автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Повышение эффективности технологических операций летнего содержания городских дорог и улиц

На правах рукописи

Дмитриев Сергей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ЛЕТНЕГО СОДЕРЖАНИЯ ГОРОДСКИХ ДОРОГ И УЛИЦ

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

16 МАЙ ¿ШЗ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005058661

005058661

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) на кафедре строительства и эксплуатации дорог.

кандидат технических наук, профессор Борисюк Никита Владимирович

доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора ФГУП «РОСДОРНЩ»., . , . ; .

Красиков Олег Александрович

кандидат технических наук, исполнительный директор НП СРО «Капитальный ремонт и благоустройство» Скрыльник Александр Петрович

ОАО «Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова», г. Москва

Защита диссертации состоится «16» мая 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: 8-(499)-155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим прислать на e-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан «15» апреля 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

/Н.В. Борисюк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Постоянный рост парка автомобилей, увеличение интенсивности движения и площади улично-дорожной сети существенно усложняет функционирование транспортно-дорожного комплекса крупных городов. В результате повышаются требования к эффективности работ служб, ответственных за состояние городских дорог и улиц. Одна из основных задач эксплуатационных организаций в летний период заключается в удалении загрязнений, скапливающихся на поверхности проезжей части, которые являются источником запыленности воздуха и замусоривания городских территорий, а также ухудшают внешний вид улиц. Проведение операций летнего содержания требует значительных материальных затрат и выполняется различной специализированной техникой.

К сожалению, вопросы повышения эффективности технологии летнего содержания объектов дорожного хозяйства в основном остаются заботой производителей работ. Значительные исследования этих проблем были выполнены в 80-х гг: XX века при совместной работе специалистов из Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова и МАДИ. Однако полученные в то время результаты нуждаются в существенном пересмотре и доработке с учетом возросших экологических требований, изменившихся условий движения и изменения парка обслуживающей техники. Таким образом, совершенствование теории летнего содержания городской улично-дорожной сети, является актуальной задачей, решение которой должно не только обеспечить более эффективную работу дорожных служб по летней уборке, но и положительным образом повлиять на экологическую ситуацию.

Объектом исследования является содержание объектов улично-дорожной сети в летний период и его связь с городской экологией.

Предмет исследования включает две составляющие. Во-первых -факторы, определяющие степень загрязненности городских дорог и улиц. Во-вторых - технологии проведения механизированной уборки и критерии качества выполненных работ.

Целями работы являются:

1. Совершенствование методики прогнозирования объемов поступающих загрязнений от автотранспорта и концентрации загрязняющих веществ на городских улицах.

2. Разработка рекомендаций по повышению эффективности летнего содержания городских дорог и улиц.

В соответствии с поставленными целями определены задачи

исследования:

1. Анализ зарубежного и отечественного опыта по экологической оценке состояния воздушногобассейна городских улиц. ¿. •, - -

2. Изучение процесса накопления загрязнений на поверхности проезжей части и распределения запыленности в воздушной среде городских улиц.

3. Экспериментальное исследование гранулометрического состава дорожного смета и дисперсности загрязнений воздушной среды городских улиц.

4. Оценка влияния различных типов оборудования уборочных машин и технологий летнего содержания на чистоту покрытия и экологическое состояние воздушной среды.

5. Совершенствование модели распространения и определения концентрации пылевых загрязнений на городских улицах.

6. Разработка рекомендаций по повышению эффективности летнего содержания городских дорог и улиц.

Методы исследований

В ходе проведения научных исследований был проведен ряд производственных и полевых (натурных) экспериментов на базе следующих предприятий и организаций: Департамент ЖКХиБ г. Москвы, ДЭК «Север», ГУП «ДМУ№1», ООО «Кремлевское кольцо», ДРСУ г. Одинцово с использованием поверенных приборов. Обработка результатов проводилась при помощи оборудования кафедр инженерной геологии и геотехники, строительства и эксплуатации дорог и техносферной безопасности МАДИ, а также лаборатории МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Выдвинутые гипотезы были подтверждены сходимостью результатов экспериментов и теоретических расчетов.

Практическая ценность исследования состоит в том, что по результатам выполненной работы предложены рекомендации дорожно-эксплуатационным организациям по планированию и организации работ по летнему содержанию городских дорог и улиц.

