Экология лесовозных и автомобильных дорог имеет массу проблем: это загрязнение вредными веществами почвы, воздушной и водной сред [2], шумовое воздействие, загрязнение придорожных территорий продуктами износа автошин, потерями при транспортировке лесных грузов  и многое другое. При строительстве, реконструкции и эксплуатации дорог вопросы охраны окружающей среды должны стоять на первом месте.

С целью выделения общих методологических аспектов остановимся на  анализе процессов загрязнения атмосферного воздуха придорожного пространства вредными веществами отработанных газов лесовозного и автомобильного транспорта.

Одна из проблем экологического анализа состоит в том, что в разных регионах действуют разные нормативные документы, дающие несовпадающие показатели по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС). Следовательно, существует необходимость в разработке вариантов экологического анализа в практической работе, а также в развитии теории и методологии процедур ОВОС.

Теоретический анализ. Оценка загрязнения атмосферного воздуха и почвы основана на сравнении концентрации вредных веществ с предельно допустимой концентрацией (ПДК). Фактическая концентрация определяется двумя основными процессами: выбросом вредных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей и распределением вредных веществ в придорожном пространстве. Для обоснованного назначения климатических и погодных параметров, интенсивности и состава прогнозируемых транспортных потоков, где транспорт выступает как производственный ресурс [3], в практической деятельности при выборе моделей эмиссии и распределения вредных веществ важно иметь самые общие сведения об упрощенных или детальных моделях.

Выброс вредных веществ зависит не только от интенсивности и состава транспортного потока, но и от режима движения. Тот или иной режим работы автомобиля и двигателя водитель выбирает, анализируя технический уровень и эксплуатационное состояние дороги на данном участке, что определяет расход топлива, объем отработанных газов и концентрацию вредных веществ в них.

В нормативных практических методиках экологических расчетов, зачастую без достаточного обоснования, выброс вредных веществ рекомендуется находить по зависимостям массового (пробегового) выброса. Результаты получены моделированием работы двигателей в режимах ездовых циклов, типичных для городских условий с большой продолжительностью холостого и принудительного холостого хода, резких торможений и разгонов. Для типичного ездового цикла выброс оксидов углерода, например, гораздо больше по сравнению с оксидами азота. Что касается лесовозных и загородных дорог, то режим движения на них существенно отличается от типового городского ездового цикла. Используемая мощность двигателя выше, следовательно, коэффициент избытка воздуха ближе к единице, а выброс оксидов азота сопоставим с выбросом оксидов углерода. Все это говорит о том, что картина загрязнения придорожного пространства неоднозначна, при прогнозировании эмиссии необходимо учитывать условия движения и эксплуатации лесовозного и автомобильного транспорта.

Методика. При детальном подходе основой для разработки практических методик расчета выбросов должны быть не статические массовые показатели, а результаты моделирования режимов движения автомобилей с расчетом параметров топливовоздушной смеси и фактического выброса вредных веществ с отработанными газами автомобилей [4], что определяется мощностью источника загрязнения, климатическими, погодными условиями и характеристиками рельефа дорожного полотна.

Основой для расчета концентрации вредных веществ в придорожном пространстве является определение мощности источника загрязнения и моделирование работы двигателя в системе «водитель—автомобиль—дорога—среда» (В—А—Д—С). Концентрация вредных веществ рассчитывается по формуле:

          (1)

где  – мощность источника, мг/(м/с);

        – стандартное отклонение рассеивания Гаусса в вертикальном направлении, зависящее от погодных условий и расстояния от дороги;

– скорость ветра, м/с;

– угол между направлением ветра и дороги;

– фоновая концентрация загрязнения, мг/м3.

