Исследование загрязненности атмосферы в городских территориях из-за выбросов автотранспорта на регулируемых автодорожных перекрестках

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование загрязненности атмосферы в городских территориях из-за выбросов автотранспорта на регулируемых автодорожных перекрестках

А.И. Гусейнов, старший преподаватель

Азербайджанского технического университета

А.Г. Тагизаде, д.т.н., профессор,

зав. Кафедрой Азербайджанского технического университета.

Аннотация. В статье исследуется специфика загрязненности приземной атмосферы в центральных городских территориях обусловленная выбросами автотранспорта на регулируемых автодорожных перекрестках. Показано существование в городских кварталах, охваченных узловыми перекрестками областей с минимальными загрязнениями воздуха, наиболее пригодных для размещения объектов, наиболее чувствительных к качеству воздуха.

Ключевые слова- атмосфера, загрязнение воздуха, автомагистраль, улично-дорожная сеть, перекресток, интерполяция.

Согласно работе [1], острая экологическая ситуация, возникающая вблизи оживленных перекрестков, мест парковок и хранения автомобилей может привести к появлению у людей острых и хронических заболеваний (аллергии, злокачественные опухоли, лейкозы, лейкемии и т.д.). Согласно [1], существуют четыре группы факторов, определяющих воздействие на режим рассеяния примеси в городских условиях:

1. Характеристика застройки;

2.Интенсивность автотранспортных потоков.

3.Расположение и характеристики стационарных объектов автотранспортного комплекса.

4.Элементы улично-дорожной сети.

Согласно работе [2], в общем случае на перекрестках со встроенными светофорами уровень эмиссии на 50 % выше, чем на перекрестках без сигнализации старт-стопа движения.

Как указывается в работе [3], на перекрестке объем отходов от автотранспорта резко возрастает (в 1.96 раз) вследствие снижения скорости движения и ожидания у светофора.

Согласно работе [4], анализ экологических характеристик транспортных средств показал, что при работе двигателя на холостом ходу концентрация СО на этом режиме возрастает в 2.1 раза, а на режимах принудительного холостого хода выброс СО в 1.6-1.9 раза больше по сравнению с установившимися режимами.

Как сообщается в работе [5], в режиме холостого хода двигателя автомобиля поступление воздуха ограничено из-за почти закрытого дроссельного клапана. При этом давление всасывания очень низкое. Это приводит к увеличению обратного потока давления выхлопных газов. В результате увеличивается количество остаточных газов и уменьшается объем поглощенной свежей смеси. Холостой ход увеличивает степень разбавленности и как результат, сгорание происходит медленно и нерегулярно. Все это приводит к плохой тепловой эффективности и высокой степени эмиссии выхлопных газов. При частичной нагрузке и холостом ходу компрессионно зажигаемый двигатель является более предпочтительным, в отношении потребления топлива, чем двигатель со свечками зажигания. Также, следует учесть, что в режиме холостого хода скорость вращения двигателя увеличивается. Если скорость вращения увеличивается от 600 rpm до 1050 rmp, то количество NO_x и CO₂ в выхлопных газах повышается 2-5 раз. загрязнение воздух выброс атмосфера

Как отмечается в работе [6], высокая степень потребления топлива в городских автомагистралях связана с ездой в условиях автомобильных пробок и высокой плотности автомашин на дорогах, характеризуемых большими флуктуациями скорости езды и частичными остановками на перекрестках. Однако, низкая плотность автомобилей на трассе и непрерывная, безостановочная езда также не гарантирует низкий уровень потребления топлива и малые эмиссии. Чрезмерно высокая скорость, которую можно развить на пустых автотрассах также приводит к увеличению загрязнения атмосферы вредными отходами. По этой причине, согласно [6], оптимальным режимом передвижения на дорогах следует считать езду с наименьшим числом остановок, короткими задержками и умеренной скоростью.

Как сообщается в работе [7], при расчетной оценке уровней загрязнения воздуха в зонах перекрестков следует исходить из наибольших значений содержания вредных веществ в отработавших газах, характерных для режимов движения автомобилей в районе пересечения автомагистралей (торможение, холостой ход, разгон).

Расчет выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта вблизи регулируемых перекрестков осуществляется с учетом суммарного загрязнения движущимся автотранспортным потоком и стоящим автотранспортом в очереди перед перекрестком при запрещающем сигнале светофора.

Вместе с тем, как было отмечено выше, состояние загрязненности городских зон должно быть определено с учетом расположения элементов улично-дорожной сети. С учетом вышеизложенного одним из основных элементов улично-дорожной сети являются перекрестки. Текстура улично-дорожной сети современных больших городов характеризуется относительно плотным расположением автодорожных перекрестков (рис.1)

Примерное расположение перекрестков схематически представлено на рис. 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схематическое представление расположения перекрестков. Принятые обозначения: 1,2,3,4 - перекрестки; заштрихованные прямоугольники - здания.

Далее, в настоящей статье мы рассмотрим вопрос о вычислении интерполяционных оценок загрязнения атмосферы в зонах, охваченных узловыми точками - перекрестками 1,2,3,4 (рис.2).

