ЛУКАНИН Валентин НиколаевичtJЛенкоррес­

пондент Российской академии наук, докгор тех­ нических наук, профессор, ректор Моекоnскот государственного автомобильно-дорожного 1111- ститута (технического университета) (МАДИ-'J.Y), лауреат Государственной премии Российской

Федерации в области науки и техники.

ТРОФИМЕНКО Юрий Васильевичдоктор тех­

нических наук, профессор, заведующий кафедрой

промышленно-транспортной экологии МАДИ-ТУ,

начальникУправления методологии охраны окру­

жающей среды Российского дорожного агентства.

11~1~1111111

0000517

·В.НЛуканин Ю.В.Трофименко

ПРОMЬIШliEtltlО1

TPAtiCПOPТtiAЯ

ЭКОliОГИЯ

Допущено Министерством образования

Российской Федерации в качестве учебника

для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлениям «Наземные транспортные системы», «Эксплуатация транспортных средств»,

«Технологические машины и оборудование»

и специальностям <<Автомобильные дороrи и аэродромы»,

«Двигатели внутреннеrо сrоранию>,

«Организация дорожноrо движения»,

«Электрооборудование автомобилей и Тракторов»,

«Стандартизация и сертификация»

~'{ЕЛ~~

i@)

С((;ля Ф""

Москва «Высшая IIIКoлa»

2003

УДК 656.13:502.5 ББК 39.3:20.1

л 84

Рецензенты:

кафедра инженерной экологии Московского технического университета - МАМИ (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. Б. Н Нюнин); д-р техн. наук, проф. В. Т. Медведев (Московский государственный энергетический институттехнический униuсрситет).

Луканин, В. Н.

Л84 Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов

В.Н. Луканин, Ю.В. Трофименко; Под ред. В. Н. Луканина. -

М.: Высш. шк., 2003. - 273 с.: ил.

ISBN 5-06-003957-9

В учебнике изложены теоретические основы физико-химических процессов, происходящих при воздействии объектов транспорта и промьшmенности на

окружающую среду, механизмы воздействия на окру)l,ающую среду отдельных

объектов транспорта (на разных стадиях их жизненных циклов), а также дорож~

ной сети и парков машин на локальных территориях, распространения и транс­

формации промышленно-транспортиых загрязнений в окружающей среде и вли­ яние их на компоненты биоты. Рассмотрены методы и результаты оц.:нки промышленно-транспортных загрязнений.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по напрi!влениям «Наземные транспортные системы», «эксплуатация трансnортных средств», «Технологические машины и оборудование» и специальностям «Автомобиль­ ные дороги и аэродромы», «Двигатели внутреннего сгорания», «Организация дорожного движения», «Электрооборудование».

УДК 656.13:502.5 ББК 39.3:20.1

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия

издательства запрещается.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Опыт прt:rюдавания специальных инженерных дисциплин эколо­ гического плана возникал в недрах других дисциплин, куда они бы­ ли вкраплены в виде небольших разделов. Так, в курсах по теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), начи­

ная с 70-х годов, читались разделы, посвященные экологическим

показателям двигателей. Примерно в это же время начали звучать

термины «экология», «экологические проблемьD> в курсах техничес­ кой эксплуатации, ремонта автомобилей, автомобильных перево­

зок, проектирования, строительства и содержания дорог.

В последние годы промышленно-транспортная экология офор­ милась в блок дисциплин учебного плана подготовки специалистов

по направлениям: наземные транспортные системы, эксплуатация

автомобильного транспорта, сервис, автомобильные дороги, мосты и пр. Основой научного знания этой новой области инженерной

экологии стали результаты исследований последних лет, посвящен­

ные изучению процессов воздействия технических объектов

(автомобиля, дороги) на окружающую среду. Здесь плодотворными

оказались идеи, связанные с понятием «жизненный цикл автомобиля, дороги». Это понятие позволило ввести некие мерыэнергетичес­ кие затраты, объемы выбросов вредных веществ, потребления природных ресурсов, связанные с добычей сырья, производством

конструкционных, эксплуатационных, строительных материалов,

изготовлением машин, эксплуатацией, ремонтом, обслуживанием объекта транспорта, воздействующие на окружающую среду (атмо­ сферу, гидросферу и литосферу).

Естественно, из стремления понять степень воздействия автомо­ биля на окружающую среду возникло второе, очень важное понятие

<<.множество .машин». Действительно, какое число автомобилей мо­

жет вынести наша земля-матушка, или какова допустимая концент­

рация машин на единицу площади территории земли, чтобы не вы­ звать локальной экологической катастрофы. Это новые задачи в

науке об автомобиле. Естественно здесь использовать весь накоп­

ленный арсенал экспериментальных сведений о свойствах автомоби­ ля и об упорядоченных множествах автомобилей - автотранспорт­

ных потоках, так как именно в качестве автотранспортных потоков

3

мы встречаемся с автомобилем на улицах (дорогах), когда имеет ме­

сто максимальное воздействие на окружающую среду со стороны

множества машин.

