Повышение экологической безопасности урбанизированных территорий при формировании и модернизации городских транспортных систем

Размещено на http://allbest.ru

Институт архитектуры и строительства

Волгоградского государственного технического университета

УДК 69.504 + 711.4:504

Повышение экологической безопасности урбанизированных территорий при формировании и модернизации городских транспортных систем

Балакин В.В.

Основные урбоэкологические проблемы, наиболее остро проявляющиеся в городах России, связаны с химическим загрязнением атмосферного воздуха, почвы, водоемов и прогрессирующим снижением экологических и эстетических качеств городских ландшафтов вследствие роста техногенных нагрузок, увеличения плотности застройки и сокращения площади растительного покрова. На высокоурбанизированных территориях происходят значительные изменения в рельефе, поверхностных и подземных водах, горных породах [14]. В результате интенсификации использования городского пространства здесь «исчезли растительные комплексы (биогеоценозы), которые обязаны нести средоформирующие, природоохранные и эстетические функции» [10].

Основным источником загрязнения природных средовых систем в крупных и крупнейших городах является транспортный комплекс. В результате его функционирования величина ежегодного экологического ущерба в Российской Федерации достигает 110 млрд рублей [15], а риск здоровья городского населения, по данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А. Н. Сысина, на 70-80% определяется химическим и шумовым загрязнением окружающей среды [12].

Между видами транспорта загрязнение атмосферного воздуха вредными веществами в городах распределяется следующим образом: автомобильный транспорт ? 91,3%, железнодорожный ? 3,7%, морской ? 2,7%, речной ? 0,9%, воздушный ? 1,4%. В России насчитывается около 200 городов с доминирующим вкладом загрязняющих веществ от передвижных транспортных источников в общую картину загрязнения [19].

Наиболее массовым и тесно контактирующим с населением городов передвижным источником загрязнения атмосферного воздуха является автомобильный транспорт. На его долю приходится в среднем около 70% общего объема загрязнения, поступающего от различных технических систем в атмосферу городов [19]. Результаты многочисленных эколого-гигиенических и социально-экономических исследований, выполненных в последнее время, указывают на то, что в крупных и крупнейших городах автомобильный транспорт становится ведущим фактором экологического риска [12,18,19]. Его негативные проявления угрожают, прежде всего, здоровью населения. В результате статистического анализа соотношения между «городской» и «внегородской» работой автомобильного транспорта установлено, что количество выбросов загрязняющих веществ автомобилями, приходящееся на урбанизированные территории, примерно вдвое превышает объемы выбросов на остальных территориях [12].

Выбросы в атмосферу от автомобильного транспорта ежегодно растут в среднем на 3,1% за счет пополнения автопарка [18]. С 1970 года парк легковых автомобилей на территории РФ увеличился в 46,7 раза, а в Москве и Санкт-Петербурге он вырос в 20 и 25 раз соответственно [20].

В настоящее время Россия располагает значительным потенциалом дальнейшего расширения автомобильного парка. Если темпы прироста легкового автомобильного транспорта в мире составляют примерно 1 автомобиль на каждые 6 человек, то в России ? 1 автомобиль на каждые 5 человек [19].

При построении теоретических и эмпирических моделей, используемых для гигиенической оценки ингредиентного загрязнения приземного слоя атмосферы, почвенного покрова, открытых водоемов, а также параметрического воздействия транспортных потоков на жилую среду урбанизированных территорий весь набор влияющих факторов может быть рассмотрен в пределах соответствующих градоэкологических подсистем. Например, при оценке воздействия транспорта на почву придорожной полосы здесь следует выделить градоэкологическую подсистему «проезжая часть - атмосферный воздух - почвенный покров», на качество атмосферного воздуха в жилой зоне - «транспортный поток - атмосферный воздух - жилая застройка», а на акустическую среду в жилых зданиях- «транспортный поток - шумовой режим - жилое здание».

