CC BY
66
УДК 656.1:502/504 ББК 39.1
М.В. Радкевич, А.Т. Салохиддинов
о возможностях оценки воздействия автотранспортного комплекса на окружающую среду
В качестве критерия для экологической оценки процессов в автотранспортном комплексе (АТК) предложен индекс ровности дорожного покрытия. Проведенные теоретические исследования и численный эксперимент позволили уточнить взаимосвязь вредных выбросов, шума и риска ДТП с ровностью дорожного покрытия. Изучены изменения доли выбросов от различных процессов АТК в зависимости от ровности. Определены значения индекса ровности, при которых выбросы, затраты на содержание дорог и показатели риска ДТП минимальны. Выявлено, что при интенсивности движения до 5000 авт/сутки минимальные выбросы при минимальных затратах происходят при ровности покрытия, оценивающейся положительными оценками по нормам РУз, но оказывающейся в зоне максимального показателя риска ДТП.
Ключевые слова:
автомобильные дороги, воздействие на окружающую среду, жизненный цикл дороги, парниковые газы, ровность покрытия, шум, ДТП.
Негативное антропогенное воздействие на окружающую среду возрастает с каждым годом. Одну из лидирующих позиций в процессе ухудшения экологической ситуации занимает автомобильный транспорт [1, с. 6].
Вредное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду выражается:
- в потреблении природных ресурсов - атмосферного воздуха, необходимого для протекания рабочих процессов в ДВС; нефтепродуктов и природного газа, являющихся топливом; воды для систем охлаждения ДВС и мойки транспортных средств, производственных и бытовых нужд предприятий транспорта; земельных ресурсов, отчуждаемых под строительство дорог и объектов инфраструктуры транспорта;
- в выбросах в атмосферный воздух парниковых газов, способствующих изменению климата планеты;
- в выбросах в атмосферный воздух токсичных веществ, вредных для человека, животных и растений;
- в тепловых выбросах в окружающую среду в процессе работы ДВС;
- в создании высоких уровней шума и вибрации;
- в травматизме и гибели людей и животных, а также нанесении материального ущерба при ДТП.
Наиболее значимым воздействием на окружающую среду (ОС) автомобильного транспорта следует считать выбросы газов (в т.ч. парниковых) и твердых частиц в атмосферу, поскольку:
- загрязнения из атмосферного воздуха попадают в организм человека при дыхании;
- загрязнения вымываются из воздуха осадками, которые, выпадая на землю, вносят опасные вещества в почву, проникающие затем в растения, потребляемые человеком и животными;
- накапливающиеся в атмосфере парниковые газы приводят к изменению климата.
Отрицательное воздействие транспорта на окружающую среду может усиливаться по следующим причинам:
1) неудовлетворительные экологические характеристики транспортных средств;
2) недостаточный уровень технического содержания парка машин;
3) недостаточное развитие дорожной сети и низкое качество дорог;
4) отсутствие четких экологических ориентиров при принятии решений в области развития и обеспечения функционирования транспорта.
Для получения ориентиров при принятии решений, связанных с улучшением экологической ситуации, необходимо выявить фактор, связывающий все процессы, происходящие при эксплуатации дорог в течение их жизненного цикла. Тогда, регулируя этот фактор, можно найти такое его значение, при котором воздействие АТК на ОС будет минимально возможным.
Рассмотрим возможный путь нахождения фактора, связывающего процессы, происходящие в АТК. Главным источником выбросов является автомобиль, который неразрывно связан с дорогой, образуя таким образом систему «дорога - автомобиль». Основная доля загрязнений приходится на выхлопные газы двигателей
о
транспортных средств. Однако в процессе эксплуатации автомобильных дорог свой вклад в загрязнение окружающей среды вносят производство топлива для движения автомобилей и дорожных машин, производство материалов для ремонта и т.д. При комплексной оценке выбросов системы «дорога - автомобиль» необходимо учитывать сложную взаимосвязь дороги и автомобиля. Поток автомобилей, двигаясь по дороге, разрушает ее, причем и сами автомобили также разрушаются. Таким образом, состояние покрытия обуславливает периодичность ТО и ремонтов автотранспортных средств (АТС). Между состоянием покрытия и периодичностью ремонтов АТС существует вполне определенная зависимость
Разрушение дороги происходит по определенному закону в зависимости от интенсивности движения и климатических факторов. Для поддержания состояния покрытия на требуемом уровне при заданной интенсивности движения требуется определенное количество средних ремонтов дороги. Ремонты АТС и дороги сопровождаются выбросами вредных веществ, которые необходимо учитывать при экологической оценке воздействия на ОС.
