Центральная усадьба одна территория 0,7 0,3 0,1 0,1

один район - 0,7 0,2 0,1

одна центр. усадьба - - - 0,3

разные территории 0,1 0,1 0,1 0,1

одна территория 0,4 0,1 0,1 0,1

один район - 0,3 0,1 0,1

Местный пункт одна центр. усадьба - - 0,3 0,2

разные территории 0,1 0,1 0,1 0,1

На величину интенсивности автотранспортного потока влияет группа факторов, которые условно можно назвать эксплуатационными характеристиками транспортных средств. Ниже приведены формулы по их расчёту.

Коэффициент, характеризующий пользование легковыми автомобилями в

будние дни, определим по формуле (2.3) [139]:

Кл = 1-(Ш + Dр), (2.3)

где Dн - доля автомобилей, учтенных в материалах статистической отчетности, но не используемых из - за технических неисправностей;

Dp - половина доли автомобилей, используемых с рекреационными целями для выезда на дачные участки в период с апреля по октябрь, а также с другими целями только в воскресные и праздничные дни.

Среднюю продолжительность работы в течение суток автобусов определим по формуле (2.4) [139]:

Та = Тна-2, (2.4)

где Тна - средняя продолжительность работы автобусов в наряде, ч;

2 - средняя продолжительность простоя автобусов во время обеда и отдыха водителей, ч.

Коэффициент, характеризующий использование автобусов, определяют по формуле (2.5) [139]:

Ка = Га'Ква, (2.5)

где Га - коэффициент готовности автобусов (доля технически исправных из учтенных в материалах статистической отчетности или ГИБДД); Ква - коэффициент выхода автобусов на линию. Среднюю продолжительность работы в течение суток грузовых автотранспортных средств будем определять по формуле (2.6) [139]:

Тг = Тнг-1,5,

(2.6)

где Тнг - средняя продолжительность работы грузовых автотранспортных средств в наряде, ч;

1,5 - средняя продолжительность простоя грузовых автотранспортных средств во время обеда и отдыха водителей, ч.

Коэффициент, характеризующий использование грузовых автотранспортных средств, определяют по формуле (2.7) [139]:

Кг = Гг-Квг, (2.7)

где Гг - коэффициент готовности грузовых автотранспортных средств (доля технически исправных из учтенных в материалах статистической отчетности или ГИБДД); Квг - коэффициент выхода грузовых автотранспортных средств на линию. Определение приведенного расстояния между корреспондирующими пунктами осуществляется по нижеприведенной формуле (2.8) [139], где оно определяется как сумма приведенных длин участков автомобильных дорог, соединяющих их:

Lпp=ILz, (2.8)

где Lz - приведенная длина z-го участка, км.

Коэффициент снижения скорости движения в населенных пунктах за счет местного транспорта определяют в зависимости от численности населения в нем, Р, жит.: при численности населения 3 тысячи жителей и более - по формуле (2.9) [139]:

dV = 0,8 - 0,0434 (Ьп(Р) - 11,51); (2.9)

при численности населения менее 3 тыс. жит. - принимают равным 0,95 [139]. Учёт неравенства длин участков автомобильных дорог, примыкающих к центрам населенных пунктов и длин зон влияния населенных пунктов, учитывают с помощью корректировки коэффициента снижения скорости движения на этих участках дорог, используя формулы (2.10) [139] и (2.11) [139]:

при зонах влияния больше длин участков дорог:

dV = dV•Lф/Lв;

(2.10)

при зонах влияния меньше длин участков дорог:

dV = (Lв•dV + Lф - Lв)/Lф.

(2.11)

Для участков автомобильных дорог, соединяющих два корреспондирующих пункта, коэффициент снижения скорости движения определяют перемножением коэффициентов снижения скорости, полученных для каждого из пунктов.

Длину зоны влияния населенного пункта, Lв, км, определяют в зависимости от численности населения в нем по формулам (2.12) [140] и (2.13) [139]: при численности населения 100 тысяч жителей и более:

Значения коэффициентов снижения скорости движения на участках, прилегающих к центрам населенных пунктов и длин зоны влияния населенных пунктов при соответствующей их численности, приведены в таблице 2.4 [139].