В совокупности такие взаимосвязанные, взаимопроникающие природно-техногенные подсистемы образуют градоэкологическую систему «городской транспорт - природная среда - жилая зона». В результате функционирования и взаимодействия всех элементов, включаемых в эту природно-техногенную систему, в пределах урбанизированных территорий формируется специфическая городская среда, причем основными системообразующими компонентами здесь являются жилая среда и человек. А комплекс неблагоприятных для здоровья людей эффектов и процессов, являющихся следствием техногенного воздействия средообразующих элементов антропогенного происхождения на природные средовые системы, приводит к появлению в пределах урбанизированной территории зон загрязнения, а, следовательно, к дестабилизации городской геоэкосистемы в целом. городской ландшафт экологический транспорт

Центром урбоэкологической проблематики, возникающей внутри экосистемы города, является человек, его самочувствие и все виды деятельности, а основной задачей экологических исследований - оценка качества городской среды в соответствии с гигиеническими нормативами по экологическим факторам или «моделями комфортности среды обитания в урбанизированных регионах по комплексу геоэкологических критериев» [6, 21].

Комплексная оценка негативного воздействия автомобильного транспорта на экосистему города может быть дана в результате его пофакторного анализа в соответствующих градоэкологических подсистемах. Здесь выстраиваются по значимости факторы, определяющие уровни ингредиентного и параметрического воздействия транспорта на средовые системы с разработкой транспортно-градостроительных мероприятий по повышению экологической безопасности урбанизированных территорий. Например, уровень загрязнения атмосферного воздуха окcидом углерода (СО) на автомобильной магистрали формируется в пределах градоэкологической подсистемы «транспортный поток - атмосферный воздух - жилая застройка» под влиянием таких ведущих факторов, как интенсивность движения автомобилей N, авт/ч, скорость ветра над проезжей частью u₀, м/с, скорость потока автомобилей V, км/час, процент грузовых автомобилей в потоке p, отношение средней высоты зданий к ширине улицы по линиям застройки H/B и может быть установлен как выходной параметр многофакторного процесса [7]:

q_CO = Q·ѓ₁(N)·ѓ₂(u₀)·ѓ₃(V)·ѓ₄(p)·ѓ₅(H/B), (1)

где Q - среднее значение концентрации СО по выборочной совокупности, мг/м³.

В результате аппроксимации элементарных функций ц_i = ѓ_i (о_i), построенных по приведённым параметрам, формула для начальной концентрации СО (мг/м³) на магистрали получает вид [5]:

, (2)

где F - параметр, учитывающий влияние скорости движения и состава транспортного потока, определяемый по формуле F = 10^-41,75(10^-21,43p + 1) V² - 10^-22,67(10^-35,14p + 1)V + 1; е - основание натурального логарифма.

В конкретный период времени ущерб, наносимый здравоохранению от загрязнения жилой зоны города выбросами автомобильного транспорта можно определить по формуле [3]:

, (3)

где Н_Д - численность населения, проживающего в дискомфортной зоне; у_З - удельный ущерб (в руб. /чел).

За зону дискомфорта воздушной среды принимается придорожная полоса территории, ограниченная в глубине квартала непрерывной линией, где концентрации компонентов отработавших газов (ОГ) автомобилей в воздухе равны их предельно допустимым среднесуточным значениям. Ее ширина в пределах рассматриваемых участков улично-дорожной сети (УДС) будет определяться средними параметрами транспортного потока, ветровым режимом, характером застройки и озеленения.

В этом случае площадь загазованной территории в жилом районе вычисляется по формуле [2]:

, (4)

где L_i - длина i-го участка УДС; r_i - ширина зоны дискомфорта в жилой застройке на i-м участке, м, причем везде r_i = Д_i - b_i, здесь Д_i - расстояние от края проезжей части до границы зоны дискомфорта, м; b_i - то же, до линии застройки, м; t - число участков УДС в рассматриваемом жилом районе с дискомфортным состоянием воздушной среды.

Численность населения, подвергающегося систематическому воздействию атмосферных загрязнений при функционировании транспортной системы города, можно определить по формуле

(5)

где q_j - плотность населения, проживающего в j-м в жилом районе, чел/га; L_i - длина i-го участка УДС в j-м жилом районе, где превышены нормативы содержания атмосферных загрязнений; r_i - ширина зоны дискомфорта в жилой застройке j-го жилого района на i-м участке УДС, м; f - число жилых районов в городе.