Также методика прогнозирования концентрации запыленности может быть рекомендована для совершенствования мониторинга при оценке соответствия экологического состояния городских дорог и улиц действующим нормам.

Реализация работы

Разработанные- рекомендации по повышению эффективности операций летнего содержания были предоставлены для использования в Департамент ЖКХиБ и дорожно-эксплуатационные предприятия г. Москвы с целью внедрения системы реагирования на превышения предельно допустимых концентраций мелкодисперсных взвешенных частиц и проведения необходимых технологических операций. Материалы исследования также внедрены в учебный процесс МАДИ и используются в курсе лекций по дисциплине «Эксплуатация городских дорог и улиц».

Научная новизна работы

1. Предложена модель расчета концентрации загрязняющих веществ на городских улицах с учетом скорости и направления ветра, условий движения автомобилей, а также геометрических параметров улиц.

2. Установлены эффективность очистки покрытия различными типами уборочных машин и влияние операций летнего содержания на снижение концентрации мелкодисперсных частиц.

3. Установлена экспериментальная зависимость влияния загрязнений на проезжей части на коэффициент сцепления колеса с покрытием.

4. Разработаны научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности летнего содержания городских дорог и улиц.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции УлГТУ «Современные научно-технические проблемы транспорта» (г. Ульяновск) в 2009 году, в ходе 69-й (2011г.) и 71-й (2013г.) научно-

методических и научно-исследовательских конференций МАДИ в подсекции строительства и эксплуатации автомобильных дорог и городских улиц. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, одна из них - в журнале «Наука и техника в дорожной отрасли», рекомендованном ВАК.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности уборки дорожных покрытий и влияния операций летнего содержания на запыленность воздушной среды.

2. модель распространения запыленности --и, .определения-концентрации загрязняющих частиц на городских дорогах и улицах, возникающих при функционировании автомобильно-дорожного комплекса.

3. Рекомендации по повышению эффективности операций летнего содержания городских дорог и подбору используемой уборочной техники.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы из 98 наименований. Общий объем работы содержит 201 страницу, в том числе 68 рисунков, 27 таблиц, и 3 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлено обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цель и задачи, научная новизна, показана практическая значимость работы.

В первой главе представлен анализ научных исследований отечественных и зарубежных авторов, посвященных предпосылкам и технологии летнего содержания. Вопросами : расчета и оптимизации использования уборочных машин занимались и занимаются д-р техн. наук Баловнев В. И., д-р техн. наук Ермилов А.Б. (МАДИ), д-р техн. наук Доценко А.И. (МГАКХИЗ). Вопросы • совершенствования технологии летнего содержания автомобильных дорог и влияние загрязненности улиц на условия дорожного движения и городскую экологию совместно исследовались д-ром техн. наук Карбаном Г. Л. (Академия

коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова) и канд. техн. наук Борисюком Н.В. (МАДИ). Подобные исследования также проводили д-р техн. наук Киялбаев А.К. и канд. техн. наук Джакешов К.С. в Республике Казахстан, где сухой климат и природные особенности обуславливают интерес к тематике обеспыливания автомобильных дорог.

Анализ этих научных работ показал, что недостаточно развиты методы прогнозирования концентрации и распространения запыленности на городских улицах. Кроме того, отсутствует научное обеспечение действующих муниципальных регламентов по летнему содержанию улично-дорожной сети, а действующие: методы оценки качества уборки носят субъективный характер. При этом и в России и за рубежом регулярно проводятся исследования распространения загрязнений от транспортно-дорожного комплекса в городской среде. Но эти работы имеют в основном экологическую направленность, и не рассматривают операции летнего содержания как инструмент влияния на экологию и микроклимат на городских дорогах и улицах.

Парк техники дорожно-эксплуатационных предприятий в настоящее время обновляется. Новые типы машин являются более эффективными по ряду параметров рабочего оборудования, но, несмотря на это, важный вопрос оптимизации их применения, до сих пор окончательно не решен.

