По данным Всемирной организации здравоохранения, от 40 до 50 % заболеваний человека в современных условиях могут быть связаны с изменением состояния биосферы, прежде всего атмосферного воздуха. По данным Росстата и Росприроднадзора [1] в 2017 г. в 139 городах (57 % городов, где проводятся регулярные наблюдения) средние за год концентрации какого-либо вещества в атмосферном воздухе превышают 1 ПДК; например взвешенных веществ в 52 городах, бенз(а)пирена – в 56, диоксида азота – в 50. В этих городах проживает более 52 млн человек. В 2017 г. общий объем выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу равнялся 32068 тыс. т (на 1,4 % больше, чем в предыдущем году), в том числе от стационарных источников – 17477,5 тыс. т (на 0,7 % больше), а от автотранспорта – 14448,2 (на 2,4 % больше). Наибольший объем выбросов от передвижных источников наблюдался в Центральном федеральном округе – в 2017 г. он составил 3 822 тыс. т или 26,2 % от общероссийского показателя.
С каждым годом растет количество автотранспорта. По данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», в 2007 г. в России насчитывалось 28 млн легковых автомобилей, а по результатам 2017 г. автопарк составил уже более 42 млн машин, его рост за десять лет составил более 40 %, при этом остается значительная доля автомобилей старше 10 лет – 54 % (рис. 1).
Рис. 1. Парк легковых автомобилей в России
С ростом автопарка увеличивается и негативное воздействие на окружающую среду, прежде всего на атмосферный воздух. При этом причиной увеличения техногенного воздействия является не только эксплуатация автотранспорта, но и значительное расширение строительства и реконструкции автомобильных дорог, объектов транспортной инфраструктуры.
Следует отметить, что, несмотря на соблюдение экологических нормативов при использовании дорожной техники, выборе сырья и материалов, удовлетворяющих современным требованиям для строительства и реконструкции, сегодня не производится оценка и прогнозирование динамики экологической ситуации при работе одновременно нескольких единиц дорожной техники различного вида, а также совокупного воздействия с учетом потоков автотранспорта. Кроме того, не учитываются условия рассеивания и накопления выбросов на прилегающей территории от используемых техники и материалов.
До настоящего времени исследования по созданию информационного обеспечения, моделей и алгоритмов для поддержки принятия решений в сфере управления дорожным строительством с учетом указанных выше особенностей не проводились.
Таким образом, разработка методов, моделей, алгоритмов и их программной реализации, обеспечивающих возможность адекватной оценки и прогнозирования результатов комплексного техногенного воздействия на атмосферу при строительстве и реконструкции автомобильных дорог является актуальной научной задачей.
Цель исследования: совершенствование процессов управления строительством и реконструкцией автомобильных дорог на основе принципов экологической безопасности за счет разработки методов и моделей оценки и прогнозирования комплексного техногенного воздействия на атмосферу.
Поставленная цель связана с необходимостью учёта следующих принципиальных особенностей техногенного влияния на атмосферу при проведении дорожно-строительных работ:
– основные загрязнители атмосферы обладают эффектом суммации, следовательно, необходимо учитывать одновременное воздействие не только работающей техники (в различной комбинации строительного оборудования используемого вида), но и результатов воздействия используемых строительных материалов, а также воздействия транспортных потоков, движущихся по прилегающим дорогам (с учётом изменения режима их движения на перегонах, перекрёстках, парковках и т.д.);
– загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух при строительстве и реконструкции автомобильных дорог, характеризуются различной степенью рассеяния и накопления, в том числе в зависимости от погодных и климатических факторов.
Материалы и методы исследования
Анализ существующих подходов к поддержке принятия решений в сфере управления дорожным строительством на принципах экологической безопасности показал [2–3], что сегодня это фрагментарное решение отдельных задач регионального экологического мониторинга, использование методов расчета выбросов от отдельных единиц техники для формирования отчетности. На сегодняшний день отсутствуют подходы к проведению оценки и прогнозирования комплексного техногенного воздействия при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.
Многолетние научные исследования и масштабная практика проведения наблюдений за состоянием и загрязнением атмосферного воздуха, в том числе и в селитебной зоне, показали, что уровень загрязнения атмосферы формируется в результате поступления вредных (загрязняющих) веществ от всех источников, расположенных на рассматриваемой территории и вне ее под влиянием диффузионных процессов в атмосфере на рассеивание и перенос этих веществ на большие расстояния [4].
