CC BY
13ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ИНТЕНСИВНОСТИ ДВИЖЕНИЯ АВТОТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНОЙ УЯЗВИМОСТИ ГОРОДСКОГО НАСЕЛЕНИЯ
В.Н. Ложкин, доктор технических наук, заслуженный деятель науки Российской Федерации; М.А. Косовец;
Б.В. Гавкалюк, кандидат технических наук. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Одной из острейших экологических проблем современности является состояние качества атмосферного воздуха в крупных мегаполисах. Основным источником загрязнения атмосферы является высокая транспортная нагрузка. Локальными зонами загрязнения атмосферы опасными для здоровья химическими веществами (частицы ПМю, ПМ2,5, NO2, SO2, бензопирен и др.) отработавших газов двигателей автомобильного транспорта являются элементы улично-дорожной сети - автомобильные магистрали. В статье обосновывается инженерная методика расчета структуры и интенсивности транспортных потоков на городских магистралях по данным регистрации датчиками автоматизированного учета на элементах улично-дорожной сети, адаптированная к общим требованиям инструментального контроля.
Ключевые слова: автотранспортные средства, транспортный поток, выбросы загрязняющих веществ, мониторинг
ENGINEERING METHODOLOGY OF CALCULATION OF STRUCTURE CHANGING AND INTENSITY OF THE TRAFFIC STREAM IN THE CONDITIONS OF EXTREMELY DANGEROUS WEAKNESS OF URBAN POPULATION
V.N. Lozhkin; M.A. Kosovets; B.V. Gavkaljuk.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
One of the important problems of modernity is the quality of atmosphere in megapolis. The main source of the atmosphere pollution is an intensive traffic load. Local areas of air pollution by chemical matters of exhaust gas of vehicle engine bodies (which are dangerous for health) are elements of the traffic system, i.e. through truck route. In the article the questions connected with the engineering methodology of calculation of structure changing and intensity of the traffic stream on the city motoring highways are discussed. This methodology is based on the registered information gotten by the measuring automatic elements that are adopted by the specific rules. Keywords: vehicles, traffic stream, pollution emissions, monitoring
Одной из острейших экологических проблем современности является состояние качества атмосферного воздуха в крупных мегаполисах и промышленных агломерациях [1-3]. Для ряда территорий загрязнение воздушной среды достигает критических размеров [4-7]. Около половины населения Российской Федерации проживает в городах с превышением допустимых норм загрязненности воздуха в селитебных территориях [8, 9]. В настоящее время общепринятым подходом к оценке экологической
ситуации в городе является усреднение результатов наблюдений по всей территории, что не позволяет отдельно выделить участки с повышенной антропогенной нагрузкой, требующие первоочередных мер и капиталовложений по улучшению качества окружающей среды. Санкт-Петербург занимает третье место после г. Норильска и Москвы по загрязнению атмосферного воздуха в России - выбросы в атмосферный воздух составляют 488 тыс. т в год [10]. Основным источником загрязнения атмосферы является высокая транспортная нагрузка. На долю автомобильного транспорта приходится 85,9 % выбросов мегаполиса [11].
Локальными зонами загрязнения атмосферы опасными для здоровья химическими веществами (частицы ПМ10, ПМ25, NO2, SO2, бензопирен и др.) отработавших газов двигателей автомобильного транспорта являются элементы улично-дорожной сети -автомобильные магистрали. Повышенной концентрации чрезвычайно опасных веществ в окрестности автомагистралей способствуют: неисправное техническое состояние двигателей внутреннего сгорания или несоответствие последним требованиям экологических стандартов, закономерно повторяемые метеорологические факторы (погодные условия, при которых затрудняется рассеивание загрязняющих газообразных веществ в атмосфере, такие как штиль, температурные инверсии).
Принимая во внимание высокую связь величин максимальных разовых выбросов с характеристиками интенсивности движения, для определения количественных показателей загрязнения воздушной среды в «часы пик» в окрестности автомагистрали были использованы данные измерений интенсивности движения с помощью автоматических датчиков, предоставленные СПб ГБУ «Центр транспортного планирования Санкт-Петербурга» (ЦТП СПб).
В статье обосновывается инженерная методика расчета структуры и интенсивности транспортных потоков на городских магистралях, адаптированная к общим требованиям инструментального контроля по ГОСТ 32965-2014 [12] и ранее обоснованным пяти модельным группам транспортных средств [13]. Методика апробирована применительно к расчету ожидаемого загрязнения воздушной среды на Обуховском мосту Санкт-Петербурга для неблагоприятных метеорологических условий.
