Россия
Россия
Россия
УДК 621.43.06 Выхлопные (выпускные) устройства. Отработавшие газы
УДК 504.3 Атмосфера
Исследуется физическое явление формирования смога от горящих торфяных болот и устойчивого загрязнения ими воздуха на автомобильной магистрали. Показано, что твердые частицы смога малых размеров PM10 и PM2.5 способны, как на ядрах конденсации, создавать оптически плотные аэрозольные туманы и тем самым уменьшать дальность видимости на проезжей части до 50 и менее метров, существенно повышая риск дорожно-транспортных происшествий. Доказывается, что вместе с угарным газом СО смог насыщает воздух поллютантами до опасных значений концентраций, способных существенно ослабить рефлекторные реакции водителей на изменяющуюся дорожную обстановку. В комплексе это приводит к чрезвычайной ситуации, сопровождающейся транспортным коллапсом, требующим подключения сил и средств аварийного реагирования.
горящий болотный торф, смог, магистраль, безопасность движения, чрезвычайная ситуация
Мониторинг и борьба с лесными пожарами являются одними из основных актуальных задач огнеборцев во всех странах мира [1–5]. В заболоченных регионах Российской Федерации особую опасность для населения представляют тлеющие торфяники, способные создавать чрезвычайные ситуации как в зимнее время [4], так и в летние засушливые периоды, часто сопутствуя лесным пожарам [5]. Крупные тлеющие торфяники при неблагоприятных метеорологических ситуациях могут создавать комплексное чрезвычайно-опасное воздействие, включая дорожно-транспортные происшествия с долговременным нарушением нормальной жизнедеятельности в регионе [4]. Зарубежными и отечественными учеными изучена физика появления и развития торфяных пожаров с математическим моделированием специфичного беспламенного горения углеводородов болот [5]. По выходу из тлеющего болота с частицами аэрозольного дыма в атмосфере происходят трансформации, способствующие формированию оптически плотного токсичного «смога».
Исследуя поставленную в работе проблему связи аэрозольного смога тлеющего торфяника с дальностью видимости на магистрали и безопасностью движения, потребуется принимать во внимание вероятность появления тумана – плотной воздушной взвеси капель воды, образующихся на мелких частицах дымового аэрозоля тлеющего торфяника, как на «ядрах» конденсации. Этому явлению способствуют особые (неблагоприятные) метеоусловия в приземной тропосфере: слабый ветер, инверсии температуры. Физическая природа образования такого водно-аэрозольного смога применительно к загрязнению приземной тропосферы аэрозолем антропогенной природы в г. Дели (Индия) исследована в работе [6].
Индийские ученые обнаружили [6], что процессы образования и роста жидких капель на частицах аэрозоля в атмосферном воздухе, насыщенном водяным паром, происходят лавинообразно при достижении определенного «порога» – критических взаимозависимых значений температуры и парциального давления в воздухе насыщенного водяного пара. Ими было установлено, что явления образования и роста жидких капель в атмосферном воздухе являются конкурирующими процессами. Теоретические особенности конкуренции этих физических явлений, имеющих особое значение для понимания загрязнения атмосферы тлеющими торфяниками, описаны в той же работе [6]. Они зависят уже от предпочтительности роста, начиная с определенного критического размера, физической поверхности капель за счет выделения на ней конденсируемых из водяного газа/пара молекул воды.
Можно ожидать, что тлеющий торфяник выбросом в атмосферу частиц аэрозоля микронного размера, аналогично выбросу аэрозольных частиц в атмосферу от автотранспорта и промышленных предприятий в городах [4, 6, 7], при неблагоприятных метеоусловиях может инициировать процессы образования водно-аэрозольного смога или путем дополнительного повышения общей концентрации частиц усиливать его токсическую опасность. На основании анализа результатов исследований работы [8] можно достоверно предположить, что повышение токсического действия поллютантов смога тлеющего торфяника способно ослабить рефлекторные реакции у водителей и совместно с уменьшением дальности обзора в замутненной аэрозолем воздушной среде над проезжей частью дороги (рис. 1) повысить риск дорожно-транспортных происшествий (ДТП).
