Интегрирование экологических аспектов в технологию управления перевозками городским автотранспортом

В.А.Гудков,

зав. кафедрой «Автомобильные перевозки», д.т.н., проф.

Ю.Я. Комаров,

зав. кафедрой «Автомобильный транспорт», к.т.н., доц.

В.Н. Федотов,

доц. кафедры «Автомобильный транспорт», к.т.н., доц.

Волгоградский государственный технический университет, atrans@vstu.ru, г. Волгоград

Связанные с продукцией (услугой), экологические воздействия определяются в основном входными и выходными потоками материалов и энергии. Изменение любого входного потока (например, для оказания услуги повышенного качества – применяется другой вид продукции) может привести к изменению выходных потоков (уменьшению или увеличению вредных выбросов, сокращению или росту опасных отходов). Поэтому необходимо постоянным управлением обеспечивать, чтобы повышение качества продукции (услуги) на одной стадии жизненного цикла не привело к возникновению дополнительных негативных воздействий на окружающую среду. Формат подобной системы менеджмента заложен в блоке стандартов ИСО серии 14000, содержащих требования к производственной (или иной) деятельности для обеспечения экологической безопасности.

Известно, что автомобильный транспорт, наряду с промышленностью, является одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха. Доля автотранспортных средств (АТС) в общих выбросах вредных газообразных веществ и мелкодисперсных частиц в странах Западной Европы составляет 60 – 80%. Экологические проблемы, связанные с автотранспортом, в Москве и других крупных городах России не менее остры.

Рыночная экономика страны расширила подвижность групп населения во времени и месту, при одновременном уменьшении численности групп с одинаковыми целями. Несмотря на общий рост личных АТС, для многих городов России стало характерным также широкое использование такси и автобусов малой вместимости (маршрутных такси) для обслуживания пассажиров при постоянном увеличении, как числа маршрутов, так и числа транспортных единиц.

Рост количества маломестных АТС, участвующих в пассажирских перевозках, создал качественно новую технологию оказания этих услуг, основные составляющие которой: уменьшение интервала ожидания; уменьшение времени подходов пассажиров к остановкам и к цели поездки; появление возможности выбора (по цене, времени поездки); повышение комфортности, пассажиры имеют возможность сидеть.

Вместе с тем, удовлетворение возросших потребностей в объемах перевозок с разными целями и повышение комфортности привело к непропорциональному росту в эксплуатации числа АТС с более низкими требованиями конструктивной безопасности (категории М₁, М₂ и N₁). В жестких рамках сложившейся улично-дорожной сети города риск попасть в ДТП с тяжелыми последствиями и подвергнуться воздействию, «пороговой» дозы ОГ, микроскопических частиц износа шин и тормозных колодок для городского население повышается.

При определённой интенсивности движения и составе АТС на отдельных участках городских магистралей транспортный поток изменяет качество окружающей среды, и не только повышает тяжесть ДТП, но и становится экологически небезопасным [1]. Результаты экологического мониторинга автомагистралей городской службой контроля окружающей среды (г.г. Волгоград и Волжский) показали, что при интенсивности потока АТС более 800 ед./час в атмосферном воздухе зон с характерной примагистральной застройкой регистрируются загрязняющие вещества в концентрациях, превышающих ПДК, рис. 1.

Рис.1. Зависимость загрязнения атмосферного воздуха от интенсивности движения АТС:

1 – концентрации диоксида азота; 2 – концентрации взвешенных твердых частиц; 3 – концентрации оксида углерода; 4 – ПДК

Поэтому при расширении объема транспортных услуг нового качества в условиях увеличения, как числа маршрутов, так и числа транспортных единиц заказчиками и исполнителя пассажирских перевозок, а также муниципальными образованиями необходимо предусматривать интеграцию экологических аспектов в технологию управления городскими перевозками.

В опубликованных результатах работ авторов, направленных на снижение антропогенного воздействиях транспортных потоков на окружающую среду, жизнь и имущество населения, детально разработаны два перспективных метода, которые могут быть положены в основу технологии управления городскими перевозками, сочетающую высокую эффективность основного процесса и экологичность.