Методика исследования
В разработанной новой методике ранжирование автотранспорта по учетным группам производилось на основе действующих принципов категорирования, закреплённых не только в национальном стандарте ГОСТ Р 51709-2001 (Приложение А), но и в международных документах: в Правилах № 13 Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций и Решении Совета Евразийской экономической комиссии № 6 от 30 января 2013 г. по вступлению в силу с 1 января 2015 г. технического регламента таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (ТР ТС 018/2011).
Оценка структуры (состава), интенсивности и выбросов вредных (загрязняющих) веществ с отработавшими газами автотранспортных потоков на выбранном участке Обуховского моста Санкт-Петербурга выполнялись по следующим учетным группам:
- I - легковые - (Л);
- II - автофургоны и микроавтобусы до 3,5 т - (АМ);
- III - грузовые от 3,5 до 12 т - (Г<12);
- IV - грузовые свыше 12 т - (Г>12);
- V - автобусы свыше 3,5 т - (А>3,5).
Подсчет проходящих автотранспортных средств проводился в 20-минутных временных интервалах каждого часа из отрезков времени, приходящихся на часы «пик», синхронно и раздельно по каждому направлению движения. Для получения более обоснованных значений количества регистрируемого проходящего автотранспорта, а, следовательно, и максимальных разовых выбросов (г/с), потребовался значительный массив данных об интенсивности и структуре транспортных потоков.
В настоящей работе для получения такого массива информации были использованы данные замеров с автоматических датчиков учета интенсивности движения транспортных потоков ЦТП СПб. Наличие серий измерений в 2018 г. обеспечило получение надежных исходных данных о структуре и интенсивности транспортных потоков с 5-минутным периодом осреднения в течение нескольких суток на исследуемом перегоне участка Кольцевой автодороги на Обуховском мосту.
Протоколы (текстовые файлы) для каждой серии измерений, полученные ЦТП СПб, включали по всем восьми полосам движения следующую информацию в условных аббревиатурах: общую интенсивность движения (VOLUME), интенсивность движения по четырем группам грузового транспорта: MID SIZE 1 (Грузовые < 5 т), MID SIZE 2 (Грузовые 5-12 т), LONG VEH 1 (Грузовые 12-20 т), LONG VEH 2 (Грузовые > 20 т) и легкового транспорта. Кроме того, в файлах фиксируется скорость движения и число неопознанных грузовых объектов (XLONG VEH). Фрагмент протокола исходных данных (текстового файла) фиксации транспортного потока в одном направлении приведен на рис. 1.
Таким образом, исходная логистическая информация, по сути, содержала весь необходимый банк измерительных сведений об автотранспортных потоках, полученных в непрерывно автоматическом режиме, с интервалами в 5 мин в различные временные промежутки, длительностью от нескольких суток до нескольких недель.
Гармонизация информации по интенсивности движения автотранспорта, регистрируемого с помощью датчиков автоматизированного учета на выбранном участке Обуховского моста Санкт-Петербурга, производилась следующим групповым соотнесением:
- I - легковые (Л): [(VOLUME + XLONG VEH) - (MID SIZE 1 +
MID SIZE 2 + LONG VEH 1 + LONG VEH 2)];
- II - автофургоны и микроавтобусы до 3,5 т (АМ): MID SIZE 1;
- III - грузовые от 3,5 до 12 т (Г^): MID SIZE 2;
- IV - грузовые свыше 12 т (Г>12): LONG VEH 1 + LONG VEH 2;
- V - автобусы свыше 3,5 т (А>3,5): принимаются 0,15 MID SIZE 2,
где VOLUME - общее количество транспортных средств, а XLONG VEH - неопознанные транспортные средства, относимые к легковым автомобилям.
Для выявления особенностей распространения опасных поллютантов в окрестности Обуховского моста Санкт-Петербурга использовался методологический подход математического моделирования загрязнения атмосферы, разработанный в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Войкова [6].
Метод базируется на численном решении дифференциального уравнения атмосферной диффузии, из анализа которого вытекает, что при квазистационарных параметрах выброса некоторого загрязняющего вещества изменение его концентрации в прилегающей области будет зависеть от турбулентного обмена и скорости ветра.
да да да да д 7 да д 7 да д 7 да — + и — + V— + W— =— £х — +—— + — kz — д/ дх ду дz дх дх ду ду дz дz
где х и у - оси расположенные в горизонтальной плоскости (в декартовой системе координат); z - ось по вертикали; I - время; и, V, w - составляющие средней скорости перемещения примесей соответственно по направлению осей х, у, г; кх, ку, кг - горизонтальные и вертикальная составляющие коэффициента обмена; а - коэффициент, определяющий изменение концентрации за счёт вероятного химического превращения примеси.