Состояние дорожного покрытия обусловливает скорость автомобиля, а следовательно, и количество его выбросов в атмосферу. К показателям качества дорожного покрытия, влияющим на скорость автомобиля, относятся сцепные качества и ровность. Влияние сцепных качеств сказывается главным образом в зимний период. Для регионов, где продолжительность периода с минусовой температурой невелика, можно считать, что ровность покрытия является фактором, обусловливающим колебания количества выбросов автомобилей при прочих равных условиях. Очевидна необходимость нахождения связи между состоянием дорожного покрытия и степенью воздействия автотранспорта на окружающую среду. Для этого прежде всего была установлена зависимость допустимой скорости автомобиля от степени ровности дорожного покрытия [9].
Допустимая скорость при данной ровности базировалась на допустимом вертикальном ускорении кузова автомобиля при колебаниях на неровностях дороги (1-8 м/с2). В результате было выявлено, что:
- между допустимой скоростью и ровностью дорожного покрытия существует обратно-пропорциональная зависимость;
- для каждого типа автомобиля можно получить график зависимости допустимой
скорости от ровности при наличии данных о его массе и сопротивлении в амортизаторах. Рассмотрев совместно график «скорость - ровность» для легкового автомобиля и график зависимости выброса СО от скорости движения, полученный В.М. Луканиным [5, с. 50-70], получили график зависимости выбросов СО от ровности дорожного покрытия Ж! (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязь выбросов СО и ровности дорожного покрытия.
Из рис. 1 можно сделать следующие выводы:
- для каждого типа автомобилей существует некоторая ровность покрытия, при которой удельные выбросы (г/км) вредных веществ будут минимальными;
- имея графики «скорость - ровность» и «скорость - выброс газа» для каждого типа АТС, можно определить количество вредных выбросов при любом значении ровности покрытия.
Приняв допущение, что характер кривой «выброс газа - ровность» движущегося потока автомобилей аналогичен графику рис. 1, мы сформулировали задачи дальнейших исследований: найти такую ровность дорожного покрытия, при которой выбросы движущегося потока АТС определенной интенсивности будут минимальными, с целью внесения корректив в нормативные документы по оценке ровности дорог общего пользования.
Нами была предпринята попытка произвести оценку количества всех выбросов в системе «дорога - автомобиль» в течение жизненного цикла (ЖЦ) дороги. С целью выявления зависимостей между допустимой ровностью дорожного покрытия и количеством выбросов на различных этапах ЖЦ дороги был поставлен широкомасштабный компьютерный эксперимент. Для проведения эксперимента были выбраны следующие модели.
По дорогам:
1. Модель прогнозирования ровности дорог [7].
2. Модель, определяющая среднегодовую площадь покрытия, подлежащую текущему ремонту [2].
3. Модель, описывающую выравнивающий эффект среднего ремонта [4, с. 311-318].
По АТС:
1. Модель прогнозирования скорости потока АТС в зависимости от ровности дорожного покрытия [8].
2. Модель прогнозирования количества выбросов потока АТС в зависимости от скорости [6, с. 15-25].
3. Модель оценки интенсивности износа АТС в зависимости от скорости движения и ровности дорожного покрытия [12].
В качестве исходных данных были приняты опубликованные результаты исследований НАМИ, лаборатории МАДИ ТУ, КаздорНИИ, Узавтойул, касающиеся закономерностей изменения состояния дорожного покрытия с течением времени, а также количества выбросов при движении АТС, производстве ремонтов АТС и дорожного покрытия, производства топлива и материалов [5, с. 50-60; 7; 4, с. 225-235; 8; 6, с. 15-25; 3, с. 30-35].
Эксперимент представлял собой вариационную задачу с перебором различных значений допустимой ровности, и включал в себя 9 этапов для дорог с капитальным типом дорожной одежды и 5 этапов для дорог с облегчённым типом. Каждому этапу соответствовали различные значения интенсивности движения от 1000 до 10000 авт/сут. В каждом этапе было принято 4-6 вариантов допустимой ровности покрытия. Допустимая ровность задавалась от 3,5 Ш1 («отлично» в соответствии с принятой системой оценок ровности в период эксплуатации дорог) [3, с. 47]. В качестве средних ремонтов, используемых для поддержания допустимой ровности, были рассмотрены 3 варианта:
а) поверхностная обработка;
б) термопрофилирование;
в) укладка нового слоя асфальтобетона.
