Методы оценки экологического и энергетического качества лесовозных автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

готовок, что повысит эффективность работы лесозаготовительных предприятий.

Библиографический список

1. Немцов, В.П. Справочник механика лесозаготовительного предприятия / В.П. Немцов, Б.А. Шестаков. - М.: Лесн. пром-сть, 1988. - 480 с.

2. Пат. № 2388214 Россия, МПК A01G 23/081 Ва-лочно-пакетирующая трелевочная машина с универсальным технологическим оборудованием/ П.М. Огар, А.М. Долотов, Е.М. Рунова, А.Н. Сухих; заявитель и патентообладатель БрГУ

- № 2008148408/12; заявл. 08.12.2008, опубл. 10.05.2010. Бюлл. № 13.

3. Пат. на пол. мод. № 85796 Россия, МПК А0Ш23/081 Валочно-пакетирующая трелевочная машина / А.Н. Сухих, В.А. Иванов, С.М. Сыромаха, М.В. Степанищева и др.; заявитель и патентообладатель БрГУ- № 2009113311/22; заявл. 09.04.2009, опубл.

20.08.2009. Бюлл. № 23.

4. Пат. на пол. мод. № 87069 Россия, МПК А0Ш23/00 Универсальная лесозаготовительная машина / А.Н. Сухих; заявитель и патентообладатель БрГУ- № 2008152957/22; заявл. 31.12.2008, опубл.

27.09.2009. Бюлл. № 27

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

качества лесовозных автомобильных дорог

А С. СУШКОВ, асп. ВГЛТА

Экологическое качество лесовозной автомобильной дороги определяется последствиями воздействия ее сооружений и транспортного потока на окружающую среду. При строительстве, реконструкции и эксплуатации лесовозных автомобильных дорог необходимо решать вопросы охраны окружающей среды.

Процедуры оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС), алгоритмы и программы анализа, оценки и улучшения экологического качества лесовозной автомобильной дороги, как составная часть ОВОС, основываются на фундаментальных теориях и моделях, действующих нормативных документах и на современных моделях функционирования лесовозных автомобильных дорог как составной части автомобильного транспорта [1]. При анализе экологического качества оценивается воздействие инженерных решений на элементы среды по следующим показателям:

- Загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами отработавших газов автомобильных двигателей.

- Загрязнение почвы вредными веществами.

- Шумовое воздействие транспорта в пределах населенных пунктов и шумовое воздействие на животный мир.

dis022@mail.ru

- Загрязнение придорожных территорий пылью и продуктами износа дорожных покрытий и автомобильных шин.

- Загрязнение водной среды вредными веществами поверхностного стока с проезжей части лесовозных автомобильных дорог.

В связи с обширностью проблемы дорожной экологии и с целью выделения общих методологических аспектов в дальнейшем ограничимся анализом процессов загрязнения атмосферного воздуха придорожного пространства вредными веществами отработавших газов автомобилей.

Одна из проблем экологического анализа состоит в том, что в разных регионах действуют как эти, так и другие нормативные документы, дающие несовпадающие показатели ОВОС. Из этого следует:

- во-первых, необходимость вариантов экологического анализа в практической работе;

- во-вторых, необходимость развития теории и методологии процедур ОВОС.

Оценка загрязнения атмосферного воздуха и почвы вредными веществами отработавших газов автомобильных двигателей основана на сравнении концентрации вредных веществ (мг в кубическом метре воздуха) с предельно допустимой концентрацией (ПДК). Фактическая концентрация определяется двумя основными процессами:

162

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

- выбросом (эмиссией) вредных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей;

- распределением вредных веществ в придорожном пространстве.

Процессы эмиссии и распределения описываются или упрощенными моделями, или более детальными. Нам представляется, что в практической деятельности при выборе моделей эмиссии и распределения вредных веществ необходимо иметь самые общие сведения о моделях и их различия с целью:

- обоснованного назначения климатических и погодных параметров, интенсивности и состава прогнозируемых транспортных потоков и других данных, необходимых для анализа;

- уверенной интерпретации получаемых результатов.

Выброс вредных веществ (граммы на пикет, на километр дороги) 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 отработавших газов, концентрацию вредных веществ в них и т.д. Поэтому анализу и оценке экологического качества лесовозной дороги предшествует анализ дороги по показателям энергетического качества, в частности, по расходу топлива при перевозках. В нормативных практических методиках экологических расчетов, зачастую без достаточного обоснования, выброс вредных веществ рекомендуется находить по зависимостям массового выброса (пробегового выброса). Последние получены моделированием работы двигателей в режимах ездовых циклов, типичных для городских условий с большой продолжительностью холостого и принудительного холостого хода, резких разгонов и торможений. Для типичного ездового цикла выброс оксидов углерода, например, гораздо больше по сравнению с оксидами азота. На загородных дорогах общего пользования режим движения автомобиля существенно отличается от типового городского

ездового цикла, используемая мощность двигателя выше, и поэтому коэффициент избытка воздуха ближе к единице. На загородных дорогах выброс оксидов азота сопоставим с выбросом оксидов углерода и картина загрязнения придорожного пространства существенно отличается от городских условий. Это обстоятельство, а также возможность уменьшить выброс вредных веществ, воздействуя на режимы движения параметрами проектных решений автомобильных дорог и показателями их эксплуатационного состояния, служат основой определенных теоретических и практических предложений по совершенствованию методик дорожного экологического анализа. При таком 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 отработавшими газами автомобилей [3].