Первый метод предусматривает квотирование числа пассажирских автотранспортных средств по критерию экологической безопасности. Рекомендуется для городских районов с преимущественно автобусными пассажирскими перевозками [2].

Пропускная способность транспортной линии определяется максимальным количеством транспортных единиц, которые могут быть пропущены через какое-либо сечение дороги в течение часа в одну сторону при соблюдении условий нормальной эксплуатации. Пропускная способность линии пассажироперевозок, зависит от вместимости АТС и составляет для троллейбусов 60 – 80 ед./ч, автобусов 80 – 100 ед./ч, микроавтобусов 250 – 300 ед./ч (при установленных местах для остановок) и 350 – 450 ед./ч (при остановках в любом месте). Пропускная способность полосы дороги при стандартном цикле светофорного регулирования от 60 с до 80 с не лимитирует максимально возможную интенсивность движения массового транспорта, т.к. составляет при смешанном потоке 600 ед./ч, при преимущественно легковом потоке 800 ед./ч.

Поэтому, при условии обеспечения равных условий комфортности поездок (для троллейбусов и автобусов учтены нормы вместимости только сидящих пассажиров), можно принять провозную способность приведенных выше видов АТС, соответственно: 3400 – 3600 пасс/ч для троллейбусов; 3000 – 3500 пасс/ч для автобусов и 3500 – 4500 пасс/ч для микроавтобусов.

Принимая во внимание, что каждый вид массового автотранспорта имеет свои преимущества с точки зрения удобства поездки пассажиров и обладает примерно равной провозной способностью в пределах разрешающей способности полосы, необходимо целенаправленное регулирование (квотирование) количества АТС, участвующих в коммерческих перевозках пассажиров, по критерию предельно допустимых концентраций вредных веществ (ВВ), образующихся в зоне автомагистрали.

Большое разнообразие вредных компонентов, создаваемых потоками АТС, их неодинаковый состав и содержание в выбросах автомобилей разных типов и марок может сильно усложнить расчеты и сравнение. Однако, известно, что объемы ОГ и массы частиц износа связаны с соотношениями составляющих режима движения автомобиля: разгон, торможение, равномерное движение, холостой ход. Интегральным показателем режима движения является количество расходуемого топлива АТС. Поэтому с приемлемой степенью точности, в расчетах может быть использован удельный показатель – количество основных ВВ, выделяемых в атмосферу при сжигании 1 кг топлива. При этом удобно использовать удельный выброс ВВ, приведенный к «СО».

В работе [2] приведены обобщенные величины удельных выбросов ВВ с отработавшими газами, их ПДК_i, коэффициенты приведения и значения концентраций C_iПР, приведенных к «СО». Значения величин определены согласно общепринятой методике оценки суммарной концентрации нескольких токсичных веществ в атмосфере воздуха.

При расчете допустимой концентрации токсичных веществ, выбрасываемых с ОГ автомобилей на жилую застройку необходимо учитывать концентрацию ВВ от стационарных источников и возможное снижение уровня концентрации зелеными насаждениями

С_ДОП = (ПДК_СО - С_СТ)/(1 - ∆_ЗН) (1)

где С_ДОП – допустимая концентрация (приведенная к "СО") вредных веществ в воздухе от транспортного потока, мг/м³;

ПДК_СО – предельно допустимая концентрация "СО" в воздухе, мг/м³;

С_СТ – концентрация (приведенная к "СО") вредных веществ от стационарных источников, мг/м³;

∆_ЗН – доля снижения уровня загазованности зелеными насаждениями.