Срок службы дороги с капитальным типом дорожной одежды принят 18 лет, для дорог с облегчённым типом покрытия - 12 лет. Для эксперимента были выбраны наиболее распространенные на дорогах Узбекистана варианты интенсивности движения по данным ГАК Узавтойул.
В задаче учитывались выбросы следующих источников [9]:
1) движение автомобилей;
2) ТО и ремонт автомобилей;
3) производство топлива;
4) производство материалов для ТО и ремонта АТС;
5) при текущем ремонте дорог;
6) при среднем ремонте дорог;
7) при производстве топлива для текущего ремонта;
8) при производстве топлива для среднего ремонта;
9) при производстве материалов для текущего ремонта;
10) при производстве материалов для среднего ремонта.
Расчет выбросов был произведен для всего срока службы дорог для каждого значения выбранной допустимой ровности и для каждой интенсивности движения.
Выбросы от всех перечисленных ранее выше источников разбиты на 3 группы:
1) парниковые газы;
2) выбросы в придорожной зоне;
3) локальные загрязнения.
К парниковым газам (СО2, СН4 и ^О) отнесены их выбросы от всех источников. К выбросам в придорожной зоне отнесены выбросы от движущихся АТС и при проведении ремонтных работ на дороге. К локальным загрязнениям отнесены выбросы при ремонте АТС и производстве материалов (выбросы предприятий).
Результаты проведенных исследований позволили проследить изменение процентных содержаний выброса какого-либо вещества в зависимости от принятой допустимой ровности покрытия. На рис. 2 и 3 показаны выбросы одного из самых опасных для здоровья человека газа СО, происходящие при эксплуатации АТК при интенсивности движения N = 6000 авт/сут.
Как показано на рис. 2, количество выбросов при движении и обслуживании автомобилей распределяется следующим образом: движение - 42,22 ... 45,76%; ТО и ремонт - 11,86 ... 12,9%; производство топлива - 6,81 ... 7,21%; производство материалов для ТО и ремонта - 34,99 ... 38,06%.
Рис. 2. Выбросы СО при движении и обслуживании автомобилей (интенсивность движения N = 6000 авт/сут).
о
0.25
а
о
г о го
8 0 15
й
а 0.10
0.00
3 4 5 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Допустимая ровность покрытия IRL м!км
_] при : -KV: 1 1 ремонте дорог т TipK ерелнем ремонте дорог
ШШ I jpn производстве юплиия 1.:>. текущего ремонта
1 при гтрситшодстве lui 11.1 дня :~-г 1С! (I ремонта
при Ii'.;ПСПК материалов для ТСКуЩСГО рСЫОПТа ^ при прйичяодствс Mirrepладов для среднего рсчгоетта
Рис. 3. Выбросы СО при обслуживании автомобильных дорог (интенсивность движения N = 6000 авт/сут).
Приведенные данные показывают, что с увеличением индекса ровности наиболее заметно возрастают доли выбросов, приходящиеся на движение автомобилей (3,54%), что связано с экологической ситуацией в придорожной зоне, и производство материалов для ТО и ремонта автомобилей (3,07%) - свидетельствует об ухудшении ситуации в поселковых зонах.
Количество выбросов при обслуживании дорог (рис. 3) распределяется следующим образом: текущий ремонт - 64,54 ... 72,08%; средний ремонт - 0 ... 6,74%; производство топлива - 25,91 ... 26,23%; производство материалов для текущего и среднего ремонта - 1,68 ... 2,81%.
Наибольшее увеличение выбросов при увеличении индекса ровности приходится на долю текущего ремонта (7,54%) и среднего ремонта (6,74%), что связано с экологической ситуацией на дороге и придорожной зоне.
Приведенные данные показывают, что снижение ровности покрытия способствует ухудшению экологической ситуации в придорожной зоне, а также в населенных пунктах, где имеются предприятия по ремонту автомобилей и производству материалов.
Одной из важнейших проблем, связанных с эксплуатацией АТК, является выброс большого количества парниковых газов (главным образом СО2), вызывающих постепенное изменение климата. Для принятия мер по улучшению экологической ситуации необходима прежде всего организация учета выбрасываемых парниковых газов. Настоящее исследование было направлено на создание метода инвентаризации и опре-
деления выбросов парникового газа СО2 на основе измерения фактической ровности дорожного покрытия. Если ровность соответствует положительной оценке по принятым в государстве нормам, то и количество выбросов должно считаться удовлетворительным.
