Совершенствование методов контроля воздействия автотранспорта на качество среды обитания

Загрязнение воздуха в городах в результате антропогенной деятельности, приводящее к изменению сложившихся естественных характеристик атмосферы, к которым в течение предшествующих столетий адаптировался организм человека, является серьезной мировой проблемой. По данным Всемирной Организации Здравоохранения [1] в настоящее время преждевременная смертность населения планеты в результате высокого загрязнения атмосферы достигает 4,2

млн. случаев в год. К ключевым загрязнителям атмосферы относятся мелкодисперсные взвешенные частицы РМ 10 и РМ 2.5 , монооксид углерода (СО), озон (О 3 ), диоксид азота (NO 2 ) и диоксид серы (SO 2 ). Присутствие в воздушной среде опасных компонентов в концентрациях, превышающих установленные нормативные значения, вызывает и / или усугубляет тяжесть протекания респираторных, сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний нервной системы [2-5].

Известно, что передвижные источники и, в первую очередь, традиционные автотранспортные средства, работающие на углеводородном топливе, являются ключевыми источниками загрязнения атмосферы города.

Во время строгого локдауна в ряде Европейских государств и Китае в первую волну пандемии COVID-19 весной 2020 года были проведены исследования сокращения транспортной активности на состояние загрязнения атмосферы городов. В работе [11] представлены результаты исследования снижения загрязнения придорожного воздуха NO, NO 2 , NO Х в городе Падуя (Италия) в период строгих ограничений на передвижение граждан для сдерживания распространения вируса SARS-Cov-2. Методы статистического корреляционного анализа и многомерные модели линейной регрессии были применены для анализа результатов измерений за весенний период 2020 г. и 2018 и 2017 гг. Анализ показал, что интенсивность движения автотранспортных потоков (АТП) существенно влияет на концентрации NO, NO 2 , NO Х . Авторы пришли к выводу, что управление АТП и меры по их ограничению, очевидно, эффективны для улучшения качества воздуха.

Автоматизированные системы управления дорожным движением (АСУДД) широко используются в Российской Федерации и за рубежом для оптимизации транспортных потоков в городах с целью сокращения дорожно-транспортного травматизма и предотвращения заторов на дорогах [12, 13]. Однако регулирование транспортных потоков также может быть использовано для контроля выбросов автотранспорта и управления его влиянием на качество воздуха [12-17]. Так, например, в Берлине [12] была разработана on-line информационная система IMMISmt, состоящая из нескольких взаимосвязанных моделей прогнозирования загрязнения воздуха и основанная на использовании реальных данных об интенсивности дорожного движения, погодных условиях, данных инструментального мониторинга загрязнения воздуха. Кроме того, система позволяет по архивным данным разрабатывать прогнозные сценарии с целью выбора оптимальных управленческих решений для повышения экологической безопасности дорожного движения. В работе [16] приведены результаты решения обратной задачи – прогнозирования с использование рекуррентной нейросетевой модели с длительной кратковременной памятью (long short-term memory (LSTM) recurrent neural network (RNN)) интенсивности движения на ряде автодорог Мадрида с использованием данных о придорожном загрязнении воздуха CO, NO, NO2 и O3, давлении, влажности, температуры воздуха, скорости и направлении ветра, и ранее выявленных для этих магистралей закономерностей, связывающих интенсивность движения АТП и загрязнение придорожного воздуха.

Проведенный анализ свидетельствует об актуальности проблемы повышения качества экспериментально-расчетного мониторинга и прогнозирования негативного воздействия автотранспорта на качество среды обитания в городах с использованием современных инфокомму-никационных интеллектуальных технологий.

Целью настоящей работы явилось совершенствование расчетного метода контроля качества воздуха на основе оценки (мониторинга) и прогнозирования его загрязнения выбросами автотранспорта с использованием данных автоматизированной системы учета транспортных средств (АСУТС) Санкт-Петербурга.

Объекты и методы исследования. Обоснование прогнозного исследования

В качестве объектов исследования были выбраны два участка улично-дорожной сети (УДС) Санкт-Петербурга с высокой плотностью движения, а именно участок на Софийской ул. от ул. Белы Куна до пр. Славы и участок на Пулковском шоссе от Дунайского пр. до Кольцевой автомобильной дороги (КАД). Обе дороги оборудованы АСУТС. Данные АСУТС о плотности и структуре АТП были любезно предоставлены Комитетом по развитию транспортной инфраструктуры Санкт-Петербурга.

Расчетное исследование проводилось с помощью программных продуктов «Магистраль» и «Эколог» (НПО «Интеграл», Россия) с использованием в качестве базовой Методики определения выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от автотранспортных потоков, движущихся по автомагистралям Санкт-Петербурга, утвержденной распоряжением Комитета по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Администрации Санкт-Петербурга № 33-р от 29 января 2019 года. Факторы эмиссии для основных поллютантов для учетных категорий АСУТС по состоянию на 2018-2022 гг. были определены ранее [14].