Для определения концентраций токсичных примесей в приземном слое воздуха на примагистральной территории и прилегающих застройках целесообразно использовать рекомендуемую проф. Дьяковым А.Б. эмпирическую формулу, учитывающую интенсивность выбросов, влияние дорожно-транспортных и архитектурно-планировочных факторов. Преобразуя формулу относительно допустимой интенсивности выброса массы ВВ, получим:

Q_ДОП = 3,6С_ДОП(иА)/DyZ (2)

где Q_ДОП – допустимая интенсивность ВВ (приведенная к "СО"), кг/км ч;

и – скорость ветрового потока, м/с;

А – коэффициент плотности застройки, при относительной протяженности разрывов 10-19%, 20-29%, равный соответственно 0,65; 0,75;

D – коэффициент этажности, при застройке в 5-7 этажей равен 0,8; до 12 этажей - 0,7;

у – коэффициент стабильности ветрового потока, принимается от 0,7 до 1,0;

Z – параметр удаленности края тротуара от середины полос смешанного движения по магистрали, равный 1,0 на середине проезжей части, 0,9 – 0,8 при удаленности до 5м (1 – 2 полосы движения в одном направлении): 0,7-0,5 при удаленности от 5 до 10 м (2 – 3 полосы движения); 0,4 - от 10 до 30 м (3 – 4 полосы движения), м^-1.

Как правило, на центральных автомагистралях с преимущественно с автобусным движением движение грузовых автомобилей запрещено, поэтому транспортный поток c ДВС, в основном, состоит из легковых автомобилей (индивидуальный транспорт), "маршруток", автобусов.

Интенсивность массы выбросов Q_j, кг/км ч, определяется произведением значений удельных выбросов от одного автомобиля j-ого типа (q_j) и интенсивности их потока (N_j), т.е. Q_j = q_jN_j. Тогда условие, что суммарная интенсивность выбросов ВВ от потока АТС не должна превышать максимально допустимого значения, может быть представлено выражением

q_ИN_И + q_МN_М + q_АN_А ≤ Q_ДОП (3)

где q_И, q_М, q_А и N_И, N_М, N_А – удельный выброс (кг/км) и интенсивность потока (ед./ч), соответственно: индивидуального транспорта, «маршруток», автобусов.

В начале расчета интенсивности движения массового пассажирского транспорта определяем и сравниваем с суммой Q_М + Q_А разность Q_ДОП – Q_И. Если Q_ДОП - Q_И ≤ Q_М + Q_А, то в качестве расчетного потока индивидуальных автомобилей принимаем транзитный поток этого транспорта (N_И*). Поток индивидуального транспорта может быть уменьшен число автомобилей, ранее останавливающихся на экологически неблагополучном участке, перераспределив их движение и остановки по параллельным и пересекающим трассам с учетом времени суток.

Далее, учитывая, что провозная способность линий автобуса и «маршруток» примерно равны, принимаем также равными и доли выбросов ВВ с отработавшими газами этих видов транспорта, т.е. q_МN_М = q_АN_А, кг/км ч.

Отсюда допустимые интенсивности потоков:

«маршруток» N_М* = 0,5 (Q_ДОП - q_ИN_И*) ∕q_М, ед./ч (4)

автобусов N_А* = 0,5 (Q_ДОП - q_ИN_И*) ∕q_А, ед./ч (4а)

Зная объем пассажиропотоков (Р_ТР, пасс/ч) на экологически небезопасном участке городской автомагистрали корректируем интенсивность автобусов и «маршруток» с учетом их пассажировместимости и равных по комфортности условий поездки. Используя выражения: q_МР_М ∕ Ω_М = q_АР_А ∕ Ω_А и Р_М + Р_А = Р_ТР - Р_И*, получим

N_М* (p) = (Р_ТР - Р_И* ) ∕ Ωм [(q_МΩa ∕ q_АΩ_М) + 1], ед./ч (5)

N_А* (p) = (Р_ТР - Р_И* ) ∕ Ωа [(q_АΩ_М ∕ q_МΩa) + 1], ед./ч (5а)

где Р_И, Р_М, Р_А – провозная способность вида транспорта (в условиях комфортной поездки пассажиров – сидя), пасс/ч;

Ω_И, Ω_М, Ω_А – число сидячих мест в единице транспорта, соответственно.