При расчёте интенсивности движения между парой корреспондирующих населённых пунктов кратчайшее расстояние между ними устанавливают, исходя из времени и комфортабельности сообщения. В связи с этим при расчётах используют приведённую длину участков автомобильных дорог. Коэффициент приведения длины участков дорог устанавливают по соотношению скорости движения на рассматриваемом участке к скорости движения при эталонных условиях движения с

Lв = Ln(Р);

(2.12)

при численности населения менее 100 тысяч жителей:

Lв = Ln(P)/(12,51 - Ln(P)).

(2.13)

учетом ее снижения местными условиями. В качестве эталонных условий при определении коэффициента приведения длин участков автомобильных дорог принята дорога 1б категории с разделительной полосой [139].

Таблица 2.4 - Коэффициенты снижения скорости движения транспортных

средств

Численность населения Коэффициент снижения Длина зоны влияния

в населенном пункте, скорости движения в населенного пункта,

жит. населенном пункте, dV Lв, км

10000000 0,60 16,1

1000000 0,70 13,8

100000 0,80 11,5

10000 0,90 2,8

3000 0,95 1,7

1000 0,95 1,2

100 0,95 0,6

10 0,95 0,2

Приведенную длину участка автомобильной дороги определяют по формуле (2.14) [139]:

Lz=Lф•(Vr/Vz ■ dV ■ dR)0'4 (2.14)

где Lф - физическая длина 7-го участка дороги, км;

V - средняя скорость движения грузовых автотранспортных средств на эталонном участке автомобильной дороги, км/ч;

V - средняя скорость движения грузовых автотранспортных средств на 7-м участке дороги, км/ч;

dV - коэффициент снижения скорости движения в населенных пунктах; dR - коэффициент снижения скорости движения объектами регулирования движения. Для участков автомобильных дорог, ограниченных регулируемым пересечением или населённым пунктом, в котором на рассматриваемой автомобильной до-

роге имеются объекты светофорного регулирования, коэффициент снижения скорости движения объектами регулирования движения (dR) принимают равным 0,8. Если участок автомобильной дороги имеет объекты светофорного регулирования с двух сторон, dR принимают равным 0,65. В остальных случаях его принимают равным 1,0 [139].

При первой итерации в качестве средней скорости движения принимают среднюю скорость одиночных грузовых автотранспортных средств средней грузоподъемности, реализуемую при соответствующих технических параметрах участка автомобильной дороги. Эту скорость следует определять в соответствии с действующими методиками оценки транспортно - эксплуатационных качеств автомобильных дорог. При соответствии технических параметров участков автомобильных дорог (ровность, коэффициент сцепления и т.п.) определенным категориям эту скорость можно принимать по таблице 2.5 [139].

Таблица 2.5 - Скорость движения в зависимости от категории автомобильной дороги

Категория участка автомобильной Средняя скорость свободного движения

дороги грузовых автотранспортных средств, км/ч

1а 90

1б:

с разделительной полосой 83

без разделительной полосы 75

II 65

III 60

IV 55

V 50

Для участков автомобильных дорог с объектами, прерывающими движение на длительный период, скорость движения устанавливают с учётом всех видов задержек.

Для установления границы рассматриваемой зоны, т. е. определения территории, в пределах которой подлежат учёту соответствующие населённые пункты, не входящие в исследуемую территорию, граница устанавливается по радиусу зоны

км), в пределах которой подлежат учёту корреспонденции территориального центра с другими населёнными пунктами при разработке территориальных программ. При этом радиус этих зон определяют по формуле (2.15) [139]:

Ry=7•(Ln(Pmax))2. (2.15)

Показатель степени при приведенном расстоянии между населенными пунктами при расчете интенсивности движения грузовых автотранспортных средств а определяют в зависимости от этого расстояния:

при расстоянии 63 км и более - принимают равным 2 [139];

при расстоянии меньше 63 км - определяют по формуле (2.16) [139]:

а = 1,74+17/^пр). (2.16)

Интенсивность движения на конкретном участке автомобильной дороги формируется в результате суммирования интенсивности движения, рассчитанной между всеми парами населённых пунктов, связи между которыми осуществляются с использованием данного участка.

Прогнозирование интенсивности автотранспортного потока следует выполнять с разделением по типам на легковые автомобили, автобусы и грузовые автотранспортные средства, с учётом типов двигателей автотранспортных средств.