Выброс вредных веществ с отработавшими газами определяет мощность источника загрязнения (г/сек) и вместе с климатическими, погодными условиями и характеристиками рельефа служит основой для расчета распределения концентрации вредных веществ в придорожном пространстве.

При расчете концентрации должна быть предварительно определена мощность источника загрязнения по одной из программ моделирования функционирования дороги и моделирования работы двигателя в системе «Водитель-Автомобиль-Дорога-Среда» (В-А-Д-С), например, в системе CAD_CREDO.

Таким образом, приемлемыми методами экологической экспертизы загрязнения атмосферного воздуха вредными веществами могут быть следующие процедуры:

- эмиссия - моделированием системы (В-А-Д-С);

- концентрация вредных веществ - по массовому выбросу.

Концентрация вредных веществ рассчитывается по формуле

C

2M

л/2по • V • sin ф + F ’

(1)

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

163

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

где M - мощность источника (QCO, QNO) (мг/ (мс));

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

V - скорость ветра, м/с;

ф - угол между направлением ветра и дороги;

F - фоновая концентрация загрязнения, мг/м3.

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

C = A MF m n k/ H2(V1 dT)-1/3, (2)

где M - мощность источника выброса, г/с;

A - коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы;

H - высота источника выбросов над поверхностью земли;

к - коэффициент, учитывающий рельеф местности;

dT - разность температур выбрасываемой газовоздушной смеси и окружающего воздуха;

F - коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе;

m, n - коэффициенты, учитывающие условия выхода газов из источника выброса;

V - выброс газа, м3/с.

Формула (2) не может быть использована непосредственно для расчета концентраций от выбросов автомобильных двигателей по ряду следующих основных причин:

- отработавшие газы автомобильных двигателей быстро и принудительно смешиваются с воздухом в пределах проезжей части дороги;

- выбросы быстро принимают температуру окружающего воздуха;

- автомобильная дорога - линейный объект зачастую сложной конфигурации в плане;

- выбросы обусловлены меняющимися параметрами дороги переменными по ее длине.

Такие особенности автомобильно-дорожного источника выбросов требуют разра-

ботки соответствующих алгоритмов расчета концентраций вредных веществ в придорожном пространстве.

Разность температур dT близка к нулю и по этой причине выбросы автомобильных двигателей следует отнести к холодным выбросам. Источником выбросов следует 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.

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 дороги.

При экологическом анализе необходимо знать величину концентрации в некоторой определенной точке придорожного пространства. Поэтому при расчете концентрации следует учитывать вклад каждого источника (участка дороги) в общую концентрацию в данной расчетной точке. 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 концентраций от всех источников. Концентрация от каждого мелкого источника рассчитывается в предположении, что этот 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 от каждого источника вычисляется с учетом расстояний от соответствующих осей до расчетной точки.

Алгоритм расчета должен предусматривать поиск такого направления ветра

164

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

К 90-ЛЕТИЮ СПЕЦИАЛЬНОСТИ «ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО»

и его скорости, при которых этот максимум достигается. Конечно, в практических ситуациях может быть актуальной задача расчета концентраций при вполне определенной скорости ветра или по определенному направлению. Не менее важной задачей может стать оценка эффективности различных защитных мер, направленных на снижение уровня концентрации в соответствующих точках придорожного пространства, например, в разных точках населенных пунктов, вблизи которых проходит дорога. Решение этих задач также должно быть обеспечено соответствующими методиками и алгоритмами.

При экологическом анализе необходимо учитывать и пространственное расположение источников выброса, обусловленное конструкцией дороги в плане, и разную мощность источников, обусловленную различными режимами движения автомобилей из-за меняющихся вдоль дороги условий движения. Поэтому наиболее наглядную и полную информацию о загрязнении придорожного пространства может дать картина поверхности поля концентраций, его отображение изолиниями и разрезы поверхности в нужных местах.

Все перечисленные требования делают проблему экологического дорожного анализа достаточно сложной в вычислительной части и комплексной по видам задач (из теории автомобилей и двигателей, теории транспортных потоков, координатной геометрии, метеорологии и т.п.).

Анализу и оценке экологического качества лесовозной дороги предшествует ее анализ по показателям энергетического качества, в частности по расходу топлива при перевозках. Расчет расхода топлива необходим не только при анализе экологического качества лесовозной дороги, но и для оценки важнейших транспортно-эксплуатационных качеств автомобильной дороги по техникоэкономическим показателям, для денежной оценки затрат на перевозки.