Рассчитав интенсивности движения потоков общественного транспорта, обеспечивающие требуемый объем пассажирских перевозок в равных по комфортности условиям поездки и экологическую безопасность, можно (используя известные зависимости между интенсивностью движения, длиной маршрута и эксплуатационной скоростью) определить квоту на допустимое количество единиц транспорта на каждом маршруте.

Второй метод предусматривает применение технологии активного воздействия на ВВ автомобилей мобильными устройствами очистки, двигающимися в составе транспортного потока. Рекомендуется для городских районов с интенсивным движением индивидуального транспорта и наличием развитых троллейбусных маршрутов [4].

Рассматривая перевозки автомобильным транспортом, по аналогии с производством продукции, можно выделить составляющие этого процесса:

основное производство – оказание услуг по доставке пассажиров и грузов (перевозки);

вспомогательные производства – содержание в исправном состоянии средств производства и ограничение на сопровождающие производство выбросы ВВ в окружающую среду.

Результаты многолетних исследований кафедр факультета «Автомобильный транспорт» ВолгГТУ свидетельствуют о том, что при интенсивности движения АТС 300 – 400 ед/ч на полосу (более 90 % автотранспорт категорий М₁, М₂ и N₁) объемы воздуха, загрязненного газообразными выхлопами и твердыми частицами, при 3-х полосном движении потоков АТС могут составлять 60,0 – 72,0 тыс. м³/ч на километр магистрали в центре города и других районах с плотной жилой застройкой.

Для очистки таких объемов загрязненного воздуха в металлургической и химической промышленности применяются фильтры и пылеулавливатели, суть процесса очистки в которых заключается в относительном перемещении загрязненного пылегазового потока через стационарные устройства с адсорбирующими, фильтрующими, разделяющими и разлагающими элементами.

Указанные устройства могут быть смонтированы на специальные транспортные средства носители (ТСН), которые, перемещаясь в составе потока АТС, будут осуществлять активную очистку воздуха магистрали от пыли и токсичных газов. В этом случае процесс очистки не локализуется местом установки устройств, производительность процесса очистки регулируется интенсивностью движения ТСН. Кроме того, отпадает необходимость в вентиляторном оборудовании для протягивания загрязненного воздуха через устройство очистки – необходимый подпор воздуха создается за счет движения ТСН.

Возможность практической реализации очистки воздуха автомагистрали инженерными методами технологии активного воздействия обоснована авторами в работе [3]. На основе общепринятого представления физики выбросов ВВ потоком АТС как линейным источником была разработана математическая модель распространения концентраций загрязняющих веществ, связывающая интенсивность потока АТС, массу ВВ и условия диффузии примесей в зоне магистрали с конкретными размерами загрязненных воздушных объемов (длина, ширина, высота). Согласно модели процесс распространения ВВ в воздухе на участке городской автомагистрали в направлениях перпендикулярных направлению движения потока АТС может рассматриваться, как упорядоченное движение молекул вследствие выравнивания неоднородности плотности воздуха, возникшей в приземном слое на участке автомагистрали за определенное время из-за выбросов автомобилями токсичных газов и микроскопических частиц. Направленный перенос массы вещества (диффузия) устанавливает в течение определенного промежутка времени равновесное распределение концентраций в системе. Если в системе находится постоянный источник выбросов, то появляется градиент концентраций, в направлении которого концентрации ВВ уменьшаются. С достаточной для практических расчетов точностью в таких случаях можно принимать, что вся масса ВВ сосредоточена в объеме, ограниченном концентрациями 0,1% от максимальных значений.

Функционирование устройств очистки создает градиент пространственной неоднородности плотности ВВ. Движение примесей получает направление в сторону источника градиента концентраций – устройству очистки. Перемещая устройства очистки в потоке АТС на высоте матожидания концентраций выбросов линейного источника, можно обеспечить равновероятное прохождение масс загрязненного воздуха и создать условия для эффективного процесса очистки. Схема устройства нейтрализации токсичных газовых выбросов с УФ-излучателем (патент RU № 2237816), и электрофильтром для обезвреживания мелкодисперсных частиц в условиях нестационарных пылегазовых потоков с 8 – 10 кратным изменением скоростей их движения приведено на рис. 2.