Технология проведения операций летнего содержания дорожными службами рассматривается на примере г. Москвы. Стоит разделить операции уборки проезжей части - мойку покрытия и очистку лотковых зон и технологические процессы создания микроклимата и поддержания надлежащего экологического состояния на территории города - аэрацию и поливку. Сейчас проведение операций летнего содержания -единственный способ влиять на чистоту дорожного покрытия и улучшать экологическое состояние приземных слоев городской атмосферы, что положительно сказывается не только на эстетическом восприятии дороги и здоровье " населения, но и на условиях движения автомобильного транспорта.

Во второй главе рассмотрены экологические особенности городов, проводится анализ источников загрязнения и методов расчета

концентрации запыленности, приведены характеристики пылевых загрязнений городских дорог и улиц.

На урбанизированной территории формируются особые микроклимат и экологическая ситуация. На улицах крупных городов характерно превышение предельно допустимых концентраций пыли в десятки раз, что связано с затруднительным проветриванием ограниченного стенами зданий пространства, высокой интенсивностью движения, а также с часто неэффективной уборкой проезжей части магистралей.

Загрязнения, образующиеся в летний период на дорогах и удаляемые механизированной уборкой, носят общее название «смет». Выделяют основные источники загрязнения проезжей части и воздушного бассейна:

1) износ дорожных покрытий и автомобильных шин;

2) твердые частицы, выбрасываемые вместе с выхлопами;

3) выпадение пыли и твердых частиц из атмосферы (фоновые загрязнения);

4) ветровая эрозия почв и грунтов, вынос грунта с потоками дождевой или талой воды с разделительных полос, газонов, строительных площадок;

5) занос загрязнений автотранспортом на колесах и кузовах с грунтовых дорог, строительных площадок и дворовых территорий.

В условиях мегаполисов в воздушную среду попадают в основном продукты загрязнений от первых трех источников. При хорошо организованной системе эксплуатации дорог, количество загрязнений на проезжей части не должны превышать допустимые значения, и выбросы уже осажденных частиц с поверхности покрытия минимальны. Для расчета концентрации мелкодисперсных твердых частиц была проведена оценка их эмиссии. Проведенные расчеты показали, что наибольшее количество таких загрязнений (около 60%) поступает в воздух с выхлопами автотранспорта.

Предложенные в более ранних работах линейные зависимости и эмпирические графики определения запыленности на автомобильных дорогах не отражают условия городской среды. Распространение

пылеватых частиц на улицах зависит от множества факторов, которые не учитываются в предыдущих исследованиях. Среди которых: скорость и направление ветра, скорость движения автомобилей, высота и расположение зданий, которые создают внутри улицы зону с повышенной запыленностью и особыми условиями течения воздушных масс (рис. 1). В ограниченном стенами зданий пространстве идет образование вихрей, под действием которых распределение загрязняющих частиц на улицах неоднородно.

< г-

J 1 - ' J Z at w ш tn о CD CD A ! i • \ \ /' \ *-----------

В

Рис 1. Формирование воздушных потоков на городских улицах

Таким образом, для определения значений концентрации, необходимо исследовать зависимости распространения запыленности в поперечном профиле городских дорог и улиц и использовать такую методику определения концентрации, в которой бы учитывалось влияние условий движения автотранспорта и особенности городской застройки.

В последнее время в нашей стране и за рубежом пристальное внимание уделяется изучению влияния твердых мелкодисперсных загрязнений РМ10 и РМ2,5 на здоровье человека. Аббревиатура РМ расшифровывается как particulate matter (мелкодисперсные частицы), цифровое обозначение означает верхнюю границу размера частички загрязнения в микронах. Всемирной Организацией Здравоохранения частицы РМ отнесены к приоритетным загрязняющим атмосферу веществам по уровню влияния на здоровье населения. Именно борьба с мелкодисперсными частицами РМ сейчас становится одной из важнейших задач летнего содержания городских дорог, что изложено в постановлении Правительства Москвы от 25 декабря 2007 г. № 1179-ПП.

Значительный вклад в содержание в атмосфере мелкодисперсных частиц вносит как раз транспортно-дорожный комплекс. Это подтверждается проведенной статистической обработкой данных почасовых измерений концентраций частиц РМ10 за 2011-2012 гг., предоставленных ГПБУ «Мосэкомониторинг» (рис. 2), где превышения концентрации мелкодисперсных частиц (по ГН 2.1.6.1338-03) наблюдаются на станциях контроля загрязнения атмосферы, расположенных ближе всего к проезжей части во время часов «пик».