Интенсивность движения между парой рассматриваемых корреспондирующих пунктов определяют по формуле (2.17):

кт рР-кс-ал-ул-тл-кл рр-кс-аа-уа-та-к

N.. = —--1—---I-

1] 1000 ■ Ь2р 1000 ■ Ь2р

| Рр-кс-дг-уг-тг-кг | Рр-кс-дл-ул-тл-кл | (21)

+ 1000-Ь«р 1000 -ь2пр + (217)

. Рр-кс-да-уа-та-ка | Рр-кс-дг-уг-тг-кг

1000 ■ Ь2р 1000 ■ ь«р

где Рр - суммарная приведённая численность населения в i - м и j - м населённых

пунктах, жит.;

Кс - коэффициент связанности i - го и j - го населённых пунктов, определяемые в зависимости от их административной значимости и подчинённости;

Qл - существующий или перспективный уровень насыщения территории легковыми автомобилями, авт./1000 жит.;

Vл - средняя скорость движения легковых автомобилей в эталонных условиях (принимается равной 83 км/ч) [139];

хл - средняя продолжительность работы в течение суток легковых автомобилей, ч/сут;

Кл - коэффициент, характеризующий пользование легковыми автомобилями; Lпp - приведенное расстояние между i - м и j - м населенными пунктами, км;

Qa - существующий или перспективный уровень насыщения территории автобусами, авт./1000 жит.;

Va - средняя скорость движения автобусов в эталонных условиях / принимается равной 60 км/ч / [139];

ха - средняя продолжительность работы в течение суток автобусов, ч/сут;

Ка - коэффициент, характеризующий использование автобусов;

Qг - существующий или перспективный уровень насыщения территории грузовыми автотранспортными средствами, авт./1000 жит.;

V - средняя скорость движения грузовых автотранспортных средств в эталонных условиях /принимается равной 75 км/ч [139];

хг - средняя продолжительность работы в течение суток грузовых автотранспортных средств, ч/сут;

Кг - коэффициент, характеризующий использование грузовых автотранспортных средств;

а - показатель степени, используемый при расчете интенсивности движения грузовых автотранспортных средств.

Интенсивность и скорость движения на участках сети автомобильных дорог устанавливают в результате выполнения нескольких итерационных расчётов ожидаемой интенсивности между всеми парами корреспондирующих населённых

пунктов. После выполнения расчётов на соответствующем шаге итерации для каждого участка сети автомобильных дорог определяют скорость, которую должен иметь поток расчётной интенсивности при данных дорожных условиях, и сопоставляют её со скоростью, принятой при данном шаге итерационного расчёта. В случае, если эти скорости движения отличаются более чем на 1 км/ч, для данного участка переопределяют скорость движения и его приведённую длину. После рассмотрения всех участков сети автомобильной дороги расчёт повторяют.

Итерационные расчёты повторяют до тех пор, пока хотя бы на одном участке сети автомобильных дорог скорость, принятая при расчёте интенсивности движения на данном шаге итерации, будет отличаться более чем на 1 км/ч от скорости, рассчитанной при интенсивности движения, полученной на данном шаге итерации, т. е. до достижения соответствия между скоростью и интенсивностью движения на всех участках сети автомобильных дорог.

Важной частью прогнозирования интенсивности движения является прогнозирование структуры грузовых автотранспортных средств. Для этого грузовые автотранспортные средства целесообразно разделять на группы по средней грузоподъемности: 1 - 1,0 т; 2 - 2,5 т; 3 - 4,0 т; 4 - 7,0 т; 5 - 10,0 т; 6 - автопоезда.

При расстоянии между корреспондирующими населенными пунктами 500 км и менее долю соответствующих групп грузовых автотранспортных средств можно определять по следующим эмпирическим формулам (21.8) - (2.23) [139]:

1 группа - С1 = 0,47 - 0,0008-^; (2.18)

2 группа - С2 = 0,22 - 0,0003^; (2.19)

3 группа - С3 = 0,09 - 0,00005^; (2.20)

4 группа - С4 = 0,08 - 0,00005-^; (2.21) 5 группа - Сз = 0,1 + 0,0001^пр; (2.22)

6 группа - С6 = 0,04 + 0,0011^. (2.23)

где Ск - доля грузовых автотранспортных средств к - ой группы, выполняющих перевозки между i - м и j - м населенными пунктами. Сумма значений С1 - С6 для

всех случаев должна быть равна 1.