Нами были проведены экспериментальные исследования на территориях, где проводились дорожно-строительные работы в летний период 2017/18 гг. Измерялись концентрации следующих ЗВ: NO2, NH3, CO, CO2, SO2, CH4, PM. При проведении расчетов результаты показали расхождение полученных экспериментальных значений концентраций с рассчитанными по методикам [5] на 18 %. В I полугодии 2017 г. уже зафиксировано 26 случаев высокого загрязнения атмосферного воздуха, из них 4 случая признаны аварийными [6].
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 2 представлена структурная модель предлагаемой системы поддержки принятия решений в сфере обеспечения экологической безопасности при проведении дорожно-строительных работ.
Рис. 2. Структурная модель системы поддержки принятия решений
На рис. 2 представлены следующие параметры: Х – параметры состояния объекта управления; M – параметры влияния внешней среды; С – параметры обратной связи в системе; Y – возможные сценарии управления; G = {G1, G2, G3} множество параметров взаимодействия компонентов системы.
Данная система является одной из важнейших составляющих (подсистемой) системы управления развитием транспортной инфраструктуры.
Концептуальную модель исследуемой подсистемы поддержки принятия решений по управлению дорожным строительством и реконструкцией на принципах экологической безопасности можно представить в теоретико-множественном виде:
TM = <SS, G, X, Y, B, K>,
где SS – множество компонентов подсистемы; G – множество параметров взаимодействия SS, G = {G1, G2, G3}; X – множество входов (параметры состояния объекта управления), X = {TT, TG, TX, ZV, R}; Y – множество выходов (результат работы подсистемы формирования возможных сценариев управления); B – множество внешних воздействий, B = {M, C}; K – отображение, K: (X, M, Y, C) > Y. TT – множество единиц дорожно-строительной техники, участвующих в строительстве и ремонтных работах; TG – множество параметров потока транспорта; TX – множество параметров паркующихся машин на прилегающей территории; ZV – множество ЗВ; R – коэффициенты, зависящие от выбранного региона; G1 – состояния подсистемы оценки текущего и прогнозного состояния; G2 – состояние подсистемы визуализированной оценки рассеивания; G3 – модели, карты, программы; M – параметры влияния внешней среды; C – параметры обратной связи;
В данной модели мы учитываем комплексное воздействие на атмосферный воздух при проведении дорожно-строительных работ как технологического транспорта, так и транспортного потока на прилегающих автодорогах, а также отдельных движущихся и паркующихся автомобилей.
Расчет выбросов от отдельных источников дорожной техники и автотранспорта производится по утвержденным методикам выбросов ЗВ [5], а рассеивание определяется с использованием уравнения турбулентной диффузии [4].
На рис. 3 представлен алгоритм визуализированной оценки и прогнозирования комплексного техногенного воздействия на атмосферу.
Рис. 3. Алгоритм визуализированной оценки и прогнозирования комплексного техногенного воздействия на атмосферу
Была разработана программная реализация предложенных моделей и алгоритма, которая позволяет производить расчет максимальной приземной разовой концентрации ЗВ и обеспечивает построение трехмерной сетки рассеивания ЗВ.
На рис. 4 представлен пример работы программы, на основании полученных расчетных данных построены соответствующие гистограммы выбросов от каждого вида техники и общей концентрации исследуемых ЗВ.
Рис. 4. Расчетные данные построения гистограмм
Рис. 5. Построение сетки рассеивания ЗВ
На рис. 5 показана работа программы при построении диаграммы рассеивания для РМ.
Выводы
Построена и исследована концептуальная модель системы поддержки принятия решений по управлению дорожным строительством на принципах экологической безопасности, которая обеспечивает возможность оценки и прогнозирования динамики качества состояния атмосферного воздуха в зоне строительства и реконструкции автодорог, возможность формирования результативных сценариев управления с учетом комплексного техногенного воздействия.
Предложен подход визуализированной оценки и прогнозирования комплексного техногенного воздействия на качество состояния атмосферного воздуха в зоне влияния строительства и реконструкции автодорог с применением 3D моделирования и ГИС-технологий. Разработана программная реализация для построения сценариев экологической ситуации в виде компьютерных 3D моделей.
На территории Белгородской области проведены экспериментальные исследования в рамках мониторинга атмосферного воздуха при проведении ремонта автодорог. Построены конкретные ситуационные модели состояния атмосферы на исследуемых территориях, проведена оценка комплексного техногенного воздействия, прогнозирование развития ситуации, оценка реализации возможных управляющих воздействий.