Следующий аспект - наличие физико-химических процессов

при воздействии промышленности и транспорта на окружающую

среду. Их изучение необходимо для понимания механизмов негатив-.

ного воздействия транспортных объектов на среду и принятие инже­

нерных решений по защите окружающей среды от разных видов

этого воздействия.

Во всех случаях изучения принципов работы и оценки эффектив­

ности технологических процессов, машин, сооружений в качестве

основных · характеристик использовались величины выбросов, за­ трат материалов, энергии. Такой подход дает возможность осущест­

влять оценки экологических последствий решений, принимаемых

,при формировании автомобильного парка, строительстве дороги. Оценки возможны сравнительные на основе суждений меньше-боль­

ше, лучше-хуже.

Авторы сочли возможным изложить некоторые сведения из тер­

модинамики и теории двигателей внутреннего сгорания, например,

разделы о втором начале термодинамики и термохимические осно­

вы реакции сгорания в ДВС. Это сделано потому, что именно вто­

рое начало термодинамики предопределяет необходимость отдачи в

окружающую среду части теплоты и тем самым сама природа теп­

ловой машины делает неизбежным ее взаимодействие с окружаю­

щей средой, а условием осуществления ее работы служит материаль­ ный баланс ДВС. Константы материального взаимодействия две с

окружающей средой становятся численно определенными: расход

воздуха (кислорода), выбросы отработавших газов количественно следуют из термохимических реакций две. Это касается единичной машины. Однако взаимодействие приобретает качественно новые

черты, когда эти процессы распространяются на множество машин,

т. е. размеры этих воздействий могут приводить к устойчивым от­

клонениям от нормы параметров состояния окружающей среды; это позволяет говорить о предпосьmках возникновения локальной эко­

логической катастрофы техногеиного характера.

Даны определения основных процессов, которые сопутствуют работе автомобиля, а также имеют место при изготовлении, техни­ ческом обслуживании и ремонте, показаны воздействия этих про­ цессовна окружающую среду. Во всех случаях затраты энергии рас­

сматриваются как важнейшая экологическая характеристика

процесса.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Человечество как биологический вид и социальная общность не­

разрывно связано с процессами, происходящими в окружающей сре­

;~с, и во все возрастающих масштабах черпает из нее ресурсы, за­ rрязняет отходами, продуктами жизнедеятельности. Все происходит u тончайшем слое «жизненного пространства» - биосфере. Эта «оболочка жизни» находится в постоянном движении веществ, со­

uсршающих круговорот органических веществ в цепочке: почва -

растенияживотныечеловекпочва (сток), а также неоргани­

•Jсских веществ в рамках других цепочек естественного круговорота,

нбо природа создала механизмы постоянного круговорота основ­

ных химических элементов между неживыми и живыми компонента­

ми окружающей среды в биосфере.

В соответствии с законом сохранения массы (вещества) при лю­ бом физическом или химическом изменении вещество не возникает и не исчезает, но лишь изменяет свое физическое или химическое со­

стояние. За длительное время установились, причем в очень узких ;щапазонах, значения параметров окружающей среды, при которых

существует жизнь. Мы привыкли говорить о потреблении или рас­

ходовании ресурсов. Но мы не потребляем вещество, а только вре­

менно пользуемся какими-то видами ресурсов Земли, перемещая их, нревращая в продукты или полезные товары. Все, что выброшено,

остается с нами.

В настоящее время (2000) население Земли достигло шестимил­

лиардной величины. Вторая после Китая страна в мире - Индия - стала иметь миллиард жителей. Человеческая деятельность

(строительство жилья, дорог, земледелие, добыча природных мине­

ральных ресурсов, промышленное производство), имеющая целью

достижение определенного благосостояния (комфорта), изменяет нриродные ландшафты, создает новую искусственную среду обита­ ния человека, чуждую ему как биологическому существу. Несколько ноколений, многие сотни миллионов людей живут в трансформиро­ uанной природной среде (в мегаполисах, городских агломерациях, на освоенных территориях), пытаясь приспособиться, адаптиро­

ваться к ней. Однако сформированный в процессе эволюции челове­

'Iсский организм весьма чувствителен к изменению параметров ок-

5

ружающей среды, многие механизмы влияния которых на живые

организмы остаются непознанными. Раньше, когда численность на­

селения на планете бьша небольшой и уровень антропогенной на­

грузки незначителен, это влияние компенсировалось адаптационны­

ми способностями живых организмов.