Поскольку характеристики автотранспортного потока являются вероятностными, то в соответствии с вышеизложенной моделью, выходные данные должны иметь погрешности. Допустимая величина погрешности для данной модели определена величиной в 15 % [139].

2.4 Геоэкологическое моделирование поступления свинца на поверхность почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса

Балансовая модель отражает фундаментальный закон сохранения вещества и энергии в виде уравнения запаса (2.24):

Авх-Авых=ЛА, (2.24)

где Авх - привнос тяжёлых металлов в почвы территории воздействия дорожно-транспортного комплекса, мг;

Авых - потери тяжёлых металлов почвами территории воздействия дорожно-транспортного комплекса, мг;

ЛА - приращение запасов тяжёлых металлов в почвах территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, мг [70].

Для того, чтобы балансовая модель была эффективной, необходимо учесть все значимые пути поступления и выноса тяжёлых металлов из системы (почв).

В общем виде уравнения балансовой модели применительно к проблеме прогнозирования загрязнения почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса имеет вид (2.25):

С(х + Д1) = С, + СХвх-хвых-ц-м (2.25)

ЬПГ'РПГ

где Ct - начальная или фоновая концентрация тяжёлых металлов в почвах на момент времени 1:, мг/кг;

Хвх - поступление тяжёлых металлов на поверхность почв территории воздействия дорожно-транспортного комплекса за промежуток времени 1:, мг/м2-год;

Хвых - вынос тяжёлых металлов из почв за исключением транслокации за промежуток времени 1:, мг/м2-год;

R - транслокация тяжёлых металлов в растения за время 1:, мг/м2-год;

Л1 - временной шаг прогнозирования или эксплуатации автомобильной дороги, год; - мощность почвенного слоя территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, в котором распределяются тяжёлые металлы за время 1:, которая на пахотных землях равна глубине вспашки 0,2 - 0,3 м, на остальных видах угодий (в т. ч. целине) - 0,1 м [135];

рпг - плотность почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса за время 1:, кг/м3.

В расчётах предложенной балансовой модели используются значения концентраций валовых форм тяжёлых металлов по следующей причине:

наименьшее влияние метеорологических условий в момент отбора проб на концентрации изучаемых тяжёлых металлов в почвах;

баланс прихода и расхода масс (концентраций тяжёлых металлов) более точен для валовых форм.

Имеет смысл разбить описание балансовой модели на две части - приходную и расходную.

Приходная часть балансовой модели складывается из следующих условий: оседания аэрозолей тяжёлых металлов на поверхность почв, которая обеспечивается функционированием техногенного подкомплекса;

фоновой концентрации тяжёлых металлов в почвах, обеспечиваемая наличием их в материнской породе и влиянием антропогенного воздействия в предыдущий момент времени.

В настоящей работе в качестве контаминантов выступают следующие тяжёлые металлы: свинец, цинк, никель, медь, кадмий. В связи с тем, что в настоящее

время отсутствуют уравнения расчёта эмиссии вышеуказанных тяжёлых металлов (кроме свинца) [135], то предлагается по экспериментальным данным получить коэффициенты пересчёта для определения содержания других тяжёлых металлов [69]. Данный способ обоснован в связи с тем, что свинец проявляет высокую индикационную роль [11] в почвах, и для него характерны высокие значимые коэффициенты частной корреляции с содержанием других тяжёлых металлов.

Определение величины поступления (приходной части) свинца на поверхности почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса предлагается рассчитать в соответствии с [69] по формуле (2.26):

Рп = 0,4 ■ Кт ■ иу ■ Тр ■ РЭ1 ■ Кукл ± 0,15 ■ 0,4 ■ Кт ■ иу ■ Тр ■ рэг ■ Ку^ (2.26)

где Р^ - удельная масса осевшего свинца на поверхность почвы выбрасываемого транспортным потоком проходящим 1 км автомобильной дороги в некоторой её части, мгкм/авт;

К1 - коэффициент, учитывающий расстояние от края проезжей части, принимаемый по таблице 2.5 [135];

и - коэффициент, зависящий от силы и направления ветров, принимается равным отношению площади розы ветров со стороны автомобильной дороги, противоположной рассматриваемой зоне к общей ее площади;

Тр - расчётный срок прогнозирования в сутках (не более года), сут;

РЭг - удельная мощность эмиссии свинца при данной (прогнозируемой) среднесуточной интенсивности движения за расчетный период, определяется по формуле (2.27) [69], мгавт/кмсут;

Кукл - коэффициент, зависящий от продольного уклона автомобильной дороги, который определяется по формулам (2.28) и (2.29) [116].

