УДК 504.3.64:656.13 (043.3) На правах рукописи

УДК 504.3.64:656.13 (043.3)
На правах рукописи
ТЕМИРХАНОВА АЙГУЛЬ МУЗАФАРХАНОВНА
Оценка выбросов автотранспортных потоков в воздушный бассейн города
с учетом рельефа улично – дорожных сетей
25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Академическом инновационном университете.
Научный руководитель:
доктор технических наук
Шакиров Б.С.
кандидат технических наук
Едилбаев Б.Т
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Кулманова Н.К
кандидат технических наук
Мейрбеков А.
Ведущая организация:
Таразский государственный университет
им.М.Х.Дулати
Защита состоится «27» декабря 2010 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.02 в Южно-Казахстанском государственном университете им. М.О. Ауезова по адресу: 160012, г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд.
главный корпус, ауд.342.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского
государственного университета им. М.О. Ауезова по адресу: 160012,
г.Шымкент, пр. Тауке хана, 5, главный корпус, ауд. 215.
Автореферат разослан «26» ноября 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Анарбаев А.А
2
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. Обеспеченность населения Казахстана
легковыми автомобилями в личной собственности к началу 2009 года по сравнению с 2001 г. возросла более чем 2 раза, по Южно – Казахстанской области 3 раза, а по г.Астана – 5,6 раза. Такого темпа роста уровня автомобилизации не
знает ни одна страна мира и ни одна столица государств.
По темпу автомобилизации бесспорно лидируют г.г Астана, Алматы и
г.Шымкент, где на 100 человек по данным Дорожной полиции РК на начало
2009 года приходится более 30 автомобилей личной собственности.
Даже при нынешнем уровне автомобилизации во многих крупных городах Казахстана наблюдается тупиковая ситуация, характерными чертами которой являются заторы, медленная скорость движения автомобильного потока,
аварии, загазованность улично – дорожной сети, шум, вибрации и т.д. Для решения проблем городской экологии для Казахстана наиболее важным является
этап эксплуатации автотранспорта, являющего основным (70-95%) источником
загрязнения воздушной среды практически всех крупных центров регионов.
Работа выполнена в соответствии графика выполнения и плана научно –
исследовательской работы ТОО «ОЗОН» по теме «Снижение негативного влияния автотранспорта г.Шымкента на окружающую среду и здоровье населения
(I этап Исследований)» по заказу Государственного учреждения Управления
природных ресурсов и регулирования природных ресурсов ЮКО Акимата Южно – Казахстанской области, тематическими планами по НИР УО «Академического инновационного университета».
Актуальность проблемы. Известные исследования негативного влияния
АТС на состояние воздушной среды городов относятся в отдельному передвижному источнику: легковому автомобилю, автобусу, грузовику или
спецтехнике. Они в совокупности как элементы поточного движения, являющегося основной системой перевозки людей и груза в городе, не рассматривались.
Только в последние годы получены единичные экспериментально – теоретические данные по оценке переноса загрязняющих веществ от автотранспортных
средств в воздушном бассейне селитебных зон городов с учетом закономерностей поточного движения множества автомобилей по улично-дорожным сетям.
Однако, в этих исследованиях и других не нашли должного внимания
влияние рельефа улично – дорожной сети города на выброс АТС в воздушный
бассейн, хотя всем известно, что в зависимости геоморфологических показателей города и его автодорог изменяются кинематические характеристики автотранспорта. И как следствие, существенно меняются количественный и качественный составы выхлопных газов АТС. Незнание этой стороны отрицательного влияния автотранспорта приводит к неразумным решениям. Так, многие
учебные, культурные и спортивные здания и сооружения находятся на недопустимом расстоянии от автодорог с интенсивным движением.
Сложность геоморфологии территории многих крупных населенных
пунктов Казахстана и отсутствие методологии оценки влияния выбросов автотранспортных потоков на состояние воздушного бассейна с учетом рельефа
улично – дорожных сетей городов предопределила актуальность данного исследования.
3
Цель работы: геоэкологическая оценка выбросов автотранспортных потоков в воздушный бассейн города с учетом рельефа улично – дорожной сети и
распространению их в жилой зоне.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- эколого – геоморфологический анализ городской территории на примере г.Шымкента;
- теоретическое исследование кинематических характеристик автомобиля
на спусках и подъемах дороги;
- разработка методики расчета суммарного выброса вредных веществ при
движении автомобиля по городской магистрали со сложным рельефом;
- моделирование распространения отработанных газов передвижных источников по улично – дорожной сети города;
- корректировка карты города с учетом новых данных экспериментально
– теоретических исследований по оценке выбросов автотранспортных потоков.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- исходя из реальной модели города обоснован критерий устойчивого
экологического развития, как параметр оценки соотношения потока энергии и
массы, возвращаемого в окружающую среду в первоначальном виде, к потоку
энергии и массы потребляемых ресурсов;
- в результате теоретического анализа определены управляющие параметры для описания кинематических характеристик автотранспортного
средств на сложных участках трассы, характеризующихся спусками и подъемами по криволинейной поверхности. Показано, что на таких участках целесообразно использовать в качестве определяющего параметра кривизну поверхности, и даны выражения для расчета этого параметра по измеряемым характеристикам;
- установлено, что суммарный выброс отходящих газов при работе карбюраторных двигателей внутреннего сгорания определяется двумя основными
управляющими параметрами: результирующей нагрузкой и скоростью автомобиля, и получены полуэмпирические зависимости для расчета суммарного выброса на спусках и подъемах;
- на основе диффузионной модели рассеяния отходящих газов предложен
подход к моделированию процесса распространения загрязняющих веществ в
отработанных газах автотранспортных средств вдоль и поперек улицы, а также
на искомом расстоянии от передвижного источника загрязнения.
Научные положения, выносимые на защиту:
- результаты эколого – геоморфологических исследований территории
населенных пунктов на примере г.Шымкента;
- предложенные прогнозные и теоретические уравнения, математическая
модель, номограммы и методика расчета концентрации выхлопных газов двигателей автомобилей в зависимости от геоморфологии территории;
- рекомендации по организации поточного движения АТС с учетом геоморфологических параметров УДС, позволяющая снизить концентрации вредных компонентов выхлопных газов автомобиля.