RTMS 5TAT. MESSAGES ZONE: 12 3 4 SPEED IN Km/h.Occupancy 6 ft loop normalized.
20 04 2018 12:40:00 MESSAGE NO. 1
STATION ID. FWDLK SPEED
VOLUME 9 14 11 0 0 0 0 0
MID SIZE 1 1 4 0 0 0 0 0 0
MID SIZE 2 2 1 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 1 0 2 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 2 0 0 0 0 0 0 0 0
XLONG VEH 0 0 0 0 0 0 0 0
OCCUPANCY 1 1 1 0 0 0 0 0
SIDEFRD SPD 53 84 65 7 7 7 7 7
20 04 2018 12:45:00 MESSAGE NO.
STATION ID. FWDLK SPEED
VOLUME 15 6 5 0 0 0 0 0
MID SIZE 1 2 0 3 0 0 0 0 0
MID SIZE 2 1 0 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 1 0 0 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 2 0 0 0 0 0 0 0 0
XLONG VEH 1 0 0 0 0 0 0 0
OCCUPANCY 2 1 1 0 0 0 0 0
SIDEFRD SPD 56 79 70 7 7 7 ? 7
20 04 2018 12:50:00 MESSAGE NO. 3
STATION ID. FWDLK SPEED
VOLUME 14 16 6 0 0 0 0 0
MID SIZE 1 2 3 1 0 0 0 0 0
MID SIZE 2 1 1 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 1 1 0 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 2 0 1 0 0 0 0 0 0
XLONG VEH 1 0 0 0 0 0 0 0
OCCUPANCY 2 1 1 0 0 0 0 0
SIDEFRD SPD 65 79 68 7 7 7 ? 7
20 04 2018 12:55:00 MESSAGE NO. 4
STATION ID. FWDLK SPEED
20 04 2018 13:00:00 MESSAGE NO.
VOLUME 9 24 10 0 0 0 0 0
MID SIZE 1 2 4 2 0 0 0 0 0
MID SIZE 2 1 1 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 1 1 0 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 2 0 1 0 0 0 0 0 0
XLONG VEH 1 0 0 0 0 0 0 0
OCCUPANCY 1 2 1 0 0 0 0 0
SIDEFRD SPD 67 78 66 7 7 7 7 7
STATION ID. FWDLK SPEED
VOLUME 10 19 7 0 0 0 0 0
MID SIZE 1 0 4 0 0 0 0 0 0
MID SIZE 2 2 1 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 1 0 0 0 0 0 0 0 0
LONG VEH 2 0 1 0 0 0 0 0 0
XLONG VEH 3 1 0 0 0 0 0 0
OCCUPANCY 2 2 1 0 0 0 0 0
SIDEFRD SPD 68 79 73 ? ? ? ? 7
Dir. 128 V. 120 H. 16
Dir. 128 V. 120 H. 16
Dir. 128 V. 120 H. 16
Dir. 128 V. 120 H. 16
Dir. 128 V. 120 H. 16
Рис. 1. Пример выдержки из текстового файла, который выводится аналитической системой
обработки информации датчиков
Выражение для определения максимальной концентрации поллютанта, создаваемой автотранспортными потоками, стилизованными в виде линейного источника выброса, определяем из выражения:
_ _ АМРпцЬ LМ ,
где См - максимальная разовая концентрация поллютанта на удалении хМ от автомагистрали, г/м3; М - удельная эмиссия поллютанта в единицу времени, г/с; Г - безразмерный коэффициент, учитывающий скорость седиментации взвешенных частиц с учетом их эффективного диаметра; F принимается равным единице для газообразных веществ и мелкодисперсных взвешенных частиц с эффективным диаметром менее 10 мкм; П - безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности на формирование концентрационных полей загрязнителей; для относительно ровных территорий с перепадом высот не более 50 м на один километр п принимается равным единице; п - безразмерный коэффициент, учитывающий геометрические и температурные характеристики источника выброса; А - безразмерный коэффициент, характеризующий условия распределения примесей в приземном воздушном слое по вертикали и горизонтали, зависящий от стратификации атмосферы; Н - высота магистрали над поверхностью земли, м; Ь - длина участках дороги, м; V1 - объем эмиссии поллютанта от источника в единицу времени, м /с.
Удельная эмиссия поллютанта в единицу времени, г/с, определяется для откорректированных значений удельных пробеговых выбросов вредных веществ с отработавшими газами автотранспорта (табл.).