В настоящее время уровень автомобилизации в крупных и крупнейших городах в 5?7 раз превышает прогнозные показатели, установленные в генпланах и комплексных транспортных схемах (КТС), в результате чего плотность магистральной УДС оказалась в 1,5?2 раза ниже фактических потребностей. В связи с этим на транспортных сетях крупнейших городов (Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург и многие другие) возникла проблема с пропуском концентрированных автомобильных потоков, к освоению которых их уличная сеть оказалась неподготовленной [16].

В результате расширения автопарка диспропорция между темпами автомобилизации и развития УДС в городах еще больше увеличивается. Это приводит к снижению пропускной способности транспортных сетей, скоростей движения автомобилей, их задержкам, росту аварийности, увеличению путевого расхода топлива и, как следствие, сокращению эффективности функционирования транспортных систем при увеличении масштаба их негативного воздействия на природную среду.

Как источник многостороннего негативного влияния на жилую среду автомобиль проявляет себя в полной мере при функционировании в едином транспортном потоке, где большинство показателей его экологического воздействия определяется режимами движения - троганием с места, разгоном, движением с установившейся скоростью, торможением, холостым ходом [9].

Пространственно-временная изменчивость полей концентраций загрязняющих веществ, поступающих в приземный слой атмосферы городов с выбросами автомобилей, имеет ряд специфических особенностей, обусловленных сложной структурой транспортных потоков - линейных источников загрязнения, «выраженной нестационарностью их функционирования», переменным режимом движения, а также влиянием городской застройки и элементов благоустройства на перенос и рассеяние примесей в атмосфере. Расчеты показывают, что увеличение средней скорости транспортного потока с 20 до 70 км/час приводит к снижению концентрации оксида углерода в жилых массивах почти в 3 раза [11]. Под влиянием неоднородностей городского ландшафта (рельеф, температура поверхности, застройка) концентрации компонентов ОГ в воздухе «могут меняться на порядок» [8].

Поэтому современные подходы к оценке воздействия автомобильного транспорта на городскую среду в крупных, крупнейших городах и особенно в мегаполисах характеризуются смещением акцента на макроуровень, когда анализируются динамические и энерго-экологические характеристики не отдельных автомобилей, а транспортных потоков, формируемых в процессе функционирования всего транспортного комплекса на магистральных сетях городов и агломераций [8,12,19].

Прогрессивные подходы к изучению пространственной структуры загрязнения приземного слоя атмосферы не должны ограничиваться рассмотрением локальных участков транспортных сетей и прилегающих территорий, а требуют анализа распределения выбросов от передвижных источников в жилых зонах городов и пределах агломераций с изысканием способов устранения возникающих очагов загрязнения атмосферного воздуха в приземном слое и снижения общего уровня экологической напряженности.

При росте автомобилизации и исчерпании резервов пропускной способности транспортных сетей в городах возникает острая необходимость упорядочения архитектурно-планировочной организации городской застройки, регламентации и рационального использования имеющихся транспортных территорий, как для пропуска транспортных потоков высокой интенсивности, так и паркования автомобилей при обеспечении приоритетных условий для движения общественного транспорта. Одновременно с этим требуется модернизация транспортной системы города (ТСГ) с повышением безопасности, комфортабельности и привлекательности городского массового пассажирского транспорта (ГМПТ). Здесь необходимо широкое привлечение новых видов скоростного, экологически безопасного внеуличного пассажирского транспорта - метрополитена, электрифицированной железной дороги, скоростного трамвая, эстакадных (монорельсовых) дорог. В результате реализации такого комплекса мероприятий создаются условия для организации комбинированных поездок владельцев автомобилей с использованием массового общественного транспорта, что ведет к снижению интенсивности движения на УДС, а также сдерживанию темпов автомобилизации и оздоровлению окружающей среды [4].