4
Практическая ценность работы:
- выполнен эколого – геоморфологический анализ городской территории
на примере г.Шымкента, позволяющий создать методологическую базу при исследовании и разработке генеральных планов развития крупных населенных
пунктов Казахстана;
- предложенные критерии, уравнения и номограммы могут быть использованы при комплексной оценке состояния воздушного бассейна крупных городов с учетом геоморфологической структуры их территорий
Новизна поставленной задачи и результатов комплексных исследований
позволяет судить о возможности использования полученных данных при создании учебных программ и учебных дисциплин по экологическим дисциплинам и
специальностям.
Публикации. По результатам работы опубликовано 19 научных работ, в
том числе 8 статей в изданиях, входящих в список, рекомендованный Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки МОН РК, 11 работ в
сборниках международных научных конференций.
Личный вклад соискателя
- на основе литературного обзора и экспериментальных исследований
сформулировал цель и задачи исследований;
- определил методы решения поставленных задач, необходимых для анализа современных проблем городской экологии, теоретическом и практическом
решении поставленных задач;
- провел лабораторные и натурные исследования с анализом и обобщении
полученных данных, создании методик расчета и апробации результатов работы.
Апробация практических результатов. Внедрены в проектном институте Республики Казахстан «Казгипроград» при разработке ОВОС Генерального плана г.Шымкента и использованы ТОО «Озон» при выполнении проекта
«Снижение негативного воздействия автотранспорта г.Шымкента на состояние
окружающей среды и здоровье населения».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях: «Проблемы молодежи и молодежной политики» (Шымкент – 1999); «Проблемы общественного
развития, науки и образования» посвященной Дню независимости Республики
Казахстан (Шымкент – 2003); «Индустриально – инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана» (Шымкент – 2006), а также опубликованы в журналах: «Наука и образование», Вестник Казахского Национального
технического университета им.К.И.Сатпаева, Вестник Казахской Академии
транспорта и коммуникаций им.МТынышпаева.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и 17 приложений. Работа изложена на 125 страницах компьютерного текста, включает
40 рисунков, 24 таблиц, список использованной литературы из 160 наименований.
5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлена новизна темы и ее практическая значимость.
В первом разделе изложены концептуальные основы структурно – поэлементного подхода к математическому моделированию в градостроительстве
и экологически устойчивому развитию крупных городов на современном этапе
развития Казахстана. Проанализированы экспериментально – теоретические
данные по оценке переноса загрязняющих веществ от автотранспортных
средств в воздушном бассейне селитебных зон городов с учетом закономерностей поточного движения автомобилей по улично-дорожным сетям. Однако, в
них и других не нашли должного внимания влияния рельефа улично – дорожной сети города на выброс АТС в воздушный бассейн.
Сложность геоморфологии территории многих крупных населенных
пунктов Казахстана и отсутствие методологии оценки влияния выбросов автотранспортных потоков на состояние воздушного бассейна с учетом рельефа
улично – дорожных сетей городов предопределила актуальность данного исследования.
Во втором разделе рассмотрены современное состояние и основные
направления развития инженерной геоморфологии, результаты исследования
геоморфологической структуры и градостроительной оценки территорий
г.Шымкента, мониторинговых оценок качества воздушного бассейна.
Выявлено, что состояние воздушного бассейна в перекрестках основных
магистралей и котлованах, где расположены жилые массивы УДС, расчетному
по общеизвестной методике.
В третьем разделе наиболее приемлемым подходом к нормированию
вредных выбросов АТС является структурно – элементный подход, предложенный академиком НАН РК Балабековым О.С. По этой теории исследуются один
характерный элемент объекта с известной структурой и, определив параметрическую взаимосвязь множества элементов, можно установить общие закономерности функционирования рассматриваемого объекта.
Для оценки предложенной методики по определению среднеинтегральных значений выбросов ВВ были проведены натурные исследования ездовых
циклов (таблица 1)
Таблица 1 - Результаты натурных наблюдений и расчета по интенсивности движения АТС по перекресткам г.Шымкента
Параметры УДС
№
1
2
2.1
2.2
2.3
Число полос, n шт
Режим работы светофоров, с:
зеленого такта, τз
красного такта, τк
желтого такта, τж
Перекресток Кn1
пр.Тауке - Байтурхана
сынова
4
2
60
30
6
30
60
6
6
Перекресток Kn2
Перекресток Kn3
Тауке - Б.Момыш РеспубМодагухана
улы
лики
лова
6
4
4
2
60
80
6
60+20
60
6
40
20
6
20
40
6
3
Расчетная пропускная
способность дороги Пj,
ед/ч
2868
1908
2519
2239
2456
614
4
Расчетная допускаемая
интенсивность автодвижения [Naj], ед/ч
2545
1272
1679
1493
1637
409
5
2334
1508
1508
1519
1519
481
5.1
5.2
5.3
Результаты натурных
наблюдений интенсивности автодвижения Nai,
ед/ч, в том числе:
легковых машин
автобусов
микроавтобусов
грузовиков
6
Погрешность расчета, %
1709
301
112
212
-9,0
1410
16
23
59
+15,6
1410
16
23
59
-11,3
1439
12
40
28
+1,7
1439
12
40
28
-7,8
453
3
14
11
+14,9
За исходную формулу для определения для определения расхода топлива АТС
на топливе i-го вида Qi (л/100км) приняли:
PCi Fii2
Goi
-2
Qoi=
+ 1,35·10 (273  t ) q  
i н m mp
100  i k v  mp mp
(1)
Из результатов расчетов с учетом данных таблицы 2 следует, что грузовые
машины и автобусы из-за большей массы 5-6 раз больше загрязняют воздушный бассейн города по сравнению с легковыми автомобилями. Существенное
значение имеет также форма АТС, то есть лобовое сопротивление.