Таблица. Значения удельных показателей пробеговых выбросов вредных (загрязняющих)
веществ, г/км
Учетные группы В ы б р о с, г/км
СО N02 СН Сажа 802 Формальдегид Бенз(а)пирен
Л 0,8 0,3 0,24 0,510-2 0,610-2 1,410-3 0,1610-6
АМ 4,2 1,6 0,63 3,410-2 1,310-2 2,310-3 0,1810-6
Г<12 4,8 5,8 1,4 0,34 2,410-2 0,610-2 0,5410-6
Г>12 5,1 6,8 1,80 0,40 3,510-2 0,710-2 0,6610-6
А>3,5 3,6 4,3 0,4 0,14 2,010-2 0,210-2 0,1810-6
Результаты исследований
В соответствии с вышеприведенной созданной методикой, была разработана оригинальная программа ее численной реализации. С использованием информации датчиков автоматизированного учета интенсивности движения транспорта были получены характеристики интенсивности и структуры автотранспортных потоков для самой оживленной кольцевой автомагистрали на участке Обуховского моста с 20 апреля 2018 г. (12 часов 40 минут) по 28 апреля 2018 г. (10 часов 45 минут). Ввиду большого объема табличной и графической информации, данные в статье не приводятся.
Из анализа закономерностей распределений интенсивности автотранспортных потоков на Обуховском мостовом переходе сделаны выводы о том, что более высокие средние значения интенсивности движения оказались характерными для легковых автомобилей, автофургонов и микроавтобусов до 3,5 т. Средняя интенсивность движения грузовых автомобилей оказалась в 20 раз ниже, чем легковых. На порядок от легковых автомобилей отличается интенсивность движения автобусов свыше 3,5 т. Однако средние скорости движения грузовых автомобилей и автобусов были выше, чем у легковых автомобилей на 14,5...38,2 %.
На рис. 2 показано ожидаемое для неблагоприятных метеорологических условий загрязнение воздуха К02 в акватории вантового перехода Обуховского моста в «часы пик».
Ввиду того, что в водной акватории на реке Неве эксплуатируются речные суда с дизельными двигателями, расчеты вероятного загрязнения воздуха выполнены для автотранспорта с учетом выбросов К02 от судов по Программе «Эколог-4» ООО «Фирма «Интеграл-Софт» (Санкт-Петербург).
Как следует из анализа приведенных данных, вероятное загрязнение воздуха NO2 на высоте дыхания человека при неблагоприятных метеорологических условиях может достигать значений до 3-6 ПДКМР.
Разработана инженерная методика расчета изменения структуры и интенсивности движения автотранспортного потока в условиях чрезвычайно опасной уязвимости городского населения. Адаптация методики применительно к анализу экстремальных транспортных нагрузок на Обуховском мосту Санкт-Петербурга подтвердила ее работоспособность.
Рис. 2. Карта загрязнения воздуха N02 (в долях ПДКМР) судами и автомобилями в окрестности
Большого Обуховского моста в Санкт-Петербурге
Получаемые по разработанной методике закономерности изменения структуры и интенсивности автотранспортных потоков на городских магистралях позволяют достоверно выявлять на городской территории локальные, во времени и пространстве, ситуации чрезвычайно опасного для населения загрязнения атмосферы вредными веществами.
Литература
1. Jullien M., Dauvergne V., Cerezo А. Environmental assessment of road construction and maintenance policies using LCA // Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016. V. 29. P. 56-65.
2. Aznarte J.L. Probabilistic forecasting for extreme NO2 pollution episodes // Environmental Pollution. 2017. Vol. 229. P. 321-328.
3. Волкодаева М.В., Полуэктова М.М. К вопросу о расчетах загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта // Экология урбанизированных территорий, ИД «Камертон». М., 2008. № 3. С. 103-109.
4. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint Petersburg using European and Russian calculation models // Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D». 2015. № 36. P. 178-189.
5. Ложкин В.Н., Ложкина О.В. Управление экологической безопасностью
автомобильного транспорта: монография. № 31180. ISBN (978-3-8465-2287-5). LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Germany, 2011. 195 с.
6. Berlyand M.E., Burenin N.S., Genihovich E.L. Experimental investigation of atmospheric pollution due to motor vehicles. Proc. Sov. American. Symp on mobile sourses of air pollution. SPb., 1992. V. l. pp. 105-121.
7. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculating models. The study was carried out as a part of the project «Air Quality Governance in the ENPI East Countries» in 2011-2014, funded by the European Union. URL: www.airgovernance.eu. (дата обращения: 11.05.2019).
8. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. RESULTS OF HAROMONIZATION OF RUSSIAN VEHICLE EMISSION STANDARDS WITH EU DIRECTIVES AT THE EXAMPLE OF ST. PETERSBURG, International Symposium, «Environmental and engineering aspects for sustainable living», EANW. Gannover, 2014. S. 101-103.
9. Ложкин В.Н., Невмержицкий Н.В. О решении обратной задачи моделирования опасного воздействия частиц РМ25 и РМ10 в окрестности автомагистрали // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2015. № 2. С. 13-23.
10. Ильин Ф.Е. Экология атмосферного воздуха Санкт-Петербурга // Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии. 2016. № 4 (32). С. 133-137.
11. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2017 году. URL: http://www.infoeco.ru/index.php?id=982 (дата обращения: 11.05.2019).
12. ГОСТ 32965-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Методы учета интенсивности движения транспортного потока. URL: https://files.stroyinf.ru/ Index/ 63/63358.htm. (дата обращения: 11.05.2019).
13. Методика определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга (утв. Распоряжением Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности правительства Санкт-Петербурга от 1 9 янв. 2019 г. № 33-р). URL: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/uploads/2018/B1.pdf. (дата обращения: 11.05.2019).
References
1. Jullien M., Dauvergne V., Cerezo A. Environmental assessment of road construction and maintenance policies using LCA // Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2016. V. 29. P. 56-65.
2. Aznarte J.L. Probabilistic forecasting for extreme NO2 pollution episodes // Environmental Pollution. 2017. Vol. 229. P. 321-328.
3. Volkodaeva M.V., Poluektova M.M. K voprosu o raschetah zagryazneniya atmosfernogo vozduha vybrosami avtotransporta // Ekologiya urbanizirovannyh territory, ID «Kamerton». M., 2008. № 3. S. 103-109.
4. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculation models // Journal Contents lists available at ScienceDirect «Transportation Research Part D». 2015. № 36. P. 178-189.
5. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Upravlenie ekologicheskoj bezopasnost'yu avtomobil'nogo transporta: monografiya. № 31180. ISBN (978-3-8465-2287-5). LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Germany, 2011. 195 s.
6. Berlyand M.E., Burenin N.S., Genihovich E.L. Experimental investigation of atmospheric pollution due to motor vehicles. Proc. Sov. American. Symp on mobile sourses of air pollution. SPb., 1992. V. l. pp. 105-121.
7. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. Estimation of road transport related air pollution in Saint-Petersburg using European and Russian calculating models. The study was carried out as a part of the project «Air Quality Governance in the ENPI East Countries» in 2011-2014, funded by the European Union. URL: www.airgovernance.eu. (data obrashcheniya: 11.05.2019).
8. Lozhkin V.N., Lozhkina O.V. RESULTS OF HAROMONIZATION OF RUSSIAN VEHICLE EMISSION STANDARDS WITH EU DIRECTIVES AT THE EXAMPLE OF ST.-PETERSBURG, International Symposium, «Environmental and engineering aspects for sustainable living», EANW. Gannover, 2014. S. 101-103.
9. Lozhkin V.N., Nevmerzhickij N.V. O reshenii obratnoj zadachi modelirovaniya opasnogo vozdejstviya chastic RM2,5 i RM10 v okrestnosti avtomagistrali // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2015. № 2. S. 13-23.
10. Il'in F.E. Ekologiya atmosfernogo vozduha Sankt-Peterburga // Nauchnaya diskussiya: voprosy matematiki, fiziki, himii, biologii. 2016. № 4 (32). S. 133-137.
11. Doklad ob ekologicheskoj situacii v Sankt-Peterburge v 2017 godu. URL: http://www.infoeco.ru/index.php?id=982 (data obrashcheniya: 11.05.2019).
12. GOST 32965-2014. Dorogi avtomobil'nye obshchego pol'zovaniya. Metody ucheta intensivnosti dvizheniya transportnogo potoka. URL: https://files.stroyinf.ru/ Index/ 63/63358.htm. (data obrashcheniya: 11.05.2019).
13. Metodika opredeleniya vybrosov vrednyh (zagryaznyayushchih) veshchestv v atmosfernyj vozduh ot avtotransportnyh potokov, dvizhushchihsya po avtomagistralyam Sankt-Peterburga (utv. Rasporyazheniem Komiteta po prirodopol'zovaniyu, ohrane okruzhayushchej sredy i obespecheniyu ekologicheskoj bezopasnosti pravitel'stva Sankt-Peterburga ot 19 yanv. 2019 g. № 33-r). URL: https://www.gov.spb.ru/static/writable/ckeditor/ uploads/ 2018/B1.pdf. (data obrashcheniya: 11.05.2019).