При выполнении прогнозного расчетного исследования на долгосрочную перспективу до 2035 г. учитывались:

• -    социально-экономические показатели Санкт-Петербурга в десятилетней ретроспективе за период 2010-2020 гг., а именно, численность, возрастная и половая структура населения, численность работающего населения,

средний уровень доходов граждан, региональный валовый продукт, покупательский спрос на автотранспортные средства;

• -    прогнозные значения социально-экономических показателей, представленные в официальном документе «Прогноз социально-экономического развития Санкт-Петербурга на период до 2035 года», утвержденном постановлением Правительства Санкт-Петербурга от 14 февраля 2017 г. № 90;

• -    сроки внедрения в Российской Федерации стандартов на содержание загрязняющих веществ в отработавших газах автомобильных средств и на качество моторных топлив;

• -    федеральные и региональные стратегии развития транспортного комплекса.

В табл. 1 приведено прогнозируемое распределение автотранспорта Санкт-Петербурга в долгосрочной перспективе до 2035 г. по экологическим классам.

Таблица 1 - Прогнозируемое распределение автотранспортных средств Санкт-Петербурга по эколо гическим классам Евро 0-Евро 6 в долгосрочной перспективе до 2035 г. _________________________

Легковой автотранспорт, %
	Евро 0	Евро 1	Евро 2	Евро 3	Евро 4	Евро 5	Евро 6
2015	20	5	10	25	20	10	0
2020	10	5	10	20	35	20	0
2025	-	5	10	15	35	30	5
2030	-	-	5	10	35	35	15
2035	-	-	-	5	25	45	25
Легкий и грузовой комме		рческий транспорт, %
	Евро 0	Евро 1	Евро 2	Евро 3	Евро 4	Евро 5	Евро 6
2015	60	5	20	10	5	-	-
2020	45	5	10	25	10	5	-
2025	25	5	10	25	25	10	-
2030	-	5	10	20	35	25	5
2035	-	-	5	20	30	30	15
Автобусы, %
	Евро 0	Евро 1	Евро 2	Евро 3	Евро 4	Евро 5	Евро 6
2015	40	10	25	20	5
2020	30	10	25	30	10
2025	15	10	20	30	20	5
2030	-	5	15	25	35	15	5
2035	-	-	5	20	30	30	15

Такое разбиение по группам базируется на информации о парке автотранспортных средств, эксплуатируемых в настоящий момент в СПб, и периодичности его обновления, и может уточняться по мере получения необходимых данных. Информационные данные по каждой из упомянутых категорий АТС собираются за каждый год. Кроме того, на долгосрочную перспективу до 2035 гг. прогнозный оптимистичный сценарий предполагал доведение доли АТС, работающих на альтернативных энергоносителях, до 54 %, как это предусмотрено Транспортной стратегией Российской Федерации.

Результаты и обсуждение

В АСУТС Санкт-Петербурга классификационным признаком является длина автотранспортного средства. Выделены следующие категории АТС: Cars (легковые автомобили); Mid Size 1 (микроавтобусы и автофургоны); Mid Size 2, Long Veh 1, Long Veh 2 (грузовые автомобили и автобусы), X long (сверхдлинные грузовые автомобили и автобусы). В табл. 2 приведены данные об интенсивности движения и скорости АТП на исследуемых участках автодорог Санкт-Петербурга.

Данные АСУТС свидетельствуют о высокой плотности АТП на исследуемых участках в часы пик: 6408 авт./час на Пулковском ш. (доля грузовых автомобилей и автобусов составляет 10 %) и 3390 авт./час на Софийской ул. (доля грузовых автомобилей и автобусов составляет 14 %).

Эти данные были использованы для расчетного прогнозирования загрязнения придорожного воздуха в периоды неблагоприятных для рассеивания метеоусловий. Результаты расчета показали, что при неблагоприятных для оседания микрочастиц условиях возможно превышение среднесуточных ПДК мелкодисперсных взвешенных частиц PM 2.5 и PM 10 соответственно в 1,7 и 1,2 раза на Софийской ул. и в 2,5 и 1,5 раза на Пулковском шоссе.

Результаты расчетного прогнозирования загрязнения придорожного воздуха диоксидом азота для условий штиля, температурной инверсии и высокой инсоляции визуализированы на рис. 1.

Таблица 2 – Показатели интенсивности движения в часы пик на Софийской ул. и Дунайском пр.