Выявлено, что автотранспортная нагрузка на центральной магистрали
города «ул. Тауке -Хана - проспект Республики» составляет от 1320 до
2760 авт/час, в среднем 2040 авт/час или от 0,4 - 0,8 авт/сек. Максимальная суточная нагрузка может достигать от 18 до 30 тысяч автомобилей.
Замерами состава проходящих по центральной автомагистрали автотранспортных средств определён высокий процент наличия легковых автомобилей иномарок: 50 - 60 % в транспортных потоках. Установлено, что грузовой транспорт на исследуемых перекрёстках практически отсутствует.
Кроме обязательных для исследования транспортной нагрузки 3 - х
перекрёстков центральной автомагистрали производились замеры на следующих улицах: Толе-би, Казыбек-би, Тамерлановское шоссе, Сайрамская, Уалиханова , Попова , пл. Ордабасы, пл. Аль Фараби, ул. Жибек Жолы, ул Желтоксан и др.
7
2025
2225
2500
29003050
1404,6
72,3
282,0
340
1455,2
75,8
469
410-420
426
468
525,6
620-690
287,3
11,6
41,1
107,7
344-353
17-18
49-50
150-160
358
21
53
174
360
25
83
225,4
400
35
90,6
300,1
350-425
86,9
3,5
10,8
171,3
94,8
3,9
11,2
176,9
103,7
4,4
12,3
178
105,5
5,5
120,1
189,1
184
250-325
155,1
5,86
10,4
168,5
160,2
6,01
10,8
184,8
160,8
6,32
11
196
170,1
6,91
12,11
254,2
164,7
6,9
12,4
387,03
400-550
133,2
8,9
22,3
142,4
9,2
23,6
154
9,8
24,2
330,2
16,4
40,4
Выявлено, что автомагистрали и УДС должны проектироваться с запасом
по пропускной способности, равным 1,5.
Рассмотрено воздействие улично-дорожной сети (УДС) на окружающую
(городскую) среду в совокупности с движением АТС. На их экологическую
безопасность значительное влияние оказывают планировочные особенности и
геометрические параметры УДС города. Основная экологическая нагрузка в городах приходится на магистральные дороги, где интенсивность транспортного
потока в 2-3 раза превышает расчетную. В результате скорость сообщения на
городских маршрутах достигает не более 15-17 км/ч и, как следствие, потери в
перевозках в 3-4 раза превышают затраты на ремонт и реконструкцию дорог.
Результаты исследования уровня загрязнения воздуха на 3 – х перекрестках Kn1 Kn2 и Kn3 показывают, что превышение ПДК в 60 пробах равняется по
саже 100 %, оксиду углерода – 100 %, диоксиду азота – 40 – 60 %, формальдегиду 15 – 30 %. Превышение по диоксиду серы допустимого значения не
наблюдалось.
Из этого анализа следует, что несмотря на остановку многих промышленных предприятий – основных загрязнителей окружающей среды (например,
8
2015
05.05.2010
2000
2008
2009
Республика Ка1349,5 1365,1 1471,5
1532,3 1752,6
захстан
в т.ч. по категориям:
Л – легковые
1057,8 1062,6 1148,7
1204,1 1405,3
А – автобусы
50,2
51,4
61,4
62,9
65,7
Г – грузовики
204,6
214,2
223,0
224,9
281,5
Алматы,
236,1
206,0
262,2
235,9
289,3
в т.ч.:
Л
201,1
165,7
218,2
199,5
254,8
А
7,9
6,8
11,9
9,6
8,1
Г
23,2
30,6
29,0
23,0
26,4
Астана,
37,8
57,5
65,3
75,5
89,9
в т.ч.:
Л
28,0
47,4
50,4
60,0
77,7
А
1,7
2,4
3,4
3,3
2,7
Г
6,9
6,4
10,1
10,3
9,5
Шымкент,
140,6
144,5
148,8
159,2
164,7
в т.ч.:
Л
128,9
133,1
136,5
145,7
149,6
А
4,15
4,19
4,44
4,99
5,68
Г
7,03
7,28
7,89
8,51
9,51
Южно106,0
106,4
117,4
127,7
150,7
Казахстанская
область, в т.ч.:
Л
82,8
83,6
90,2
98,6
121,7
А
5,7
5,7
7,6
8,3
8,5
Г
15,4
14,9
17,3
18,3
20,6
Примечания
*
Данные Дорожной полиции РК, УДП ДВД по ЮКО
**
Прогнозная оценка (собственная)
2007
1807,7
2006
2005
2004
2003
2002
2001
Таблица 2 – Численность и структура АТС (на начало года), тысяча единиц
Шымкентский свинцовый завод), снижение производственных мощностей некоторых других и вынос отдельных предприятий за городскую черту, экологической напряженность возрастает, что связано в основном с ростом количества
эксплуатируемых АТС (таблица 2).
Ежегодный прирост количества автомобилей в городе влечет за собой постоянное увеличение выбросов ЗВ в атмосферу с отработанными газами их двигателей, усугубляет положение еще и то, что подавляющее количество автомобилей находится в эксплуатации свыше 10 лет, и их топливная система зачастую не отвечает необходимому уровню технического состояния, в связи, с чем
качественный состав выхлопных газов не соответствует нормам выброса, установленными ГОСТами. Основная масса автомобилей (90,4%) г.Шымкента
находится в частной собственности.
Таким образом, приоритетное значение принадлежит выбросам автотранспорта.
В четвертом разделе предлагается подход к расчету кинематических характеристик, которые могут быть использованы для оценки экологической ситуации на дорогах, в городах Казахстана имеют сложный рельеф и характеризуются участками спусков и подъемов, что приводит к частой смене режимов
работы двигателей транспортных средств. При этом меняются также режимы
газовыделения и состав выхлопных газов
Рассмотрено движение автомобиля на местности, представляющей собой
продолжительный спуск и последующий подъем. Поскольку естественный рельеф такого вида вряд ли можно рассматривать как совокупность наклонных
плоскостей, более адекватной моделью, вероятно, будет сопряжение двух кривых большого радиуса кривизны. Для упрощения анализа примем схему рельефа в виде сопряжения двух дуг окружностей (рисунки 1).