Для расчета концентрации вредного вещества в атмосферном воздухе в ОНД-86 предложена следующая формула:

               (2)

где  – мощность источника выброса, г/с;

– коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;

 – высота источника выбросов над поверхностью земли;

– коэффициент, учитывающий рельеф местности;

– разность температур газовоздушной смеси и окружающего воздуха;

– коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

– коэффициенты, учитывающие условия выхода газов из источника выброса;

– выброс газа, м3/с.

Формула (2) не может быть использована непосредственно для расчета концентраций от выбросов автомобильных двигателей, так как автомобильно-дорожный источник выбросов имеет свои особенности, которые необходимо учитывать. По Говорущенко Н. Я., основными из них являются: смешивание отработавших газов с воздухом в пределах проезжей части дороги с принятием температуры окружающего воздуха, переменчивость выбросов по длине дороги, что обусловлено сложностью ее конструкции в плане.

Для более точных показателей при разработке алгоритмов расчета концентраций вредных веществ источником выбросов нужно считать не выхлопную трубу движущегося автомобиля, а всю проезжую часть, в границах которой формируется некоторый площадной источник, который следует представлять в виде группы равномерно расположенных одиночных точечных источников. Разность температур dT близка к нулю, и по этой причине выбросы автомобильных двигателей следует отнести к холодным. В связи с неравномерностью выбросов по длине дороги в практических расчетах концентрации всю дорогу следует поделить на ряд смежных площадных источников. Мощность каждого источника формируется всей совокупностью автомобилей, входящих в состав транспортного потока, и определяется режимами их движения на данном участке. Поэтому, как показывает статистика, при расчете концентрации следует учитывать вклад каждого источника в общую концентрацию в конкретном расчетном  месте. При большой длине смежных площадных источников и вследствие их замены точечными картина распределения концентраций может быть сильно искажена. Для достижения требуемой точности, например не менее 0,05 ПДК, в алгоритме расчета следует предусмотреть итерационное деление каждого исходного площадного источника на более мелкие с последующим суммированием их концентраций. Концентрация от каждого мелкого источника рассчитывается в предположении, что источник заменен точечным такой же мощности. В каждом источнике ось Х проходит через его центр по направлению ветра, а ось Y перпендикулярна направлению ветра. Концентрация вычисляется с учетом расстояний от соответствующих осей до расчетной точки. Алгоритм расчета должен предусмотреть поиск такого направления ветра и его скорости, при которых этот максимум достигается. Данный метод позволяет  максимально приблизиться к реальным значениям концентраций, сведя погрешности расчета фактических цифр к минимуму.

При экологическом анализе необходимо учитывать пространственное расположение источников выброса, для лесовозных автомобилей нужно руководствоваться стационарными и нестационарными режимами их движения в постоянно меняющихся дорожных условиях [5], что обусловлено конструкцией дороги в плане. Поэтому наиболее наглядную и полную информацию о загрязнении придорожного пространства могут дать картина поверхности поля концентраций, его отображение изолиниям, разрезы поверхности в нужных местах.

Не менее важной задачей может стать оценка влияния вывозки древесины на эффективность транспортной работы автомобильной дороги [1]. В связи с этим возникает необходимость определения эффективности различных защитных мер, направленных не только на снижение уровня концентраций выбросов мощного лесовозного транспорта, но и на укрепление дорожного полотна в точках придорожного пространства, расположенных вблизи населенных пунктов, граничащих с исследуемой дорогой.

Экологическое состояние дороги напрямую связано и с ее энергетическим качеством, зависящим от расхода топлива при перевозках. Расчет расхода топлива основан на закономерностях работы автомобильных двигателей и необходим не только  для анализа экологического состояния дороги, но и для оценки ее важнейших транспортно-эксплуатационных качеств по технико-экономическим показателям, денежной оценки затрат на перевозки.

Выброс вредных веществнапрямую зависит от расхода топлива. Например, выброс тетраэтилсвинца карбюраторными двигателями пропорционален расходу топлива:

,    (3)

где – количество сгоревшего топлива, кг;

      – содержание тетраэтилсвинца в бензине, г/кг, (принято 0,37 для легковых автомобилей и 0,17 для грузовых);

       0,8 – коэффициент, учитывающий выброс тетраэтилсвинца в атмосферу (принято, что 20 % оседает в почве придорожного пространства).