В статье приведена математическая модель и методика расчетного мониторинга дорожной безопасности в чрезвычайных условиях распространения смога от тлеющего торфяника.
Методика исследования
Закономерности процессов распространения и накопления вблизи автомобильной дороги СО, PM10, PM2.5 смога от тлеющего торфяника моделируются оригинальным способом искусственных нейронных сетей с использованием Гауссиана как радиальной базисной функции [9]. Концентрация поллютанта C (г/м3) в любой точке пространства над дорогой вблизи тлеющего торфяника при допущении нормального закона распределения определяется согласно уравнению:
где x0, y0, z0 – декартовы координаты тлеющего торфяника как источника выброса поллютанта, м, с интенсивностью М, г/c; U – скорость движения воздуха (ветра) в направлении оси OX, м/c; Ϭx, Ϭy, Ϭz – значения средних квадратичных отклонений для текущего времени t по осям координат OX, OY, OZ.
Применение принципа суперпозиции позволяет из уравнения (1) получить выражение для расчета концентрации поллютанта:
После перехода к кубатурным формулам c заменой интеграла конечной суммой:
где Ri – численный коэффициент; 
, 
, 
) – точки, в которых производится интегрирование; i = 0, 1, 2, 3, …, n.
Настройка весов искусственной нейронной сети, а именно пропорционально и непропорционально входящих коэффициентов Ri и ( , , ) в уравнение (3), производится путем минимизации значений итерационных вычислений по уравнению, именуемому в теории искусственных нейронных сетей «функционалом ошибки» по методике [9] для уточняющих наборов исходных параметров, например, скорости и направления движения воздуха.
В качестве гетерогенных параметров, уточняющих («обучающих») модель (3), использовались как измерения газоанализаторами [9], так и данные расчетов по адекватным моделям [10, 11] распределения концентраций поллютантов в шлейфе облака смога тлеющего торфяника.
Для оценки дальности обзора на дороге в горизонтальной плоскости (
) в условиях «замутнения» воздушной среды обводненным аэрозолем [4] может быть использовано, например, эмпирическое выражение, полученное авторами [6] в ходе полевых измерений дальности видимости в городских условиях г. Дели (Индия) для частиц антропогенного аэрозоля в спектре размеров от 0,3 до 20 мкм:
где – дальность обзора, м;
В связи с тем, что при загрязнениях воздуха на дороге тлеющим торфяником вероятно ожидать как появление туманов, так и их отсутствие, в настоящем исследовании для оценки дальности обзора на дороге в горизонтальной плоскости ( ) была использована обобщенная формула W. Traberta [12]:
где 
– постоянная величина, зависящая от распределения частиц по размеру в местах контроля их концентрации на дороге; q – концентрация частиц аэрозоля в воздухе над дорогой, г/м3; ρ – плотность массы частиц аэрозоля, г/м3; – средний размер частицы аэрозоля в поперечнике, м.
Принимая во внимание, что загрязнение воздуха поллютантами тлеющего торфяника имеет риск острого воздействия на самочувствие водителей и, как следствие, ослабления рефлекторных реакций на дорожные опасности, оценки токсического влияния делались с использованием действующего Р 2.1.10.1920–04 «Руководства оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду» по методике, отмеченной в публикации [4]. Анализ приказа МЧС России от 8 июля 2004 г. № 329 «Об утверждении критериев информации о чрезвычайных ситуациях» позволяет рекомендовать порог наступления комплексной чрезвычайной опасности воздействия тлеющего торфяника на дорожную безопасность числовыми параметрами: 5 ПДКМР поллютанта и обзорность дороги водителем 50 м.