O2
O1



N
R

Fmp

FT
h1
h2

P
L2
L1
Рисунок 1 Схема движения автомобиля при пересечении углубления
большого масштаба
Исходя из предложенных простых моделей получены уравнения для оценки кинематических характеристик автомобилей. Для расчета были выбраны
следующие исходные данные: начальная скорость транспортного средства
V0  15 м/с; длины участков спуска и подъема L1  L2  50м; глубины спуска
указаны в подписях к рисунку; коэффициент трения k =0,15; масса транспортного средства m  1500кг; мощность двигателя W  100 Квт.
9
Установившаяся скорость на
подъеме, км/час
На рисунке 2 приведены графики зависимости установившейся скорости
на подъеме от угла наклона при различных отношениях эффективной мощности двигателя к массе автомобиля.
4
3
2
1
Угол подъема, град
1- N / m =20 Вт/кг; 2- N / m =40 Вт/кг; 3- N / m =60 Вт/кг; 4- N / m =80 Вт/кг;
Рисунок 2 - Установившаяся скорость на подъеме
Суммарный выброс отходящих газов может быть в общем случае рассчитан по зависимости
L
= QN F L
(2)
Q  QN N e
V
Суммарную нагрузку удобно представить в виде:
(3)
F  (ma  g   kSV 2 )  10 3 ,
Коэффициент  характеризует влияние движущихся масс и определяется
по известной формуле:
(4)
  1  iK2
Вместе с тем, для расчета удельного выброса относительно мощности двигателя в литературе отсутствуют четкие методики. Поэтому мы предлагаем несколько иной подход к проблеме.
Характерная зависимость удельного расхода топлива от эффективной
мощности двигателя по данным представлена на рисунке 3.
Удельный расход топлива, г/кВтч
q g 700
600
500
400
300
200
Ne
30
60
90
120
150
Эффективная мощность,
кВт
Рисунок 3 – Характерная зависимость удельного расхода топлива от
эффективной мощности карбюраторного двигателя.
10
Суммарный выброс газов, г/км
Анализ этой зависимости и других экспериментальных данных позволяет
сделать вывод, что суммарный выброс отходящих газов при работе карбюраторных двигателей внутреннего сгорания может быть представлен как функция
двух основных управляющих параметров: результирующей нагрузки (силы тяги) и скорости автомобиля. Эти параметры определяют режим работы двигателя и, тем самым, объем отходящих газов. Путем обработки большого массива
экспериментальных данных из различных источников нами была получена
формула для расчета суммарного выброса газов на единицу пути в зависимости от нагрузки и скорости движения для карбюраторных двигателей:
 Q L  0,0064 F 2  0,043 F  0,1384 V 2   281F 2  2,455 F  13,416 V  , (5)
  16,2 F  353,4
Предложенная формула достаточно хорошо аппроксимирует известные
опытные данные с относительной погрешностью, не превышающей 10%.
Используя результаты расчета, можно при заданной длине подъема определить время движения, среднюю скорость движения и среднее ускорение. Далее, по формуле (3) рассчитывается средняя нагрузка на подъеме и, по формуле
(5), определяется средний выброс отходящих газов на километр пути.
На рисунке 4 приведены графики зависимости суммарного выброса газов
от транспортного средства (легкового автомобиля с карбюраторным двигателем) в зависимости от угла наклона при подъеме.
4
3
2
1
Скорость, км/час
Угол подъема: 1- 5 град; 2- 10 град; 3- 20 град; 4- 40 град.
Рисунок 4 - Номограмма для определения суммарного выброса при
подъеме в зависимости от средней скорости.
Выброс при спуске на холостом ходе рассчитывается по соответствующим
характеристикам двигателя.
Таким образом, можно рассчитать выбросы на дороге с более сложным
профилем. В частности можно пересчитать суммарные выбросы в зависимости
от эффективной мощности двигателя.
Таким образом, предлагаемая методика позволяет систематизировать процесс расчета интенсивности выброса отходящих газов на автотрассах любой
сложной конфигурации.
11
Предложен подход к моделированию процесса распространения загрязняющих веществ в отработанных газах автотранспортных средств вдоль и поперек улицы, а также на искомом расстоянии от передвижного источника загрязнения. При этом появляется возможность для решения обратной задачи по
оценке интенсивности выбросов от автомобильного потока на перекрестке улиц
по данным загазованности в выбранной точке на некотором расстоянии.
Представленные в диссертации графики, являясь решением диффузионной
модели с учетом эффективного коэффициента диффузии, практически являются номограммами для оценки изменения концентрации отработавших газов
начиная с точки выхлопа. При этом учитываются скорости транспортного средстваи ветра, определяются изменения концентрации вдоль движения и в поперечном движению и в поперечном движению автомобиля направлении. Через
скорость транспортного средства, затрачиваемую эффективную мощность оценивается влияние рельефа дороги на выброс отработавших газов, то есть загазованность рассчитываемого участка территории населенного пункта.
В пятом разделе для обследования выбраны наиболее загруженные автомобильным движением и сложные по рельефу перекрестки улиц и площади.
В г.Шымкенте автомагистралями с наибольшей интенсивностью движения АТС являются проспекты Конаева и Тауке – хана, каждый из которых
имеют 8 полос (4 в одном направлении) движения автомагистральных потоков.
Несмотря на самое большое количество полос движения в этих дорогах наблюдаются частые заторы. Зимой, когда количество эксплуатируемых автомобилей
снижается 1,5 – 2 раза, столпотворение АТС еще больше увеличивается, что
связано со сложностью рельефа дороги.
На рисунке 5 представлен выявленный нами профиль проспекта Тауке –
хана на участке между ул.Байтурсынова и пр.Конаева. Обследованием выявлено, что средний угол спуска с улицы А.Байтурсынова на перекресток проспектов Тауке - хана и Конаева равен 6 градусам. Надо подчеркнуть, что эти автомагистрали соединяют практически все административные, культурные, исторические и промышленные центры города.
