Повышение экологической безопасности на этапе проектирования автомобильных дорог

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

УДК 625.7/8:614.7

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Т.И. Галушко, магистр, А.Г. Батракова, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Аннотация. Предложен подход к обоснованию геометрических параметров трассы автомобильной дороги, в частности пространственной кривизны проектной линии, по критерию минимума выбросов загрязняющих атмосферу веществ, изложены основные результаты вычислительных экспериментов.

Ключевые слова: система «человек-автомобиль-дорога-окружающая среда», выбросы загрязняющих веществ, пространственная кривизна трассы.

ПІДВИЩЕННЯ ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ НА ЕТАПІ ПРОЕКТУВАННЯ

АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРІГ

Т.І. Галушко, магістр, А.Г. Батракова, доцент, к.т.н., ХНАДУ

Анотація. Запропоновано підхід до обґрунтування геометричних параметрів траси автомобільної дороги, а саме просторової кривизни проектної лінії, за критерієм мінімуму викидів забруднюючих атмосферу речовин, наведено основні результати обчислювальних експериментів.

Ключові слова: система «людина-автомобіль-дорога-навколишнє середовище», викиди забруднюючих речовин, просторова кривизна траси.

INCREASE OF ECOLOGICAL SAFETY AT THE DESIGN STAGE OF HIGHWAYS

T. Galushko, master, A. Batrakova, Associate Professor,

Candidate of Technical Science, KhNAHU

Abstract. The approach to substantiation of geometrical parameters of the highway is offered, in particular, the spatial curvature of the expressway according to the criterion of minimum emission of substances pollution the atmosphere. The basic results of computing modeling are given and discussed.

Keywords: system «person-vehicle-highway-environment», emissions of polluting substances, highway spatial curvature.

Введение

Экологическая безопасность автомобильных дорог обуславливает ограничение воздействия на окружающую среду. Она достигается путем разработки и применения в проектной документации на строительство, реконструкцию, ремонт и содержание технических решений, ограничивающих негативные воздействия на окружающую среду допустимыми уровнями, при которых не возникает вредных последствий для здоровья населе-

ния, не происходит необратимых изменений природной среды, ухудшения социальноэкономических условий обитания людей. В процессе реализации проектной документации должны выполняться установленные правила природопользования и охраны окружающей среды.

Эти нормы установлены Государственным дорожным научно-исследовательским институтом им. М.П. Шульгина в соавторстве с Государственной организацией «Институт

гигиены и медицинской экологии имени

О.М. Марзеева АМН Украины» и рядом других организаций. Нормы касаются охраны воздушной, водной среды, грунтов, животного и растительного мира, заповедных объектов, препятствования влиянию автомобильных дорог на социальную и техногенную среду на территории, прилегающей к автомобильной дороге [1].

Обширный круг задач, связанных с проблемами рационального использования топливно-энергетических ресурсов и экологической безопасностью, настоятельно стимулирует разработку эффективных методов снижения отрицательного воздействия автомобильной дороги на окружающую среду на стадии проектирования. Возрастает роль выбора показателей, позволяющих судить об эффективности принимаемых проектных решений. В качестве таких показателей могут быть использованы расход топлива при движении и выбросы загрязняющих веществ.

Анализ публикаций

Оценка экологической безопасности автомобильных дорог должна охватывать следующие группы и виды воздействий, различающиеся по источникам их возникновения:

- транспортные загрязнения (выбросы) - выбросы транспортных средств, пользующихся дорогой: отработанные газы, транспортный шум, пылевидные (твердые) выбросы и продукты износа покрытий, загрязняющие воздух, почву и водные стоки на прилегающей территории;

- изменения природных и хозяйственных

систем вследствие внедрения дороги и входящих в ее комплекс инженерных сооружений: изъятие земель, переформирование

рельефа, изменение стока, уровня и условий движения грунтовых вод, разделение биосистем и хозяйственных угодий, существующей инфраструктуры;

- технологические воздействия при выполнении строительных или иных работ: загрязнение атмосферы, почвы и водоемов при работе дорожных машин, производственный шум, распространение пыли, временное изъятие, засорение земель.

Решению проблемы экологической безопасности проектов автомобильных дорог по-

священы работы Хомяка Я.В. [2], Орнатс-кого Н.П. [3, 4], Старовойды В.П., Белятын-ского А.А. [5, 6] и других авторов. Исследования направлены, с одной стороны, на разработку методов, позволяющих оценивать загрязнение воздушного бассейна и придорожной полосы, с другой - на совершенствование методов и норм проектирования, применение которых исключает создание энергоемких и экологически опасных проектов автомобильных дорог.