Расстояние от края проезжей части, метров Величина KI

10 0,5000

20 0,1000

30 0,0600

40 0,0400

50 0,0300

60 0,0200

80 0,0100

100 0,0050

150 0,0010

200 0,0002

P3t = Кп ■ К0 ■ тр ■ Kt ■ Sf=iGi ■ Pi ■ Nit ± 0,15 ■ Kn ■ K0 ■ mp ■ Kt ■ Sf=i Gj ■ Pi ■ Nit (2.27)

где Кп=0,74 - коэффициент пересчета одного литра автомобильного топлива в кг [135];

mp - коэффициент, учитывающий дорожные и автотранспортные условия, принимается по рисунку 2.4 [135] в зависимости от средней скорости транспортного потока или по ступенчатым функциям (2.30), (2.31) [116];

К0=0,8 - коэффициент, учитывающий оседание свинца в системе выпуска отработавших газов [135];

Kt=0,8 - коэффициент, учитывающий долю выбрасываемого свинца в виде твердых частиц в общем объеме выбросов [135];

Gi - средний эксплуатационный расход топлива для данного типа (марки) автомобилей л/км, для оценочных расчетов в экологических обоснованиях развития автомобильных дорог допускается принимать по данным, приведенным в таблице 2.1;

i=3 - для трех групп автотранспортных средств (легковых, грузовых и автобусов);

Pi - содержание добавки свинца в топливе, применяемом в автомобиле данного типа, мг/кг;

Nit - среднесуточная (за прогнозный год) интенсивность движения автомобилей данного типа (марки), авт./сут.

Рисунок 2.4 - Зависимость величины коэффициента тр от средней скорости

транспортного потока V

1

К™, = 1 + - 1з,з, если ^0 (подъём) (2.28)

Кукл — 1 + "5о, если ^0 (спуск) (2.29)

где i - величина уклона, % (на подъёме уклон береться со знаком плюс, на спуске -со знаком минус).

тр=-4,8-10"3^2+0,273^+0,2 при V< 50 км/ч, (2.30)

тр=-5,2410"4^2+0,095^+5,23 при V< 50 км/ч (2.31)

где V - средняя скорость автотранспортного потока, км/час.

Исходя из того, что величина погрешности прогнозирования среднесуточной интенсивности движения автомобилей (Ы^) составляет 15 % [139], то как следствие этому и величины погрешностей вычисления в формулах 2.26 и 2.27 тоже будут равны 15 %, так как данная величина (Ый) входит в эти формулы.

2.5 Геоэкологическое моделирование выноса тяжёлых металлов из почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса

Завершающим этапом прогнозирования загрязнения является геоэкологическое моделирование выноса тяжёлых металлов из почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса. Реализация этого этапа прогнозирования включает последовательное решение следующих задач: краткое описание процесса движения гравитационной воды в почвах и составление расчётных уравнений.

Изучение механизмов миграции тяжёлых металлов показывает, что они перемещаются по почвенному слою с гравитационными водами под действием разности давления, т. е. основной причиной и средой миграции тяжёлых металлов в нижележащие слои является вода в гравитационном виде [119]. На рисунке 2.5 представлена схема круговорота гравитационной воды [69].

Источником поступления воды на поверхность почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса в гравитационном виде являются атмосферные осадки.

Обобщая предшествующий опыт, можно сделать вывод, что процесс водопроницаемости включает два этапа - инфильтрация и фильтрация.

Предлагается в качестве геоэкологической модели выноса тяжёлых металлов из почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса в гравитационном виде использовать модифицированное уравнение баланса воды на поверхности почвенного покрова [69]. Приходными статьями данного уравнения являются:

Атмосферные осадш

Испарение осадков

Испарение осадков

Атм осф ерт те о сада*

Испарение осадков

Испарение осадков

Ипфилътраии^г и фильтрация осадков с тяжелыми металлами

чо

Рисунок 2.5 - Схема круговорота гравитационной воды в пределах природно - техногенного комплекса

«Автомобильная дорога - территория техногенного воздействия»

интенсивность притока поверхностных вод с соседних участков почвенного слоя территории воздействия дорожно - транспортного комплекса (А), мм/год.