Площадь Ордабасы относится к первоначальной исторической части
древнего Шымкента (рисунок 6). Она, несмотря на узкие базарные улицы и малоэтажные (преимущественно одноэтажные) дома является торгово – экономическим центром для 700 – тысячного г.Шымкента и более двух миллионного
населения Южно – Казахстанской области.
Автомагистральное значение площади Ордабасы заключается в том, что
здесь стыкуются дороги, ведущие из всех районов области и микрорайонов городов, даже из Узбекистана.
Она является исторически сложившим экономическим центром
г.Шымкента, находящимся в экологически опасной зоне, загрязненной выхлопными газами АТС и людской перенасыщенностью.
Экологическая разгрузка территории площади «Ордабасы» необходима.
Прежде всего следует снизить интенсивность движения АТС. Тем более в этой
зоне кроме базаров, магазинов и мастерских расположена зона отдыха горожан
– река Кошкар–ата, центральная городская мечеть, гостиница «Восход» и другие многопосещаемые учреждения.
12
Самой эколого – геоморфологической оценкой площади «Ордабасы» является нахождение ее в котловане г.Шымкента. Этот недостаток еще более
проявился при резком росте количества эксплуатируемых автомобилей.
Àáñî ëþ òí àÿ âû ñî òà, ì
525
520
515
510
505
0.0
40
80
160
120
Äëèí à ï ðî ô èëÿ, ì
200
240
Рисунок 5 – Профиль участка пр.Тауке–хана между ул.Байтурсынова и пр.Конаева
Àáñî ëþ òí àÿ âû ñî òà, ì
535
525
515
505
495
0.0
100
400
300
200
Äëèí à ï ðî ô èëÿ, ì
500
600
Рисунок 6 – Профиль участка ул. Кабанбай батыра между площадью Ордабасы
областной больницей
Àáñî ëþ òí àÿ âû ñî òà, ì
520
515
510
505
500
0.0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260
Äëèí à ï ðî ô èëÿ, ì
Рисунок 7 – Профиль участка ул. Толеби между пл.«Ордабасы»- Верхним рынком
Обследование показало, что участок ул.Кабанбай батыра от площади
«Ордабасы» (точку отсчета находилась начинали с монумента «Ана жер») до
железнодорожной больницы с длиной 650 м (рисунок 6) имеет средний угол
наклона 110 градусов, а профиль на улице Толеби от монумента в центре площади до Верхнего рынка (рисунок 7) имеет угол 90 – на расстоянии 260 м.
Остальные улицы как Айтекеби и Казыбекби, начинающие с площади «Ордабасы», являются практически горизонтальными.
Таким образом, результаты геоморфологических исследований свидетельствуют о сложности рельефа УДС г.Шымкента. К сожалению они не учитываются при оценке экологической опасности отдельных частей городской
территории, при её застройке и организации поточного движения АТС.
Прогнозные оценки, приведенные различными архитектурно – строительными организациями, институтами по теплоснабжению, водообеспечению
и другими учреждениями, показывают численность населения г.Шымкента
должна достигнуть в 2015 году 0,9 – 1,0 млн., а в 2020 г. – 1,1 ÷ 1.2 млн. Максимальное значение дано ТОО «Институт «КазНИПИЭнергопром», что связано
13
ул.Толе
би
ул.Толе-би
с необходимостью опережающего строительства теплоснабжающих коммуникаций и расширения ТЭЦ. По данным этого Института к 2020 году общая площадь жилой застройки г.Шымкента должна достигнуть 34 млн.кв.м.
Все это свидетельствует, что при нынешнем темпе автомобилизации на
сто жителей городов гг.Астана, Алматы и Шымкенте количество автомобилей
должно составить 50 – 60. Это не предел, т.к как было ранее отмечено, во многих мегаполисах мира количество автомобилей сейчас составило 100 единиц на
100 жителей города.
Исходя из этих соотношений можно прогнозировать 600 – 650тыс.единиц
АТС в г.Шымкента к 2020 году. Сейчас пропускная способность городских
УДС 200 – 240 тыс. автомобилей. Что приведет к тупиковому затору в автодорогах и экологическому кризису из – за загазованности автомагистралей и их
перекрестков.
К такому неминуемому состоянию с автодорожным движению по городу
сейчас надо готовиться целенаправленно, не останавливаясь на сложных мероприятиях. Остановимся на экономических целесообразных.
Мост
ул.Казыбек би
ул.Казыбек
би
ул.Кабанбай-батыра
ул.Казыбек
би
Направл
направление движения АТС
ение
ул.Айтеке би
ул.Айтек
е би
движени
я
АТС
Рисунок 8 - Экологически оптимальная схема движения автомобильного
транспорта на площади Ордабасы
К ним можно отнести:
- оценка допустимой пропускной способности УДС города и сопоставление её с фактической;
- снижение количества регулируемых перекрестков (светофоров), что
приводит к резкому росту загазованности и шума при торможении и разгоне
АТС, а также и затору;
- разрешение на строительство многоэтажных автостоянок вблизи базаров
и торговых центров;
- переход к экологически чистому транспорту;
- оптимальная организация движения АТС с учетом рельефа автодорог;
Это видно из экологически оптимальной схемы движения АТС на площади Ордабасы (рисунок 8). Идея заключается в том, что ни один автомобиль не
поднимается, а все спускаются. Такая предложенная модель движения автотранспорта позволит 1,5 – 2,0 раза снизить концентрацию газов и тяжелых металлов. Предложенная схема движения не отразится на пропускной скорости
14
УДС г.Шымкента, так как имеются в городе много автодорог, ведущие к железнодорожному вокзалу к Верхнему рынку. Последний, благодаря решительным действиям местной власти сейчас разгружен.
В целом такой подход позволит значительно улучшить состояние воздушного бассейна г.Шымкента.
Получен акт внедрения резултатов исследования по оценке воздушного
бассейна г.Шымкента проектным институтом «Казгипроград» в разработке
разделов «Оценка воздействия намечаемой хозяйственной деятельности на
окружающую среду» (ОВОС) Генеральных планов г.Шымкента – 2002 и
2008гг.