При выборе мероприятий по модернизации городских транспортных систем в условиях исторически сложившейся переуплотненной застройки центров крупных, крупнейших городов и мегаполисов крайне необходима комплексная оценка качества городской среды с использованием наиболее точных расчетных методик и мониторинга. Здесь, из-за ограниченности резервных территорий для расширения магистралей, должны применяться такие радикальные мероприятия, как устройство дорог непрерывного движения с переводом на них из общегородских центров и жилых зон по радиальным, хордовым или поперечным направлениям сквозных внутригородских потоков транзитного транспорта. Одновременно необходимо строительство сетей обходных дорог скоростного движения для регионального и федерального транзита, трассируемых на внеселитебных территориях, в пригородных зонах и в пределах агломераций.

Перечень таких объектов предусматривается генеральным планом, а также включается в состав предложений КТС городов. Подобные мероприятия должны иметь стратегический характер и приниматься на основе концепции долгосрочного развития ТСГ и регионов. Практически реализация таких решений может растянуться на довольно длительный период, так как она связана с капитальным ремонтом, реконструкцией существующих и строительством новых дорог и улиц, многочисленных эстакад, мостов, дамб, тоннелей, путепроводов, подземных переходов, многоуровневых транспортных развязок и требует значительных капитальных вложений.

При ограниченном финансировании градостроительных мероприятий крупного масштаба в городах в качестве наиболее доступных мер, позволяющих оперативно снизить выброс в природные экосистемы вредных веществ, шумовую нагрузку и максимально использовать имеющийся запас пропускной способности УДС, применяются мероприятия первой очереди с выборочной планировочной реконструкцией узлов и улиц [17]. Они направлены, в основном, на изменение существующих схем организации движения с целью сокращения задержек транспорта, уменьшения числа конфликтных точек и повышения пропускной способности перекрёстков. К таким мероприятиям относятся: специализация магистралей по видам транспорта; включение улиц местного значения в транспортную сеть, где допускается их частичная реконструкция; выделение в зонах перекрестков дополнительных полос для поворотных потоков; оптимизация схем маршрутов общественного транспорта с реконструкцией остановочных и оборотных пунктов и др.

Эта группа мероприятий обычно включается в КТС в составе работ, выполняемых в течение ближайших 5-7 лет. В зависимости от уровней загрузки участков УДС здесь выделяются немедленные мероприятия (1-2 года) и конечные (последний год первой очереди), причём переход к планировочной реконструкции осуществляется лишь после полного использования различных методов организации движения - модернизации автоматизированных схем управления движением; применения современных технических средств и др. [1].

В последние годы в рамках социально-экономического развития городов разрабатываются комплексные схемы организации движения (КСОД), а также концепции и программы развития пассажирского транспорта с поэтапным внедрением мероприятий на периоды от 2 до 5 лет. Практически это означает переход от среднесрочного планирования развития ТСГ к непрерывному планированию, в связи с трудностями на транспортных сетях, связанными с организацией движения и транспортным обслуживанием, возникающими в условиях быстрого роста интенсивности движения из-за отсутствия чёткой стратегии их развития.

Такая специальная программа реализуется в настоящее время в Волгограде, где транспортная система имеет ряд нерешенных проблем, основными из которых являются низкая скорость сообщения и ситуации заторов на отдельных участках УДС из-за высокой загруженности дорог транзитным движением и несанкционированной стоянки автомобилей на проезжей части. На 40 перегонах улиц из 85 обследованных скорость движения транспорта оказалась ниже средней скорости на всей УДС (35, 9 км/ч), причем на 26 перегонах в часы «пик» она не превышает 30 км/ч [13]. Также высок уровень дублирования маршрутной сети.

Практическое решение этих социально острых проблем решается путем реформирования маршрутной сети, сокращения количества маршрутов микроавтобусов, обновления подвижного состава, модернизации и обустройства остановочных пунктов, организации линий автобусов большой вместимости на связях дальних районов города с общегородским центром и между собой; реконструкции магистральных дорог и улиц.