Цель и постановка задачи

Поэтому целью работы является обоснование подхода к назначению геометрических параметров элементов трассы, базирующегося на использовании критерия, отражающего экологические требования, предъявляемые к проектам автомобильных дорог.

Основным показателем состояния двигателя автомобиля является его топливная экономичность, характеризующаяся расходом топлива при движении. Очевидно, что наибольшее влияние на пробеговый расход топлива оказывают скорость движения автомобиля, а также геометрические элементы плана и продольного профиля автомобильной дороги. Следовательно, оптимизируя скорости движения автомобилей и параметры геометрических элементов плана и продольного профиля, можно существенным образом снизить расход топлива, а значит существенно уменьшить выбросы загрязняющих атмосферу веществ.

Задачами работы являются:

- определение геометрических параметров трассы, обеспечивающих движение с оптимальными скоростями, обеспечивающими минимизацию расхода топлива и, следовательно, минимизацию выбросов загрязняющих атмосферу веществ;

- определение параметров трассы, обеспечивающих движение с предельными по состоянию окружающей среды скоростями. Движению с этими скоростями соответствуют предельные значения выбросов.

При трассировании автомобильных дорог основными геометрическими характеристиками трассы являются пространственная кривизна трассы и продольный уклон. В этом случае постановка исходной задачи может быть представлена в виде:

Q

пр

KR ,г

Я ,гу

->Ш1П ,

где КЯ - пространственная кривизна трассы, 1/м; гу - продольный уклон, д.ед.

Между пространственной кривизной КЯ линии трассы, продольным уклоном проектной линии и кривизной трассы в плане (юш) существует следующая связь [4]:

Кя =пл-1/

( г2 Л 1-^

2

V J

Учитывая специфику задачи проектирования трассы, а именно, ограничения на продольный уклон трассы, предельные значения которого не превышают гу< 0,08, нетрудно показать, что разность между пространственной кривизной линии трассы КЯ и кривизной трассы в плане юпл не превышат 0,32 %

от пл .

Полученные зависимости (2) легли в основу расчета пространственной кривизны трассы, кривизны трассы в плане в постановке задачи (1).

Обоснование геометрических параметров трассы

Состояние атмосферного воздуха определяется количеством выбросов загрязняющих атмосферу веществ. Основными выбросами для автомобилей с карбюраторными двигателями являются выбросы оксида углерода -СО, окислов азота - N0 и углеводородов -СН, для автомобилей с дизельным двигателем - СО, N0, СН и сажа. Наиболее полно состояние атмосферного воздуха характеризует не выброс каждого отдельно взятого вещества, а их совокупный выброс и степень токсичности ингредиентов, содержащихся в выхлопных газах автомобиля. Поэтому в качестве основного показателя состояния среды следует принять суммарный приведенный к СО выброс загрязняющих атмосферу веществ, определяемый по формуле [7]:

Впр = В1 + В;

ПДК

ПДК2

Вп

ПДК

пдкп

где Впр - пробеговый выброс, приведенный к

В1, г/км; В1 - пробеговый выброс вещества, к которому осуществляется приведение, г/км; ПДК1,..., ПДКп - предельно допустимые концентрации веществ, мг/м3.

Аналитическое решение задачи отыскания скорости движения, обеспечивающей минимум суммарных выбросов, затруднительно из-за сложности связи Впр = /(V). Поэтому

расчет выбросов при различных заданных скоростях движения производился по программе <^0КМ-БК0». Результаты расчета связи суммарного приведенного к СО выброса с продольным уклоном и скоростью движения для одиночного легкового автомобиля ГАЗ-24 представлены на рис. 1.

Скорость движения, км/ч

Рис. 1. Связь приведенного к СО пробегового выброса автомобиля ГАЗ-24 со скоростью и продольным уклоном. Цифры у кривых - продольный уклон

Анализ расчетов показал, что наименьшие выбросы обеспечиваются при минимальном продольном уклоне. С увеличением продольного уклона количество выбросов возрастает. В результате расчетов установлены скорости движения, при которых суммарный приведенный к СО выброс загрязняющих атмосферу веществ минимальный. Это позволяет определить оптимальную по выбросам скорость - как норму скорости, а выброс - как нормальный по состоянию окружающей среды.

С другой стороны, предельным по состоянию среды может считаться выброс, при котором приведенная к СО концентрация на границе полосы отвода будет больше или равна ПДК. Поскольку при проектировании автомобиль-

ной дороги рассматривается движение одиночного легкового автомобиля, то достижение таких концентраций в скоростном диапазоне автомобиля невозможно. Максимальный суммарный пробеговый выброс наблюдается при движении автомобиля со скоростью, равной его максимальной технической скорости. Поэтому эта скорость может быть принята в качестве предельной по показателям состояния среды, а суммарный приведенный к СО выброс охарактеризован как предельный.