Кроме того они использованы в выполнении проекта «Снижения негативного воздействия автотранспорта г.Шымкента на состояние окружающей
среды и здоровье населения».
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационных исследований
Учитывая, что сейчас установившимся фактом является то, что основным
источником загрязнения воздушного бассейна крупных городов Казахстана (70
– 80 % в зимнее время, 90 – 95 % в летнее время) является автотранспорт и
научные работы в этом направлении выполнены без учета геоморфологической
структуры территории населенных пунктов, проведена экспериментально –
натурные и теоретические исследования по геоэкологической оценке отработанных газов автотранспортных потоков с учетом рельефа улично – дорожной
сети и распространению их в жилой зоне на примере г.Шымкента.
В результате анализа этих данных в диссертационной работе сформулированы следующие краткие выводы:
1. При мониторинге качества воздушного бассейна города следует исходить из геоморфологических параметров территории проживания жителей;
2. Разработана методика расчета кинематических характеристик автотранспортного средства на криволинейных участках трассы, а именно: при
подъеме на холм и спуске с холма, а также при пересечении углубления (оврага). Показано, что на таких участках целесообразно использовать в качестве
определяющего параметра кривизну поверхности, и даны выражения для расчета этого параметра по измеряемым характеристикам – высоте (глубине) холма (углубления) и общей длине пересекаемого участка.
3. Экспериментально установлено, что суммарный выброс отходящих газов при работе карбюраторных двигателей внутреннего сгорания определяется
двумя основными управляющими параметрами: результирующей нагрузкой и
скоростью и автомобиля. Получены полуэмпирические зависимости для расчета суммарного выброса на спусках и подъемах.
4. Разработана математическая модель для описания диффузионного рассеяния отходящих газов от автотранспортного потока на сложном участке магистрали.
5. Разработана методика расчета концентрации выхлопных газов автомобилей в зависимости от геоморфологии территории.
15
6. Результаты исследования внедрены в проектном институте Республики
Казахстан «Казгипроград» при разработке ОВОС Генерального плана
г.Шымкента и использованы ТОО «Озон» при выполнении проекта «Снижение
негативного воздействия автотранспорта г.Шымкента на состояние окружающей среды и здоровье населения».
Оценка полноты решений поставленных задач. Сформулированные
задачи исследования полностью решены, что свидетельствуют о достижении
поставленной цели работы.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов.
Разработанные рекомендации и методика расчета, а также разработанная
модель могут быть использованы и рекомендованы для практического использования для определения режимов работы двигателя при движении на негоризонтальных участках дороги и рассчитать выбросы на дороге с более сложным
профилем. Используя результаты расчетов, при заданной длине подъема можно
определить время движения, среднюю скорость движения и среднее ускорение,
и по сформулированным формулам рассчитать среднюю нагрузку на подъеме
либо с использованием графиков определить средний выброс отходящих газов
на километр пути, а также пересчитать суммарные выбросы в зависимости от
эффективной мощности двигателя. Эта информация важна для расчета расхода
топлива и определения выбросов токсичных веществ при движении по пересеченной местности. Предлагаемая методика позволяет систематизировать процесс расчета интенсивности выброса отходящих газов на автотрассах любой,
сколь угодно сложной конфигурации.
Оценка технико – экономической эффективности внедрения. Работа
имеет методологический характер, направленный обобщающей оценке влияния
автотранспорта и УДС на воздушный бассейн селитебных зон городов.
Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в этой области. Впервые в комплексе рассмотрены проблемы градотранспортнодорожной экологии, являющейся новой ветвью геоэкологии.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Шакиров Б.С., Прусова В.Н. Темирханова А.М. Внедрение современной
науки при комплексном использовании природных и вторичных ресурсов, создание мало – и безотходных производств //«Проблемы молодежи и молодежной политики» Тр.науч. – практ. конф., Шымкент, 1999 – С.34-36.
2. Темирханова А.М., Шакиров Б.С., Прусова В.Н. Обеспечение экологичности
автомобильного топлива //Межд.научно – теорет.конф.молодых ученых «Проблемы общественного развития, науки и образования» посвященной Дню независимости Республики Казахстан, Шымкент – 2003.- С.19-20.
3. Темирханова А.М., Шакиров Б.С., Прусова В.Н. Снижение токсичности автомобильных двигателей // Межд.научно – теорет.конф.молодых ученых «Проблемы общественного развития, науки и образования», посвященной Дню независимости Республики Казахстан, Шымкент – 2003.- С.21-22.
16
4. Темирханова А.М., Сартаева Х. М. Комплексная геоэкологическая оценка
территорий//Межд.научно – практ.конф.«Индустриально – инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана». Шымкент: 2006. – С.111113.
5. Темирханова А.М., Сартаева Х.М. Создание информационной модели экологического состояния изучаемой территории//Межд.научно – практ.конф. «Индустриально – инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана». Шымкент:2006. – С.114-117.
6. Темирханова А.М., Шакиров Б.С., Прусова В.Н. Экологическое законодательство РК и пути его реформирования//Межд.научно – практ.конф. «Индустриально – инновационное развитие – основа устойчивой экономики Казахстана». Шымкент.- 2006. – С.118-121.
7. Темирханова А.М., Бишимбаев В.К., Шакиров Б.С. Загрязнение воздушного
бассейна г.Шымкента автотранспортом//«Наука и образование Южного Казахстана. – 2006.- №4 (53). – С74-77.
8. Темирханова А.М., Бишимбаев В.К., Шакиров Б.С. Экологически значимые
элементы автомобильной дороги и транспортного потока//Наука и образование
Южного Казахстана. – 2006. - №4 (53). – С.78-81.
9. Темирханова А.М., Шакиров Б.С. О существующем принципе нормирования
промышленных выбросов в атмосферу и его загрязнение//Республиканский
научный журнал «Наука и образование» №5 (54) 2006.- С.69-71.