Результаты исследования
Проверка адекватности и работоспособности подхода расчетного контроля дорожной безопасности осуществлялась по модельным сценариям развития чрезвычайных дорожных ситуаций от тлеющих торфяников, вероятных для заболоченного региона Иркутской обл. (табл. 1) [9].
Таблица 1
Характеристика сценариев для развития опасной дорожной ситуации от тлеющего торфяника
|
№ сценария / Исходные характеристики и условия |
1 |
2 |
|
Опасные химические вещества |
СО, РМ2.5, РМ10 |
СО, РМ2.5, РМ10 |
|
Направление ветра |
На магистраль |
На магистраль |
|
Сила ветра |
От 1 м/с до 2 м/с |
От 0,5 м/с до 1 м/с |
|
Расстояние до дороги |
От 2 км до 5 км |
От 2 км до 5 км |
|
Поверхность тлеющего торфяника, га |
|
|
|
Диапазон температур воздушной среды, °С |
От -20 до -10 °С |
От -20 до -10 °С |
|
Физическая устойчивость стратифицированной атмосферы [11] |
В пределах 180 |
В пределах 250 |
|
Скорость подъема дымового смога над поверхностью тлеющего торфяника |
Менее 2,5 м/с |
Менее 2,5 м/с |
|
Средняя интенсивность эмиссии поллютантов тлеющим торфяником |
По СО – 118 г/с; По РМ2.5 – 16 г/с; По РМ10 – 17 г/с |
По СО – 252 г/с; По РМ2.5 – 29 г/с; По РМ10 – 38 г/с |
|
Вероятность образования тумана |
нет |
да |
В табл. 2 представлено предлагаемое ранжирование опасности дорожной ситуации
к возникновению ДТП на дорогах при воздействии смога от горящего торфяника, а на рис. 2 – результаты в форме ГИС-карты численного эксперимента в окрестности автомобильной дороги ФАД Р-255 «Сибирь», проведенного с помощью математической модели (1–3) для концентрации оксида углерода СО (мг/м3) (с обучением модели по измерениям Росгидромета).
Соотнесение дальности обзора к опасности ДТП
|
Ранжирование опасности ДТП в зависимости от дальности обзора на дороге |
|||||
|
Обзор, м |
|
От 300 до 799 |
От 130 до 299 |
От 51 до 129 |
|
|
Ситуация |
Допустимая |
Удовлетво- рительная |
Неудовлетво- рительная |
Опасная |
Чрезвычайно опасная |
Из анализа результатов рис. 2 можно сделать вывод о том, что при метеорологических условиях для рассеяния в воздушной среде поллютантов, соответствующих согласно нормативному документу [11] «нормально неблагоприятным», санитарный уровень воздействия оксида углерода СО на водителей не превысит ПДКМР = 5 мг/м3: в населенном пункте Тельма концентрация СО может приблизиться к значению 2 мг/м3; на других участках ФАД Р-255 «Сибирь», попадающих под влияние смога тлеющего торфяника, значения концентрации СО окажутся значительно меньше опасных величин.
Для других условий формирования и распространения смога от тлеющего торфяника согласно данным табл. 1 ситуация может оказаться чрезвычайно опасной (сценарий № 2, табл. 3): по РМ2.5 острота санитарно-гигиенического воздействия 0,788 [4, 9]; по обзорности дороги – 18 м [4].
Оценка комплексных рисков от поллютантов и от ограничения обзорности на дороге
для водителей по опасности ДТП [4, 9]
|
Показатель риска ЧС |
№ сценария |
Поселок «Тельма» |
|
По СО |
1 |
0,001 |
|
2 |
0,067 |
|
|
По РМ2.5 |
1 |
0,001 |
|
2 |
||
|
По РМ10 |
1 |
0,001 |
|
2 |
0,5 |
|
|
1 |
538 |
|
|
2 |
Критический анализ расчетных данных, указанных в табл. 3, позволяет сделать вывод о том, что при вероятных для данного региона Российской Федерации климатических и метеорологических аномально неблагоприятных условиях в сочетании с мощными выбросами поллютантов СО, РМ2.5, РМ10 от тлеющего торфяника и образования в приземной тропосфере над дорогой плотного тумана визуально контролируемый водителем обзор дороги может сократиться до 18 м и менее. При сохранении таких экстремально неблагоприятных, по природе гетерогенных, факторов на несколько часов и дней в условиях интенсивного движения (как сейчас принято говорить «трафика») вероятно ожидание ДТП и, возможно, чрезвычайного транспортного коллапса [4, 9].