Начато строительство западного обхода города от дороги 1Р - 228 Волгоград - Саратов до выхода из города дороги М-6 «Каспий» на Астрахань, перехватывающего потоки транзитного транспорта на всех подходящих радиальных автомобильных дорогах северо-западного, западного и юго-западного направлений, завершается сооружения дублирующей пр. Маршала Жукова внутригородской широтной магистральной дороги непрерывного движения, ответвляющейся от ввода в город дороги М-6 «Каспий» и выходящей на мост через Волгу для пропуска внешнего транзита в направлении Москва - Астрахань.

Задача организации ГМПТ и повышения уровня транспортного обслуживания должна стать одной из главных для КСОД. Только после включения вопросов, связанных с ее решением КСОД приобретает функции и значение комплексного документа, обеспечивающего практическую поддержку стратегическим решениям генплана и КТС.

Стратегия управления развитием ТСГ и охраной городской среды должна предусматривать вместе с текущими организационно-регулировочными мерами, поддерживающими необходимую пропускную способность транспортной сети, последовательное, увязанное с финансовыми возможностями внедрение планировочно-реконструктивных и транспортно-градостроительных мероприятий более крупного масштаба, обеспечивающих одновременно с радикальными преобразованиями в области организации движения городского транспорта максимальный оздоровительный эффект.

Список литературы

1. Балакин В. В. О роли средств организации движения транспорта в решении экологических проблем городов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. - Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2007. - Вып. 7 (26). - С. 251-257.

2. Балакин В. В. Оценка загрязнения жилой среды выбросами автомобильного транспорта // Современные проблемы безопасности дорожного движения и их решение - дети и молодежь на дорогах: материалы III Рос.-герм. науч.-практ. конф., Волгоград, 6-8 июня 2006 г. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2006. - С. 234-244.

3. Балакин В. В. Оценка экономической эффективности градостроительных мероприятий по охране воздушного бассейна от выбросов автотранспорта // Защита городской среды от воздействия автомобильного транспорта: межвуз. сб. науч. тр. - Волгоград: ВолгИСИ, 1989. - С. 109-114.

4. Балакин В. В. Принципы формирования системы транспортно-пересадочных узлов для организации комбинированных поездок с использованием внеуличных видов транспорта [Электронный ресурс] / В. В. Балакин, А. А.Савина., Е. Н. Романюк., Д. Н. Манасян // Развитие и модернизация улично-дорожной сети (УДС) крупных городов с учетом особенностей организации и проведения массовых мероприятий международного значения (в рамках подготовки к Чемпионату мира по футболу 2018 г.) : материалы Междунар. науч.-практ. конф., 17-19 сент. 2014 г., г. Волгоград. - Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2014. - С. 120-126.

5. Балакин В. В. Прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха на улично-дорожной сети города // Моделирование и анализ сложных технических и технологических систем веке : сб. ст. X междунар. науч.-практ. конф. (г. Волгоград, 1 ноября 2017 г.). / Научно-издательский центр «АЭТЕРНА». - Уфа, 2017. C. 9-11.

6. Балакин В. В., Сидоренко В. Ф. Выбор показателя качества среды обитания в градоэкологических системах // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в XXI веке : сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. (г. Пермь, 3 ноября 2017 г.). / отв. ред.: А. А. Сукиасян, редкол.: Р. Г. Юсупов [и др.] ; Международный центр инновационных исследований «ОМЕГА САЙНС». - Уфа, 2017. - C. 165-168.

7. Бородюк В. П., Чирков И. М. Получение математического описания методами пассивного и активного экспериментов // Некоторые вопросы математического описания и оптимизации многофакторных процессов: Тр. МЭИ, вып. LI. М., 1963. С. 49-114.

8. Василенко С. В. Исследование загрязнения городской воздушной среды выбросами автотранспорта (на примере Калининграда). Дис…канд. геогр. наук. Калининград, 1999. 141 с.

9. Иванов Г. В. Планировка города с учетом уменьшения отрицательного влияния машинопотоков на состояние воздушного бассейна. Дис…канд. техн. наук. - Алма-Ата, 1994. 193 с.