В результате проведенных экспериментов были получены уравнения «выбросы -интенсивность движения» вида:
тС02 = + Ш + С, (1)
где тС02 - массовый выброс СО2, т/год-км, N - интенсивность движения, тыс. авт/сут А, В, С - коэффициенты, определяемые для дорог с капитальным типом покрытия по формулам:
А: у1 = -0,000008688 ж8 + 0,000585373 х7 -
- 0,017016784 х6 + 0,279385699 х5 -
- 2,836359632 х4 + 18,21080871 х3 -
- 71,97313455 х2 + 159,4341975 х -
- 150,497783 = А (2) В: у2 = -0,000038605 х8 + 0,0035213 х7 -
- 0,129120942 х6+ 2,527767264 х5 -
- 29,17135835 х4+ 204,573212 х3 -
- 855,9080764 х2 + 1963,566667 х -
- 1849,876144 = В (3) С: уз = -0,000733432 х8 + 0,04751178 х7 -
- 1,308293548 х6+ 19,99653795 х5 -
- 185,6542291 х4+ 1072,386057 х3 -
- 3763,169261 х2 + 7327,045842 х -
- 6034,965189 = С (4) где х - ровность покрытия Ш1, м/км.
Уравнения позволяют определять удельные выбросы парникового газа СО2 при любой ровности для заданной интенсивности и могут служить нормативной базой при инвентаризации СО2 при современном состоянии АТК
На основании экспериментальных данных были построены графики (рис. 4) зависимости выбросов от ровности (при различной интенсивности движения), которые подтвердили предположение о наличии минимумов выбросов при каждой интенсивности движения (кроме ^О и NH3, которые практически не изменяются в зависимости от ровности).
Результаты проведенного эксперимента дают возможность рекомендовать значения допустимой ровности покрытий, обеспечивающей минимальный ущерб ОС от АТК.
Однако при назначении оптимальной с точки зрения экологии допустимой ровности необходимо учесть зависимость количества ДТП от ровности покрытия, т.к. удельный вес причин возникновения ДТП из-за дорожных условий по ровности в среднем составляет 20,5% [10]. Исследования В.В. Чванова и Д.А. Стрижевского [11] показали, что зависимость показателя риска ДТП
Рис. 4. График зависимости выбросов СО2 от ровности при различной интенсивности движения.
от ровности дорожного покрытия для различных типов дорог (двухполосные, многополосные с разделительной полосой и без нее) имеет общий характер (рис. 5).
О 2 4 6 8 10 12 Ровность м.'км
Рис. 5. Взаимосвязь показателя риска ДТП и ровности дорожного покрытия.
По мере увеличения индекса ровности Ш1 до значений 5-6 показатель риска ДТП первоначально возрастает, а затем постепенно снижается. Такой характер зависимости объясняется особенностями восприятия водителем повреждения покрытия проезжей части и выбором соответствующих моделей поведения.
Исследования показали, что по мере увеличения показателя ровности Ш1 перераспределяется вероятность наличия отде-
льных типов повреждений покрытия: возрастает доля повреждений, существенных с точки зрения выбора водителями безопасной скорости движения (выбоины, просадки, гребенка и т.п.). На основании этого можно сделать вывод, что до тех пор, пока влияющие на режим и траекторию движения автомобилей повреждения покрытия остаются неожиданными для водителя, увеличение их количества влечет за собой рост показателя риска ДТП. Большое же количество таких дефектов, присущее участкам дорог с явно неудовлетворительной ровностью, вынуждает водителей существенно снижать скорость, что способствует уменьшение показателя риска ДТП. В этом случае психологическая модель поведения водителя определяется преобладанием мотива безопасности над мотивом скорости.
Улучшение состояния покрытия по ровности способствует существенному сокращению дорожной аварийности. Так, уменьшение индекса ровности Ш1 может способствовать снижению риска ДТП до § 40% на многополосных и до 17% на двух- я полосных дорогах в зависимости от исход- ^ ных значений показателя ровности [10]. °
Таким образом, выбор оптимальной § ровности - достаточно сложная проблема. о
190 Таблица 1
Индекс ровности, при котором наблюдаются минимум выбросов, минимум затрат
и максимум показателей риска ДТП
Интенсивность движения, авт/сут
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 9000 10000
Мин. выбросы при Ж1доп 6,5 6 5 5 4 4 3,5 3 2,5
Мин. затраты при ^!доп [4] 6,5 7 5 5,5 4,5 4,3 4 4 4
Макс. показатель риска ДТП [2] при ^!доп 5...6 5...6 5...6 5...6 5...6 5...6 5...6 5...6 5...6
но позволяет до некоторой степени удалиться от опасного с точки зрения ДТП интервала ровностей.