При моделировании системы (В-А-Д-С) количество (эмиссия) выбрасываемых в придорожное пространство вредных веществ с отработавшими газами автомобильных

двигателей определяется в значительной степени дорожными условиями: продольный и поперечный уклон дороги, план, расстояние видимости, элементы обустройства дороги, тип и состояние покрытия и т.п. Количество вредных веществ зависит от режима работы автомобиля, расхода топлива, режима работы двигателя на данном участке дороги, концентрации конкретного вещества в отработавших газах. Первоочередной задачей при этом следует считать определение расхода топлива.

Расход топлива определяется нагрузкой на двигатель, которая зависит от режима движения, установленного водителем, а значит, от дорожных условий. Поэтому расчету расхода топлива предшествует расчет скорости движения, в процессе которого определяются основные показатели работы автомобиля и двигателя. Расчет расхода топлива основан на закономерностях работы автомобильных двигателей.

Для режима тягового усилия расход топлива (в л на пути м) вычисляют по методу Н.Я. Говорущенко

0 = 10-ЩЛ ikB i? V C(Ga(f + 1,01U) +

+ 0,077KwF V/))/^, (3)

где A, B, C - коэффициенты, зависящие от типа двигателя и автомобиля;

V - скорость автомобиля, км/час;

Kw - фактор обтекаемости;

F - лобовая площадь, м2;

ik - передаточное число k-ой передачи;

П - индикаторный КПД двигателя;

f - коэффициент сопротивления качению;

U - продольный уклон, проценты;

G - вес автомобиля, кгс;

a

S - длина участка, м.

Для режима холостого хода (в основном на спусках) расход топлива также можно вычислить по формуле (3). При этом коэффициенты А, В, С должны соответствовать холостому ходу, а индикаторный КПД двигателя следует принимать равным 0,32.

Количество вредного вещества (граммов) в отработавших газах вычисляют по следующей формуле, которая приведена здесь исключительно по тем соображениям, что в ней четко отражается сущность физического

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013

165

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ. ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС

Таблица

Зависимость коэффициента избытка воздуха от степени использования мощности двигателя Nr = N/N

max

Nr 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

акарб 0,80 0,84 0,88 0,91 0,95 0,99 1,03 1,06 1,10 1,00 0,9

адиз 5,0 4,6 4,2 3,8 3,4 3,2 2,7 2,2 2,4 1,8 1,6

процесса образования вредных веществ в автомобильном двигателе

Q = 1000/22,4 M X0,01 р Q 15а/1,22, (4)

где Qmon - количество сгоревшего топлива, кг;

1000/22,4 - количество молей в 1 м (один моль газа занимает 22,4 л при температуре 0 градусов и давлении 0,1 МПа);

Mx - молекулярная масса одного моля (28 для СО- оксида углерода, 31 для NOx - оксидов азота, 86 для CH - углеводородов);

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

Qmon 15а/1,22 - выделение газа двигателем (далее), м3;

Х - концентрация вредных веществ в отработавших газах двигателя, в процентах по объему.

Значения Х зависят от коэффициента избытка воздуха, которым определяется состав топливовоздушной смеси, и для карбюраторных двигателей могут быть найдены по формулам

XCO = 61,3 + а(53 а - 114), (5)

XCH = 0,912 + а(0,776 а - 1,667), (б)

XNO = -3,62 + а(-3,886 а + а + 7,88). (7)

В расчетах коэффициента избытка воздуха мощность двигателя, необходимую для преодоления всех сопротивлений движению со скоростью v, вычисляют по известной формуле

N = <Р„ - Рн + РХ + Р) ^ (8)

что дает после преобразований

N

f f 5, >

Ga 0.01-U + f + a+

V g + К - V2

V V+0.002 + 9-10-5 -v y )

75Kнг

, (9)

где Рд - сила дорожных сопротивлений, G(0,01U + f);

Р - сопротивление воздушной среды,

' Kv2;

Р - сила инерции при ускорении а, a G

н s/g; a

Р - сопротивление трансмиссии на холостом ходу, Ga(0,002 + 9 10-5v);

Кнг - коэффициент влияния нагрузки (потерь в шестернях, карданах);

v - скорость движения, м/с;

dk - коэффициент учета инерции вращающихся масс автомобиля;

А - ускорение, м/с2.

Выброс тетраэтилсвинца карбюраторными двигателями пропорционален расходу топлива

QPb = 0,8Qmp^ (10)

где РТЭС - содержание тетраэтилсвинца в бензине, г/кг, (принято 0,37 для легковых автомобилей и 0,17 для грузовых). Коэффициент 0,8 учитывает выброс тетраэтилсвинца в атмосферу (принято, что 20 % оседает в почве придорожного пространства).

Изменения в различных аспектах деятельности предприятий могут как отрицательным, так и положительным образом сказываться на состоянии окружающей среды, здоровья персонала и населения.

Выводы: организация должна идентифицировать экологические аспекты, принимая во внимание не только процесс производства, но и сырье, материалы, энергию (входные параметры производства), продукцию, услуги (выходные параметры производства), характерные как для существующих, так и для прошлых видов деятельности.

Следует учитывать как нормальное, штатное функционирование предприятия, так и условия пуска и демонтажа (закрытия) производства, вероятные нештатные и аварийные ситуации [2]. При идентификации

166

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 1/2013