Заключение
Предлагаемая методика расчетного мониторинга и прогнозирования риска ДТП от тлеющих торфяников на автомобильных дорогах с интенсивным «трафиком», основанная на оригинальном подходе искусственной нейронной сети, получаемой и обучаемой одновременно с использованием апробированных фундаментальных представлений о рассеянии поллютантов в стратифицированной тропосфере и данных непосредственных измерений их концентраций, прошла адаптацию с подтверждением работоспособности применительно к реальным и гипотетически вероятным сценариям развития чрезвычайных ситуаций на автомобильных дорогах, включая сценарий образования смога в условиях продолжительных туманов.
Авторы выражают благодарность кандидату технических наук В.Д. Тимофееву за предоставление расчетно-аналитических материалов, критический анализ которых позволил внести методические уточнения в совместно разработанный подход прогноза влияния поллютантов тлеющих торфяников на риск возникновения ДТП.
1. Wael K. Al-Delaimy and others health of people, health of planet and our responsibility. Climate change, air pollution and health // eBook, Springer, XXIII. 2020. 417 s. DOI:https://doi.org/10.1007/978-3-030-31125-4.
2. Public values for integration in natural disaster management and planning: A case study from Victoria, Australia / A. Rawluk [et al.] // J. Environ. Manage. 2017. Vol. 185. P. 11-20.
3. Fann N., Alman B., Broome R.A. The health impacts and economic value of wildland fire episodes in the U.S.: 2008-2012 // Sci. Total Environ. 2018. Vol. 610-611. P. 802-809. DOI:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.024.
4. Ложкин В.Н. Моделирование опасного для населения воздействия торфяного пожара // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2022. № 3. C. 16-19. DOI:https://doi.org/10.34987/vestnik.sibpsa.2022.25.88.005.
5. On physical and mathematical modeling of the initiation and propagation of peat fires / A.M. Grishin [et al.] // Inzh.-Fiz. Zh. 2009. Vol. 82. № 6. P. 1210-1217.
6. Manju M., Swagata P. Aerosol number concentrations and visibility during dense fog over a subtropical urban site // Journal of nanomaterials. Vol. 2014. Article ID 495457. DOI:https://doi.org/10.1155/2014/495457.
7. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint Petersburg using European and Russian calculation models // Transportation Research Part D. Transport and Environment. 2015. № 36. P. 178-189. DOI:https://doi.org/10.1016/j.trd.2015.02.013.
8. Reported prevalence of health conditions that affect drivers / F. Alonso // Cogent medicine. 2017. Vol. 4. DOI:https://doi.org/10.1080/2331205X.2017.1303920.
9. Нейросетевой подход в решении задач прогнозирования загрязнения воздуха торфяным пожаром / В.Д. Тимофеев [и др.] // Нейрокомпьютеры и их применение: материалы XV Всерос. науч. конф. М.: ФГБОУ ВО МГППУ, 2017. C. 104-106.
10. Берлянд М.Е., Генихович Е.Л., Оникул Р.И. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких и холодных источников // Метеорология и гидрология. 1990. № 5. С. 5-16.
11. Об утверждении методов расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе: приказ Минприроды России от 6 июня 2017 г. № 273. URL: http://docs.cntd.ru/document/456074826 (дата обращения: 17.05.2023).
12. Kampe H.J., Weickmann H.K. Traberts`s formula and the determination of the water content in clouds // Journal of meteorology. 1952. Vol. 9. P. 167-171.