10. Темирханова А.М. Проблемы улучшения экологической ситуации в
г.Шымкенте//Вестник национальной академии наук РК Июль - №4, 2006.С.5253.
11. Темирханова А.М.,Шакиров Б.С., Прусова В.Н. Оценка загрязнения атмосферы по натурным наблюдениям//Межд.научно-практ.конф. «Инновационные
идеи молодых ученых как вклад в развитие науки» 29 марта 2007.Т.2. – С.239242.
12. Темирханова А.М. Эколого – экономическое урегулирование охраны окружающей среды//Тр.Межд.практ.конф.«Ауезовские чтения – 6»: «М.Ауезов – гений нового времени», посвященной 110 – летию М.Ауезова 15 – 16 ноября
2007.- С.177-183.
13. Бахов Ж.К., Темирханова А.М., Шакиров Б.С. Оценка качества воздушной
среды г.Шымкента//13 Межд.научно – практ.конф.«Экология и жизнь» 22 – 23
ноября. 2007. г.Пенза. – С.150-153.
14. Темирханова А.М. Методологические основы изучения и оценки взаимодействия в системе: «Город – Окружающую среда»//Межд.научно –
практ.конф.студентов, аспирантов и молодых ученых» Т.1,Выпуск 9 Кемерово.2008. – С. 61-63.
15. Балабеков О.С., Едилбаев Б.Т., Темирханова А.М.Структурно – поэлементный подход к оценке состояния воздушного бассейна крупного города// Материалы Международного симпозиума посвященной «Охране окружающей среды» - 2009. – С.1-10.
16. Темирханова А.М.,Ташимов Л., Балабеков О.С., Едилбаев Б. Методика расчета суммарного выброса вредных веществ при движении автомобиля// Вест17
ник Казахского Национального Технического университета им.К.И Сатпаева
КазНТУ №3 (79) 2009 2010 – 07 -15
17. Балабеков О.С., Едилбаев Б.Т., Темирханова А.М.Транспортная плотность
автодорог и оценка интенсивности движения автотранспорта//Вестник Казахского Национального технического университета им.К.И Сатпаева КазНТУ. –
2009. - №6 (76). – С.123-127.
18. Балабеков О.С Едилбаев Б.Т., Темирханова А.М. Математическое моделирование распространения отработанных газов передвижных источников по
улично –дорожной сети селитебной зоны городов// Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им.М.Тынышпаева (КазАТК) 2010. - №1 (62) –
С.38-43.
19. Темирханова А.М.,Балабеков О.С., Едилбаев Б. Т. Теоретическое исследование кинематических характеристик транспортного средства на спусках и
подъемах//Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций
им.М.Тынышпаева (КазАТК) 2010. - №1 (62). – С.50-55.
18
ТҮЙІН
Темірханова Айгүл Мұзафарханқызы
Автокөлік ағынының қаланың ауа бассейніне бөлетін ластаушы заттарын
көше-жол тораптары рельефін ескере отырып бақылау
25.00.36- Геоэкология
Техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесіне іздену
Жұмыстың мақсаты: автокөлік ағынының қаланың ауа бассейніне
бөлетін ластаушы заттарына көше-жол тараптары рельефін және олардың
тұрғын аудандарға таралуын ескере отырып, геоэкологиялық бағалау жүргізу.
Жұмыстың идеясы: Қазақстанның көптеген ірі тұрғын аймақтарындағы
геоморфология күрделілігі мен автокөлік ағымының қаланың ауа бассейніне
бөлетін ластаушы заттарын көше-жол тораптары рельефін ескере отырып
бағалау әдісінің жоқтығы бұл жұмыстың өзектілігін алға тартты.
Зерттеу нысаны:
- Шымкент қаласының тұрғын аймақтарына экология-геоморфологиялық
зерттеулердің нәтижесі;
-территориялардың геоморфологиясына байланысты берілген мәліметтері мен
теориялық теңдік, математикалық модель, номограммалар және автомобиль
оталғыштарының тасымал газының концентрациясын есептеу әдістемесі;
- автомобиль тасымал газының ластаушы заттар концентрациясын
төмендететін;
- АТС ағымдық қозғалысты ұйымдастыру жайында ұсыныстар;
Зерттеу әдістері: Жұмысты орындауда ҚР ҰҒА академигі
О.С.Балабековтың жүйелі құрылымға негізделген бүтін объект элементтерінің
өзара бірыңғай байланысы жайында әдістері пайдаланылды.
Алға қойылған мақсатқа қол жеткізуде келесі ғылыми-тәжірибелік
мәселелер шешілді:
- Шымкент қаласының территориясына экология – геоморфологиялық
анализ;
- қалалардың ауа бассейніне УДС мен АТС қосандысаның әсерін бағалау
әдістерік жасау;
- автомобильдің жас бойының төмен және жоғары жерлерін
кинематикалық ерекшеліктері теориялық зерттеу жасау;
- қала магистральнің күрделі рельефтерінде автомобиль қозғалысының
ластаушы заттарын болуін есептеудің әдістерін жасау;
- қала көше – жол торабында тасымал газдық тарауын моделдеу;
- қаланың картасына автотранспорт ағымы кезінде ластаушы заттардың
болінуін зерттеу нәтижесінде алынған. Жаңа
19
Жұмыстағы нәтижелер:
- Қазақстан ірі тұрғын аймақтарын дамытудың бас жоспарын жасау мен
зерттеудің методологиялық базасын жасауға мүмкіндік беретін Шымкент
қаласы территориясының эколого-геоморфологиялық талдау жасалды;
- Ұсынылған критерийлер, теңдіктер мен номограммалар ірі қалалардың
ауа бассейні жағдайын территорияның геоморфологиялық құрылысын ескере
отырып, кешенді бағалауда пайдалануы мүмкін.
Жұмыстың нәтижесі ҚР «Казгипроград» жоба институтында Шымкент
қаласының ОВОС Бас жоспарын жасауда, «Шымкент қаласы автокөліктерінің
қоршаған орта мен тұрғындарға зиянды әсерін төмендету» жобасын жасауда
пайдаланылды.