Рис 2. Устройство обезвреживания токсичных компонентов газовых выбросов, содержащих дисперсные частицы: 1 - гаситель скорости пылегазовых потоков; 2 - ксеноновый УФ-излучатель (УФ-лампа); 3 - корпус; 4 - конический газоход; 5 - полость коническая; 6 - накопитель; 7 - мелкоячеистая диафрагма; 8 - полость цилиндрическая; 9 - электрофильтр; 10 - осадительные электроды; 11 - выходное отверстие

Конструкция устройств позволяет их компоновать в комплекты батарейного исполнения и использовать в непрерывном рабочем режиме, что обеспечивает очистку, практически, любых объемов пылегазовой среды. Основные технические характеристики устройства приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные технические характеристики устройства очистки

Параметры	Размерность	Показатели
Производительность Энергозатраты на очистку 1000 м^3 Вес Длина Максимальный диаметр сечения Эффективность очистки	м^3/ч кВт ч кг мм мм %	32 – 127 0,6 – 1,2 45 – 60 1010 – 2510 250 – 350 95 – 99

Учитывая, что в центральных городах пассажиры перевозятся электротранспортом, целесообразно использовать троллейбусы в качестве ТСН устройства очистки воздуха на магистралях. При всем разнообразии моделей эксплуатирующихся троллейбусов, их габаритные размеры и грузоподъемность позволяют размещать батареи из 7 – 13 устройств на переднюю часть крыши кузова троллейбуса. Движение троллейбуса в середине потока АТС с устройствами очистки, установленными на высоте 3,5 – 4,0 м, обеспечивает возможность равновероятного прохождения масс загрязненного воздуха через УФ-лампу и электрофильтр для обеспечения процесса очистки.

Эффективность технологического процесса очистки мобильными устройствами будет определяться из условия снижения в воздухе интенсивности выбросов ВВ от потока АТС до допустимого значения, т.е. (1 – 0,01η)∑N_ТСНр_ТСН ≤ Q_ДОП, где η – эффективность устройств очистки. Тогда требуемая интенсивность движения троллейбусов с устройствами очистки N_ТСН на участке автомагистрали может быть найдена из выражения

N_ТСН ≥ 10⁶(1 – 0,01η)∑N_jq_j L / С_СОр_ТСН (6)

где L – длина участка автомагистрали, км;

С_СО – концентрации ВВ от потока АТС, приведенная к «СО», мг/м³ ;

р_ТСН – производительность одного ТСН с устройствами очистки, м³ /ч.

Аналогично первому методу, используя известные зависимости между интенсивностью движения, длиной маршрута и эксплуатационной скоростью, можно определить необходимое число единиц ТСН с устройствами очистки на участке автомагистрали для снижения до допустимого значения концентрации выбросов ВВ от потока АТС.

Таким образом, применяя в технологии управления перевозками городским автотранспортом квотирование числа транспортных средств и мобильные устройства очистки на маршрутах, можно создать транспортную систему, максимально сочетающую высокую эффективность автотранспорта с минимальным воздействием на окружающую среду.

Литература

1. Бодунова Е.В., Комаров Ю.Я., Федотов В.Н. Маршрутные таксомоторные перевозки: оценка вредных воздействий на окружающую среду//Сб докладов 2-ой Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT-2005. – г. Тольятти, ТГУ, 2005.

2. Гудков, В.А., Федотов В.Н. Квотирование числа пассажирских автотранспортных средств по критерию экологической безопасности// Стандарты и качество.-2003.- №2-С.44-48.

3. Жидков А.Н., Федотов В.Н. Модель распространения выбросов вредных веществ транспортными потоками в реальных условиях на основе расчета параметров уравнения диффузии // Вестник транспорта, №3-2005, с.13-17.

4. Комаров Ю. Я., Рысаков А. А., Федотов В. Н. Технология очистки воздуха от вредных выбросов движущихся автотранспортных средств.// Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы», вып.1., 2004, С.113-118.