Расходными статьями являются:

испарение, которое выражается в величине интенсивности испарения с поверхности почв территории воздействия дорожно - транспортного комплекса (Е), мм/год;

величина стока, которая выражается в интенсивности стока воды (АЛ), мм/год, который дифференцируется на поверхностный сток (Лп), мм/год и внутри-почвенный (Авп), мм/год. В свою очередь внутрипочвенный сток дифференцируется на интенсивность инфильтрации (чШи), мм/год (дм3/годм2) и интенсивность фильтрации мм/год (дм3/годм2 ). Таким образом, модифицированное урав-

нение баланса воды на поверхности почв территории воздействия дорожно-транспортного комплекса будет иметь вид (2.32) [69]:

Х+А=Е+А' (2.32)

Из формулы (2.32) выводим, что величина стока равняется (2.33):

АЛ=Х+А-Е (2.33)

где А' = Ап + + [69] (2.34)

Любая поверхность, в том числе и поверхность почвенного слоя, представляет собой геометрическую поверхность с определённым уклоном (^ %). Если эту поверхность разбить на множество составных поверхностей с уклонами, квазиравные 0 %, то уравнение (2.33) примет вид (2.35) [69]:

АЛ=Х-Е

(2.35)

гф

(2.36)

Из теории известно, что фильтрация образуется при движении грунтовых вод, верховодки, для условий весеннего снеготаяния [160]. Таким образом, за сток в тёплое время года предлагается брать величину интенсивности инфильтрации, а в холодный период года - величину фильтрации.

Величина Х складывается из интенсивности осадков за холодный (Ххп) и тёплый (Хтп) периоды. Следовательно, и испарение (Е) складывается из двух видов испарений, за холодный (Ехп) и тёплый периоды (Етп).

Следует отметить, что за величину Етп будет приниматься сумма осадков в жидком и в смешанном видах (Ьж+с).

Таким образом, из вышеизложенного следует, что сток за холодный период следует рассчитывать по формуле (2.37), за тёплый период - по формуле (2.38) [69].

Следует отметить, что под испарением понимается сумма трёх видов этого процесса: транспирация, испарение с почвы и испарение воды, задержанной стеблями и листьями растений при выпадении осадков [134]. Исходя из того, что объём влаги, образованной транспирацией и задержанной стеблями и листьями растений при выпадении осадков, не принимает участия в миграции тяжёлых металлов в почвах территории воздействия дорожно - транспортного комплекса, то расчётами этого объёма влаги можно пренебречь.

Расчёт среднего годового испарения с поверхности почв предлагается рассчитывать следующими методами, исходя из имеющихся входных данных:

(2.37)

(2.38)

картографическим; на рисунке 2.6 представлена карта изолиний испарения, предназначенная для определения среднего многолетнего испарения с больших площадей, порядка 6000 - 7000 км2 (от 3300 км2 на широте Таймыра до 9900 км2 на широте Кушка). Карта построена на основе уравнения водного баланса по разности осадков и стока. При построении учтён водообмен подземных вод для тех речных бассейнов (территорий), где этой составляющей водного баланса нельзя пренебречь. Погрешность снимаемых с карты значений испарения для большей части равнинной территории бывшего СССР составляет 15 % [134]. Данная карта составлена по материалам ГГИ [16];

В целях упрощения расчётов разработана номограмма для вычисления норм годового испарения, которая представлена на рисунке 2.7 [60]. Метод применим для районов избыточного и достаточного увлажнения равнинной территории бывшего СССР. Для расчёта испарения в районах сухих степей, полупустынь и пустынь применять этот метод не рекомендуется [99];

о г о в

о

д

о г

о г е н т е л о г о н

о г е

н

д

е р

с

я

и

н

е

л

с

и

ч

ы

в

я

л д

а

а р

г о м о

X

-

.7 2.

к о

н

у

с и Р

и Т

е р

урат р

е п м е т

й о в

о

д

о г

й е

н

д

е р

с о п

я с

т е я л

е

д

е р

п о

№

я и н

е ар

п с и

Е = Ч