Нормальные и предельные скорости по состоянию среды представлены в табл. 1.

Таблица 1 Нормы и предельно-допустимые значения скоростей движения по состоянию атмосферного воздуха

i, 0/ '00 Нормальные значения показателей Предельные значения показателей

Q , г/км VH, км/ч Qnp , пр ’ г/км км/ч

0 44,82 44 l53,909 147,00

20 55,62 66 l69,308 139,00

40 62,05 73 184,707 127,00

50 65,49 7l l9l,803 121,00

60 69,0l 68 200,106 115,00

80 75,53 64 215,505 100,00

Поскольку входными переменными движения являются геометрические характеристики плана и продольного профиля дороги, состояние покрытия проезжей части, а выходными переменными - скорость и траектория движения, а также пробеговый выброс загрязняющих атмосферу веществ, то, оптимизируя скорости движения автомобилей, можно обеспечить оптимальные значения выбросов загрязняющих атмосферу веществ.

В свою очередь, скорость движения одиночного легкового автомобиля существенным образом зависит от геометрических параметров трассы, в частности от пространственной кривизны трассы (рис. 2).

Расчет скорости движения одиночного легкового автомобиля по трассе с различной пространственной кривизной позволил установить характер связи между этими параметрами [8]

V=4.

ю

где a,b - коэффициенты уравнения.

Решение уравнения (4) относительно кривизны трассы позволило установить нормальные и предельные значения пространст-

Кривизна, ю*10 , l/м

а

б

Рис. 2. Связь скорости движения одиночного легкового автомобиля ГАЗ-24 с кривизной трассы дорог [3]: а - II, б - III категорий

венной кривизны трассы по состоянию окружающей среды. В основу расчетов геометрических параметров трассы, обеспечивающих минимальные выбросы в данных дорожных условиях, положено утверждение, что при достижении предельной скорости движения (V) геометрические параметры

трассы (в частности продольный уклон дороги и кривизна трассы) имеют предельные значения. Следовательно, кривизна проектной линии трассы, при которой достигается предельная скорость, могут быть охарактеризованы как предельные по состоянию окружающей среды. Тогда кривизна трассы, при которой автомобиль движется со скоростью, равной норме (Vн), может быть определена как нормальная. Результаты расчетов для автомобильных дорог различных категорий представлены в табл. 2.

Таблица 2 Нормальные и предельно-допустимые значения кривизны трассы по состоянию атмосферного воздуха

В работе предложен подход к обоснованию геометрических параметров трассы автомобильной дороги, в частности пространственной кривизны проектной линии, а также изложены основные результаты вычислительных экспериментов. В рамках этого подхода, базирующегося на теории системного проектирования, обеспечение допустимых выбросов загрязняющих атмосферу веществ явля-

ется эффективным инструментом повышения экологической безопасности на этапе проектирования автомобильных дорог. Полученные результаты могут быть использованы как при проектировании, так и при реконструкции автомобильных дорог.

Литература

1. ВБН.В.2.3-218-007-98. Екологічні вимоги

до автомобільних доріг. (Проектування).

- К. : Укрбудінформ, 1998. - 34 с.

2. Хомяк Я.В. Проектирование сетей автомо-

бильных дорог / Я.В. Хомяк. - М. : Транспорт, 1983. - 207 с

3. Орнатский Н.П. Автомобильные дороги и

охрана природы / Н.П. Орнатский. - М. : Транспорт, 1982. - 176 с.

4. Орнатский Н.П. Проектирование благо-

устройства автомобильных дорог / Н.П. Орнатский. - М. : Высшая школа, 1974. - 112 с.

5. Билятынский А. А. Проектирование, капи-

тальный ремонт и реконструкция дорог / А.А. Билятынский, В.П. Старовойда. -К. : Вища школа, 2003. - 234 с.

6. Белятынский А. А. Учет требований охра-

ны окружающей среды при реконструкции дорог / А.А. Белятынский // Автомобильные дороги и дорожное строительство. - 1988. - Вып. 49. - С. 101-104.

7. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и

снижение токсичности на автомобильном транспорте / Н.Я. Говорущенко. -М. : Транспорт, 1990. - 135 с.

8. Батракова А.Г. Определение геометриче-

ских параметров трассы в задачах автоматизированного проектирования / А.Г. Батракова // Вестник ХГАДТУ. -2002. - Вып. 17. - С. 83-86.

Рецензент: В.А. Золотарев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 2 ноября 2010 г.

1, 0/ '00 Кривизна юн -10 4, 1/м

нормальные значения предельные значения

II III II III

0 251,2 197,7 0,512 0,688

20 25,59 24,1 0,576 0,634

40 11,36 11,54 0,590 0,709

50 - 11,46 - 0,796

Выводы