При работе автомобильных двигателей внутреннего сгорания на этилированном бензине происходит значительный выброс соединений тетраэтилового свинца, из которых 20% распространяются с газами (в виде аэрозолей), а 80% выпадают на придорожные территории в виде твердых частиц размером до 25 мкм и водорастворимых соединений, накапливающихся в почве на глубине фильтрации воды, поступающей с атмосферными осадками [4].

Расход топлива определяется нагрузкой на двигатель, которая зависит от режима движения, установленного водителем, а значит, от дорожных условий. Для режима тягового усилия, характерного для движения лесовозного транспорта,  расход топлива вычисляют по методу Н.Я. Говорущенко, преобразовав формулу:

 (4)

где – коэффициенты, зависящие от типа двигателя и автомобиля;

– скорость автомобиля, км/ч;

– фактор обтекаемости, Нс2м-2;

– лобовая площадь, м2;

– передаточное число k-ой передачи;

– индикаторный КПД двигателя;

– коэффициент сопротивления качению;

– продольный уклон, %;

– вес автомобиля, кгс;

– длина участка, м.

Для режима холостого хода расход топлива также можно вычислить по формуле (4). При этом коэффициенты А, В, С должны соответствовать холостому ходу, а индикаторный КПД двигателя следует принимать равным 0,32.

Количество вредного вещества в отработавших газах вычисляют по формуле, в которой четко отражается сущность физического процесса образования вредных веществ в автомобильном двигателе:

                (5)

где – молекулярная масса одного моля;

                  – количество молей в 1 м (1 моль газа занимает 22,4 л при температуре 0ºС и давлении 0,1 МПа);

        – коэффициент избытка воздуха (зависит от нагрузки на двигатель, определяемой дорожными условиями);

                    Х – концентрация вредных веществ в отработавших газах двигателя, % от объема.

Значения Х зависят от коэффициента избытка воздуха, которым определяется состав топливовоздушной смеси. В расчетах коэффициента избытка воздуха мощность двигателя, необходимую для  преодоления всех сопротивлений движению с постоянной скоростью, вычисляют исходя из силы дорожных сопротивлений, сопротивления воздушной среды, силы инерции при ускорении свободного падения и сопротивления трансмиссии на холостом ходу, с пересчетом на коэффициент влияния нагрузки (потерь в шестернях, карданах).

При моделировании системы «В—А—Д—С» количество выбрасываемых в придорожное пространство вредных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей определяется в значительной степени дорожными условиями, такими как: продольный и поперечный уклон дороги, план, расстояние видимости, элементы обустройства дороги, тип и состояние покрытия. Количество вредных веществ, концентрации конкретного вещества в отработавших газах зависят от условий эксплуатации автомобиля, расхода топлива, режима работы двигателя на данном участке дороги.

Вывод. Наиболее приемлемыми и точными методами определения экологического состояния дорог, эксплуатируемых лесовозным и автомобильным транспортом, являются: определение концентрации вредных веществ – по фактической сумме концентраций точечных источников выбросов; определение эмиссии – моделированием системы «В—А—Д—С». Проведенный анализ зависимости выброса вредных веществ от условий движения транспортных потоков дает возможность скорректировать предложения по минимизации эмиссии, воздействуя на режимы движения параметрами проектных решений автомобильных дорог и показателями их эксплуатационного состояния. Улучшение качества придорожных экосистем положительно скажется на экологии и, следовательно, на здоровье проживающего рядом с магистралями населения.

Рецензенты:

Кондрашова Е. В., д.т.н., профессор кафедры технического сервиса и технологии машиностроения ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж;

Афоничев Д. Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I», г. Воронеж.