Енгізу дәрежесі мен қолдану саласы:
- қоршаған ортаға алғашқы күйінде ресурстар энергиясы мен массасы
ағымына оралатын тұрақты экологиялық даму критерийі негізделді.
- трассаның күрделі учаскелерінде төмендеу, жоғарылау, қисық
беттерінде автокөлік құралдарының кинематикалық ерекшеліктерін анықтауды
басқару параметрлері белгіленеді;
- карбюратор оталғыштарының тасымал газдарының ластаушы заттарын
есептеу екі негізгі параметр бойынша іске асады: жүктелу нәтижесі мен
жылдамдық және автокөөлік, соның нәтижесі жолдың төмендеуі мен
жоғарылауындағы
ластаушы
заттардың
таралуының
эмперикалық
байланыстары анықталыд;
- тасымал газдың аластатудың диффузия моделі негізінде автокөлік
құралдарының жылжымалы ластаушыдан көшенің және көлденең, не тура
аралығында ластаушы заттардың таралуын моделдеу ұсынылады.
Орындалған жұмыстың осы саладағы алдыңғы қатарлы
жетістіктермен салыстыру арқылы ғылыми деңгейін бағалау: Қазақстанда
автокөліктердің қоршаған ортаға әсері жайындағы әлемдік проблемаға аса
көңіл бөлініп отырған жоқ. Автокөліктің ұнамды-ұнамсыз жақтары: Жол көлік
оқиғаларын (ЖКО) тудыру мүмкіндігі адамдардың денсаулығы мен өміріне
қауіп туғызуы; көліктік ыңғайсыздық; табиғи ресурстарды пайдаланумен бірге
жағымды әлеуметтік-экономикалық және моральді-психологиялық нәтиже
беруі. Көліктің пайдаланған газдың ластаушы заттарын бөлетін негізгі тетік –
оның оталғаны. Автомобильдің қозғалыс кезінде тасымалының пайдалануы
жұмыс істеу тәртібіне байланысты. Экологиялық жағдай жайында анық талдау
жасап мәлімет алу және автокөлікті пайдалану тәртібін анықтау үшін
экологиялық жүйені терең физикалық деңгейде негізделген математикалық
модельдер керек.
20
RESUME
of Temirkhanova Aigul Muzaffarkhanovna
An assessment of emissions in the air taking account
of the street and road network relief
The aim of work. Geoecological assessment of transport in the City air taking
account of the street and road network relief and their spread in a residential zone.
The basic idea In Kazakhstan a world problem of motor transport influence on
an environment is not given due attention. Vehicle is a source of the raised health
hazard and a life of people because of possible involving in road and transport incidents (road accident); environmental pollutions by emissions; transport discomfort;
consumption of natural resources. But at the same time it bears positive social and
economic and moral and psychological effects. The main source of the vehicle fulfilled gases is the engine. Expense of fuel and emissions of the fulfilled gases during
the car movement depend on power setting, the driver and road conditions. The
mathematical models based at deeper level of ecological systems’ physical description are necessary for the authentic analysis and the forecast of ecological conditions
and definition of optimum modes of vehicle operation.
Methods and objects of research. At performance of work the methods based
on the system and structural approach (developed by academician of NAS RK
O.S.Balabekov about unity of elements interrelation of the studied entity) and on the
modern principles of city stable progress were used.
Scientific novelty of work.
- Results of ecological-and-geomorphological research of settlements on the
example of Shymkent;
- offered inferential and theoretical equations, mathematical model, conservation policy nomographs and a design procedure of vehicle exhaust gases concentration depending on the areal geomorphology;
- recommendations on the organization of line movement of transportation devices in view of the geomorphological parameters of street and road network, allowing to lower concentration of vehicle exhaust gases harmful components.
The scientific positions which are taken out on protection - ecological and
geomorphological analysis of city area on the example of Shymkent;
- development of an assessment procedure of total influence of road and street
network and transportation devices on the air condition;
- theoretical research of kinematic characteristics of the vehicle on descents and
rises of road;
- development of a design procedure of total emission of harmful substances
when moving on a highway with a complex relief;
- modelling of exhaust gases dissipation of mobile sources on the urban street and
road network; - updating of plan of the city in view of new experimentally – theoretical research data according to emissions of traffic flow.
21
Validity and reliability of scientific positions, conclusions and the recommendations formulated in work proves to be true Complexity of areal geomorphology of many large settlements in Kazakhstan and
absence of methodology of emissions assessment influence on a condition of the air
in view of the urban street and road network relief has predetermined an urgency of
the research. The criterion of stable ecological progress, as parameter of energy flow
and the weight relation assessment, going back to an environment in an original form
is proved, operating parameters for the description of transportation devices’ kinematic features on cross-country, characterised by descents and rises on a curvilinear
surface were determined, total emission of exhaust gases during gasoline work is defined by two basic operating parameters: loading and the speed, and semirational dependences for calculation of total emission on descents and rises were obtained, on
the basis of diffusion model of exhaust gases dispersal the approach to modelling
process of pollution of vehicles up and down the streets is offered, as well as on required distance from a mobile source of pollution.
Practical value and realization the results of work ecological and geomorphological analysis of territory on the example of Shymkent was executed which enables to make a methodological base while studying and developing general layout
for large settlements development of Kazakhstan, the offered criteria, the equations
and conservation policy nomographs can be used for integral assessment of air condition in cities in view of geomorphological structure of their territories. The results of
research are implemented in the Project Institute of Republic Kazakhstan "KazGiproGrad" while developing the general plan of Shymkent by the Environmental
Impact Evaluation and "Ozon Ltd" was employed developing the project «Decrease
of vehicle negative influence on an environment condition and population health in
Shymkent ».
22
Подписано в печать 25.11.10
Формат 60х84. Бумага офсетная.
Заказ №1983. Объем 1,3 п.л. Тираж 100 экз.
__________________________________________________________
Издательский центр Южно – Казахстанского Государственного
Университета им.М.Ауезова, г.Шымкент, пр.Тауке хана,5
23
24