Следует отметить, что в работе [8], задача пространственной интерполяции на двухмерном поле была рассмотрена и решена путем использования инверсных весовых функций. Графическое представление задачи интерполяции на двухмерном пространстве показана на рис.2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Графическое представление задачи интерполяции на двухмерном пространстве. Принятые обозначения: - доступные пункты измерений на перекрестках вокруг исследуемой точки О; d_i - расстояние от точек P_i до точки О; w_i - весовые функции

Согласно [8], уравнение интерполяции на плоскости P(x,y) по точкам P_i определяется как

(1)

где: а₀ - оценка уровня загрязнения воздуха в точке (x₀,y₀);

w_i - весовой коэффициент для точки P_i с координатами x_i,y_i.

а_i(x_i,y_i) - измеренное или известное значение искомого параметра в точке (x_i,y_i);

n - количество точек или участков, на базе которых осуществляется интерполяция.

Как показано в [8] при использовании метода инверсного расстоянии должны быть выполнены следующие операции:

1. Определение точек (x_i,y_i) вокруг интерполируемой точки (x₀,y₀).

2. Определение весов w_i для точек (x_i,y_i) в качестве убывающей функции расстояния между интерполируемой точкой и окрестностных точек.

(2)

где: d_0i - расстояние между точками (x₀,y₀) и (x_i,y_i).

При этом функция f(d_0i) опpеделяется как

(3)

где в является параметром, согласно [8], в=2.

Далее, в отличие от работы [8], примем экспоненциальный вид функции f(d_0i), т.е.

(4)

Допустим существование функциональной зависимости

(5)

При этом требуется найти оптимальный вид функции (5) по определенному оптимизационному критерию, который формируется ниже.

Далее, допускаем наличие следующих ограничительных условий

(6)

где: С_1д = const, в дискретном случае и

(7)

где: C_1н = const, в непрерывном случае.

(8)

где: С_2д = const, в дискретном случае.

(9)

где: C_2н = const, в непрерывном случае.

Физический смысл ограничения (6) заключается в рассмотрении только тех внутренних точек многоугольника P₁,P₂,P₃…P_n, которые образуются при проведении следующих операций:

1.Определяется множество радиусов {r_i},

2.Элементы множества {r_i}, где r_i=d_0i в ротационном порядке присваиваются к точкам P_i, из которых вычерчиваются круги, пересечение которых и определяет интерполируемую зону, которая путем удлинения r_i может быть превращена в пределе в точечную область (рис.3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Пояснение смысла ограничения (6). Образование области интерполируемой точки (показана в виде заштрихованного участка)

Физический смысл ограничения (8) эвристически ясен и не нуждается в пояснениях.

С учетом вышеизложенного, для решения оптимизационной задачи нахождения области с минимальным загрязнением в пределах многоугольника P₁,P₂,P₃…P_n, можно составить следующую вариационную задачу безусловной оптимизации

(10)

где: л - множитель Лагранжа;

; С₃ = const

Решение вышеуказанной оптимизационной задачи по методу Эйлера [9] получено в виде

(11)

При этом можно показать,, что при решении (11) функционал цели (10) достигает минимальной величины. Следовательно, для определения области наименьшего загрязнения воздуха достаточно определить оценки a_i на перекрестках P_i, далее вычислить радиусы по формуле

и далее выполняется вышеописанная инструкция, относящаяся к формированию заштрихованной области, показанной на рис.3.

Таким образом, появляется возможность обнаружить области с минимальным загрязнением воздуха в пределах зоны охваченной узловыми перекрестками и тем самым разумно разместить те объекты, которые наиболее чувствительные к качеству воздуха в месте дислокации (школы, детские сады, больницы и т.д.).

Литература

1. Цыплакова Е.Г. Оценка воздействия безгаражного хранения автотранспорта на состояние селитебных территорий северных городов на примере Санкт-Петербурга. Экономика и Управление в отрасли (транспорт). Вестник Ленинградского государственного университета им. А.С. Пушкина. Выпуск №4. Том.6, 2011, стр. 80-90.

2. Ranjitkar P., Shahin A., Shirwali F. Evaluating Operational Performance of Intersections Using SIDRA. The Open Transportation Journal, 2014, 8, 50-61.

3. Автотранспорт и экология городов Израиля. Министерство Защиты Окружающей Среды Израиля. Центр Экологических Систем и Технологий (ЭКОСТ). Пособие для русскоязычных репатриантов. Иерусалим, 2012. http://www.ecost.org.il/upload/downloads/avtotransport-ru.pdf.

4. Ерохов В.И., Бондаренко Е.В. Влияние дорожных факторов на выброс вредных веществ и расход топлива автотранспортными средствами. Вестник ОГУ, №4, 2005, с. 139-151.

5. Tiwari K.P., Singh R.N., Balwanshi J.B. Fuel wastage and emission due to idling of vehicles at road traffic signals. IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology. Vol. 02 Issue 10, 2013, http://www.ijret.org.

6. Stevanovic A., Stevanovic J., Zhang K., Batterman S. Optimizing Traffic Control to Reduce Fuel Consumption and Vehicular Emissions. Integrated Approach with VISSIM, CMEM and VISGAOST. Transportation Research Record, 2128, p. 105-113.

7. Методика расчета выбросов автотранспорта вблизи регулируемого перекрестка и оценки их воздействия на атмосферный воздух Санкт-Петербурга. Правительство Санкт-Петербурга. Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности. Распоряжение от 10 декабря 2007 г. № 140-р http://eco.com.ua/content/-ru.pdf.

8. Meijerink A.M. et al. 1994. Introduction to the use of geographic information Systems for practical hydrology. ITC publication, 23, The Netherlands. p/343.

9. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. Наука, 1979.

Размещено на Allbest.ru