Санкт-Петербурга согласно АСУТС (03.2018-04.2018)

Участок УДС		Интенсивность движения авт./20 мин						Скорость, км/ч
	Cars	Mid Size 1	Mid Size 2	Long Veh 1	Long Veh 2	X long	Volume
Пулковское ш. (Дунайский пр.– КАД)	808	238	50	21	13	26	1156	60
Пулковское ш. (КАД – Дунайский пр.)	625	250	56	19	15	15	980	60
Пулковское ш. в обоих направлениях	1433	488	106	40	28	41	2136	60
Софийская ул. (пр. Славы – ул. Белы Куна)	449	140	33	16	8	9	655	45
Софийская ул. (ул. Белы Куна – пр. Славы)	289	92	32	15	10	35	475	45
Софийская ул. (в обоих направлениях)	738	232	65	31	18	44	1130	45

а)

б)

Рисунок 1 – Карты загрязнения придорожного воздуха NO 2 на Пулковском шоссе (а) и Дунайском проспекте (б) Санкт-Петербурга при неблагоприятных метеоусловиях и высокой интенсивности движения

Результаты расчета подтверждают, что при неблагоприятных погодных и транспортных условиях содержание диоксида азота в воздухе непосредственно на Пулковском ш. может достигать 3-5 ПДК и на Софийской ул. – 2-4 ПДК, а в прилегающих к ним жилых кварталах - 1,32,0 и 1,1-1,5 ПДК соответственно.

Далее были проведены расчетные прогнозные исследования по оценке качества придорожного воздуха вблизи исследуемых автодорог в долгосрочной перспективе до 2035 г. На основе прогнозных данных об экологической структуре автотранспортных потоков (табл. 1) и известных значений удельных пробеговых выбросов загрязняющих веществ для автомобилей разных категорий и экологических классов [14], были определены средневзвешенные факторы эмиссии приоритетных поллютантов на 2025, 2030 и 2035 гг. В табл. 3 в качестве примера приведены факторы эмиссии диоксида азота.

Результаты расчетного прогнозирования загрязнения воздушного бассейна диоксидом вблизи Пулковского шоссе и Софийской улицы приведены на рис. 2 и 3 соответственно.

Полученные результаты указывают на то, что при прогнозируемых темпах обновления парка автотранспортных средств в Санкт-Петербурге на Пулковском шоссе и на Софийской улице будет иметь место постепенное снижение приземных концентраций диоксида азота даже при неблагоприятных метеорологических условиях и высокой транспортной нагрузке (~6500 авт./ч в 2025 г. и ~7500-8000 авт./ч в 2030-2035 гг. на Пулковском шоссе и 4000-4500 в 2025 и 5000-5500 авт./ч на Софийской улице в 20302035 гг.). При реализации заложенных мероприятий справедливо ожидать улучшения качества атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге и соответствии его индикаторных показателей (концентраций поллютантов) отечественным нормативным стандартам в прогнозном периоде.

Рисунок 2 – Расчетное прогнозирование загрязнения воздушной среды в долях ПДК диоксидом азота вблизи Пулковского шоссе Санкт-Петербурга при неблагоприятных метеоусловиях и высокой транспортной нагрузке: а) 2025 г; б) 2030 г.; в) 2035 г.

Рисунок 3 – Расчетное прогнозирование загрязнения воздушной среды в долях ПДК диоксидом азота вблизи Софийской улицы Санкт-Петербурга при неблагоприятных метеоусловиях и высокой транспортной нагрузке: а) 2025 г; б) 2030 г.; в) 2035 г.

Таблица 3 – Прогнозные значения усредненных удельных пробеговых выбросов (факторов эмиссии) поллютантов для учетных категорий автотранспорта АСУТС, г/км

Категория АТС в АСУТС	2018	2025	2030	2035
Cars	0,27	0,11	0,075	0,057
Mid Size 1	1,65	1,21	0,62	0,34
Mid Size 2	4,32	3,62	2,67	1,98
Long Veh 1	5,83	4,73	3,31	2,34
Long Veh 2	6,82	5,71	4,05	2,79
X long	7,54	6,93	5,44	4,27

Заключение

Проведенное исследование показало, что ужесточение законодательного регулирования выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов, реализация экологически ориентированных мероприятий в транспортном секторе будет в долгосрочной перспективе способствовать сокращению негативного воздействия этой отрасли на окружающую среду, что особенно важно в условиях роста численности населения в городах, роста темпов его автомобилизации и увеличения транспортной деятельности в целом, проявления глобальных экологических проблем, связанных с изменением климата, в т.ч. погодных качелей (волн жары и холода), появления и распространения новых особо опасных инфекций.

Залогом повышения качества управления экологической безопасностью транспортных систем будет являться постепенный переход от прогнозирования по статистическим показателям к прогнозированию на основе достоверной информации о реальной транспортной деятельности, реальной структуре транспортных потоков, активного использования последних достижений в сфере инфо-телекоммуникационных технологий и технологий интеллектуальных транспортных систем.