10. Ивашкина И. В., Кочуров Б. И. Формирование пространственной композиции культурного ландшафта города // Экология урбанизированных территорий. 2012. №3. С. 22-28.

11. Ильвицкий Д. Ю. Исследование атмосферных загрязнений урбанизированных территорий и развитие систем мониторинга (на примере г.Москвы). Дисс…канд. техн. наук. - М.: 2002. 145 с.

12. Колесников С. П. Оценка влияния динамических характеристик транспортного потока на выбросы загрязняющих веществ автомобилем: дис…канд. техн. наук. - Тюмень, 2003. -123 с.

13. Коробейникова Т. В. Проблема транспортного обслуживания и пути ее решения в Волгограде [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности : материалы IV Всерос. науч.-техн. конф. молодых исследователей (с междунар. участием), Волгоград, 24-29 апр. 2017 г. Под общ. ред. Н. Ю. Ермиловой. - Волгоград, 2017. - C. 54-56. - Режим доступа : http://vgasu.ru/publishing/on-line/.

14. Кочуров Б. И., Ивашкина И. В. Городские ландшафты Москвы: от традиционных до гармоничных и сбалансированных // Экология урбанизированных территорий. 2012. №1. С. 6-11.

15. Лыков И. Н. Автотранспорт и городская среда / Экология урбанизированных территорий. 2013, №3. С. 37--41.

16. МДС 30-2.2008. Рекомендации по модернизации транспортной системы городов. - М.: ЦНИИП градостроительства, 2008.

17. Рекомендации по разработке комплексных транспортных схем для крупных городов // Киев НИИП градостроительства, ЦНИИП градостроительства, Бел НИИП градостроительства. М.: Стройиздат, 1984. 121 с.

18. Рожко О. Н. Проблемы экологической безопасности автотранспортной системы городов // Проблемы развития транспортных систем городов и зон их влияния: Матер. XII междунар. (пятнадцатой екатеринбургской) науч.-практ. конф. /waksman.ru›Russian/2006/V/ro.htm

19. Санник А. О. Комплексная оценка влияния динамических характеристик автотранспортного потока на уровень загрязнения окружающей среды города. Дисс…канд.техн.наук. - Тюмень, 2005. -130 с.

20. Структура и прогноз парка легковых автомобилей в России до 2017 года. http:/www.autostat.ru/catalog/product/154.

21. Филев Ю. Г. Эколого-географическая характеристика качества жизни населения урбанизированных территорий (на примере г. Саранска). Дис…канд. геогр. наук. - Смоленск, 2003. 215 с.

Аннотация

УДК 69.504 + 711.4:504

Повышение экологической безопасности урбанизированных территорий при формировании и модернизации городских транспортных систем. Балакин В.В., Институт архитектуры и строительства Волгоградского государственного технического университета

Изложены концептуальные положения, отражающие процесс формирования качества среды обитания в градоэкологической системе «городской транспорт - природная среда - жилая территория». Подробно рассмотрена градоэкологическая подсистема «транспортный поток - атмосферный воздух - жилая застройка».

Приводится методика расчета начальной концентрации оксида углерода в воздухе магистральных улиц. Формулируется комплекс транспортно-градостроительных мероприятий по повышению экологической безопасности транспортных систем, функционирующих в пределах территорий с высоким уровнем урбанизации.

Ключевые слова: автомобилизация, выбросы, жилая территория, загрязнение, транспортная схема, модернизация.

Annotation

Methods of increasing urban environmental security when building and modernizing urban transportation systems. Balakin V.V. Institute of Architecture and Civil Engineering Volgograd State Technical University

The article explicates the conceptual ideas about how the quality of urban environment depends on the system «urban transportation-natural environmental factors-residential territory». The urban environment subsystem «motor traffic-ambient air-residential area» is brought to a focus. The calculation methods for the initial CO concentrations in the air within heavy-traffic streets are suggested. A development strategy for urban transportation systems is defined to minimize their harmful effect within highly urbanized territories.

Keywords: automobilization, emissions, residential area, pollution, transportation flow chart, modernization

Размещено на Allbest.ru