Выводы.
1. Ровность дорожного покрытия может служить критерием оценки количества выбросов парниковых и других газов.
2. Существует такая ровность покрытия, при которой выбросы движущихся автомобилей, выбросов при производстве топлива для движения и обслуживания автомобилей минимальны, что может служить косвенным показателем при обосновании требований к ровности дорожного покрытия. С точки зрения снижения выбросов можно рекомендовать следующие значения ровности: при интенсивности движения N = 2000 авт/сут рекомендуемая ровность Ш1 = 6, при N = 3000^4000 авт/сут - Ш1 = 5, при N = 5000^6000 авт/сут - Ш1 = 4, при N > 6000 авт/сут - Ш1 < 4.
3. Пользуясь уравнениями, связывающими количество выбросов с интенсивностью движения и ровностью покрытия можно произвести инвентаризацию выбросов.
Функции цели выглядят так:
- скорость V ^ max (до разумного предела)
- количество выбросов Мх ^ min
- шумовое загрязнение L ^ min
- показатель риска ДТП ^ min
- затраты на содержание дорог З ^ min Значения индекса ровности, при котором наблюдаются минимумы выбросов, минимумы затрат и максимумы показателей риска ДТП приведены в табл. 1. Скорость и уровень шума монотонно увеличиваются с уменьшением индекса ровности.
Приведенные данные показывают, что при интенсивности движения N < 5000 авт/сут минимальные выбросы при минимальных затратах происходят при ровности покрытия, оценивающейся положительными оценками по нормам [3, с. 47], но оказывающейся в зоне максимального показателя риска ДТП.
При увеличении N оптимальная с точки зрения экономии средств (в условиях ограниченного финансирования) ровность не может обеспечить минимума выбросов,
список литературы:
[1] Бондаренко Е.В., Дворников Г.П. Дорожно-транспортная экология / Учебн. пос.; под ред. А.А. Цы-цуры. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 113 с.
[2] Васильев А.П., Баловнев В.И. и др. Ремонт и содержание автомобильных дорог. Справочник инженера-дорожника. - М.: Транспорт, 1989. - 288 с.
[3] ИКН 14-10. Инструкция по оценке транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог общего пользования. - Ташкент: ГАК Узавтойул, 2010. - 52 с.
[4] Красиков О.А. Обоснование стратегии ремонта нежестких дорожных одежд // Дисс. ... д. техт .н. -Алматы. 1999. - 597 с.
[5] Луканин В.Н., Трофименко Ю.В. Промышленно-транспортная экология. - М.: Высшая школа, 2001. - 273 с.
[6] Методика определения выбросов вредных веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям. - Санкт Петербург: НИИ Атмосфера, 2005. - 48 с.
[7] Нестерович Н.В., Богданович С.В. Система управления содержанием покрытий в республике Беларусь // Автомобильные дороги и мосты. - 2008, № 2(2). - С. 67-72.
[8] Поляков В.А., Красиков О.А. Исследование взаимосвязи маршрутной скорости и ровности для условий Казахской ССР // Межвуз. сб. науч. тр. «Проектирование автомобильных дорог». - Омск, 1979. - С. 46-55.
[9] Радкевич М.В. Зависимость количества вредных выбросов автомобиля от состояния дорожного покрытия // Труды VI Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновация». - Пенза, 2012. - С. 401-406.
[10] Стороженко М.С. Некоторые аспекты повышения безопасности движения на автомобильных дорогах // Вестник харьковского автодорожного университета. - 2009, вып. 47. - С. 81-85.
[11] Чванов В.В., Стрижевский Д.А. Обоснование требований к ровности дорожных покрытий с учетом обеспечения безопасности движения // Дороги и мосты. Сборник статей. Вып. № 27/2. - М.: ФГУП «РОСДОРНИИ»., 2010. - С. 171-185.
[12] Шмуйлович А.В., Архипова В.Ф., Голумидова А.В. Экономическая оценка износа автотранспортных средств, вызванного дорожными условиями // Электронный журнал Владимирского государственного университета (часть 2). - 2007, № 18. - Интернет-ресурс. Режим доступа: http://journal.vlsu.ru/ index.php?id=128