На рубеже XXI в. ситуация изменилась. Экспериментально под­ тверждены необратимые изменения значений параметров окружаю­

щей среды от ранее существовавших, что все чаще приводит к

экологическим кризисам и катастрофам на локальном уровне (фотохимический смог, кислотные осадки, загрязнение водоемов биогенами) и в глобальном масштабе (образование парникового эф­ фекта, разрушение озонового слоя в стратосфере). Это, а также на­

копление данных, подтверждающих проявление распада генетичес­

ких программ человека, другие проявления экологического кризиса,

привело к тому, что в большинстве стран мира вопросы обеспече­

ния экологического благополучия выходят за рамки принятия кон­

кретных инженерно-технических программ и решений и все более

приобретают социально-экономическое звучание, формируют но­

вые стереотипы поведения, нормы морали.

Наблюдается эволюция экологического мировоззрения - от антропоцентризма (человек - центр Вселенной и конечная цель ми­

роздания, т. е. <щарь природы») к теории естественной биотической

регуляции окружающей среды (человек занимает определенную эко­

логическую нишу и его деятельность не должна приводить к нару­

шению устойчивости биоты) и обществу устойчивого развития, ког­

да воздействие на окружающую среду остается в пределах

хозяйственной емкости биосферы и не разрушается природная осно­

ва для воспроизводства жизни человека.

Подробное рассмотрение социально-экономических аспектов формирования общества устойчивого развития выходит за рамки данной дисциплины. Нам важно понять, каким требованиям долж­ на отвечать транспортная система в таком обществе, а также круг возникающих проблем и пути их решения.

Они лежат в области рационального расходования природных ресурсов, защиты атмосферы, водоемов и водотоков, почвы,

природных экоеметем от негативного воздействия транспортного

комплекса, создания замкнутых промышленно-утилизационных

технологий транспортной деятельности, включенных в расти­

тельно-энергетические природные циклы (энерго- и ресурсосбе­ регающие, безотходные технологии, водородная, биотопливпая транспортная энергетика и др.).

Активно формируется методология, аксиоматика, круг решае­

мых задач, математический аппарат, практические приложеимя новой научной дисциплины- промышленно-транспортной эколо­ гии, изучающей различные аспекты воздействия промышленности и

6

транспорта на окружающую среду. При этом речь идет об изучении

'IКологически значимых параметров, характеристик экологической

безопасности транспортного объекта, сооружения, совокупности машин на дорожной сети, но не об «экологию> двигателя, автомоби­ ля, судна, локомотива, дороги, моста, автомобильного парка или дорожной сети, ибо у этих шедевров человеческого разума нет своей 1кологической ниши в природе.

В последние годы классифицированы отдельные источники не­ гативного воздействия транспортных объектов на окружающую

среду, установлены причинно-следственные связи для управления

уровнем экологической безопасности транспортного комплекса.

Можно считать методически завершенным этап разработки расчет­ ных методик оценки удельных (на единицу пробегапробеговых) выбросов одиночных транспортных средств и погонных (на едини­ цу длины пути в единицу времени) выбросов транспортных потоков

на участках дорожной сети, загрязнения придорожной полосы ток­

сичными веществами, формирования парка машин региона с ис­ пользованием экологических критериев. Установлена мера экологи­

ческой безопасности (чистоты) транспортных средств различного

назначения и экологические требования к этим объектам, определе­

ны причинно-следственные связи влияния на этот показателъ разли­

чных инженерно-технологических и организационных факторов.

Установлены закономерности «экологического поведения» совокуп­

ности машин на уличио-дорожной сети крупных городов, которые,

с одной стороны, налагают ограничения на поведение одиночных

автомобилей в транспортном потоке, алгоритмы управления движе­

нием, а с другой - не позволяют распространить принцип аддитив­ ности при оценке выбросов вредных веществ транспортными пото­

ками и парком, состоящим из конкретных марок автомобилей. Экологические оценки уже не ограничиваются расчетом валовых

выбросов отдельных веществ, ставится задача определения и расче­

та концентраций примесей в атмосфере на значительной площади территории с учетом трансформации отдельных веществ, риска за­

болеваний людей.

На очереди решение проблем комплексной оценки воздействия

различных по физико-химической природе процессов, используе­

МЬIХ в промышленности и на транспорте, на биоту и реакции компо­

нентов биоты на эти воздействия. Актуальными являются следую­

щие вопросы:

1. Оценка влияния промышленности и трансnортньiХ коммуни­

каций на устойчивое социально-экономическое развитие регионов,

обеспеченности транспорта топливно-энергетическими, минераль­

ными и другими природными ресурсами.

2. Приборное обеспечение и осуществление производственного

экологического контроля линейных транспортных сооружений с

7