0,055 i

SO, USO f

S 0,045 Ж

г 0,040 ¡ferto; я : """

S 0,035

х 0,030

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

—Ф™-Шаболовка (3) -МГУ (4)

•"Останкино (внекат)

Часы суток -♦»Марьино (2)

-*#Н*Косино (2)

—— Кожухово (3)

«^-Зеленоград (3) =™#«*°Спиридоновка (3) -ПДК

Рис.2. Средние значения концентрации частиц РМ10 для каждого часа суток на станциях контроля загрязнения атмосферы

В третьей главе представлены результаты исследования качества работы различных типов машин, дается оценка эффективности выполнения операций летнего содержания, установлены эмпирическая зависимость коэффициента сцепления ср от удельной загрязненности покрытия и влияние типа асфальтобетона на накопления загрязнений, выполнен анализ распространения запыленности в поперечном профиле городских улиц.

На первом этапе исследовательских работ определялось качество очистки дорожного покрытия при работе поливомоечных машин с щелевыми насадками и высоконапорной фронтальной гребенкой, а также подметательно-уборочных и вакуумно-уборочных машин при

различной загрязненности покрытия. Основная цель эксперимента -установить наиболее эффективный тип оборудования при проведении уборки улиц. В качестве критерия оценки был выбран коэффициент эффективности очистки (требуемое значение Кэф по ГОСТ 27478-87 -0,8...0,85), который выражается следующей формулой:

Кзф=(цн-ц0СТ)1ци, (1)

Где рн - фактическая удельная загрязненность дорожного покрытия до проведения работ, г/м2; рост - остаточная загрязненность после прохода машины, г/м2. Значения и р0Ст определялись путем сбора загрязнений с поверхности покрытия вакуумным методом. По результатам эксперимента выявлено, что наиболее эффективными являются поливомоечные машины с высоконапорной системой и вакуумные уборщики (табл.1).

Таблица 1

Результаты эксперимента по установлению эффективности очистки

покрытия

Исследуемый участок Без дополнительных загрязнений С дополнительными загрязнениями Без дополнительных загрязнений С дополнительными загрязнениями

Тип машин Щелевые насадки Высоконапорная система

Начальная загрязненность, г/м2 25 70 33,7 82

Остаточная загрязненность, г/м2 13 19,4 3,8 5,7

Коэффициент эффективное™ 0,48 (48%) 0,72 (72%) 0,89 (89%) 0,93(93%)

Тип машин Подметательно-уборочные Вакуумно-уборочные

Начальная загрязненность, г/м2 40 160 40 160

Остаточная загрязненность, г/м2 26,2 67,2 11 35,2

Коэффициент эффективности 0,35 (35%) 0,58 (58%) 0,73(73%) 0,78 (78%)

її

На втором этапе проводилось исследование зависимости безопасности дорожного движения от загрязненности проезжей части. В качестве критерия для оценки безопасности движения был выбран коэффициент сцепления ф, значения которого определялись с применением прибора оперативного измерения коэффициента сцепления дорожных покрытий ППК-МАДИ-ВНИИБД при различном количестве загрязнений на дорожном покрытии из асфальтобетона типа «В» (табл.2).

Таблица 2

Рс-суль г^ты эксперимента пэ измерению коэффициента сцепления ср

Значение коэффициента сцепления, ф

№ изм. Сухое покрытие д„ач=30г/м2 Увлажн. покрытие днач=30г/м2 Чі= 45г/м2 д2= 60г/м2 Рз= 75г/м2 90г/м2 ЮОг/м2 д5=100г/м2 при пласт, сост.

Номер серии измерений

1 2 3 4 5 6 7 8

1 0,41 0,36 0,28 0,28 0,24 0,23 0,21 0,14

2 0,4 0,33 0,31 0,25 0,26 0,24 0,23 0,18

3 0,41 0,34 0,32 0,31 0,28 0,24 0,19 0,12

4 0,39 0,3 0,31 0,29 0,25 0,24 0,2 0,15

5 0,42 0,34 0,29 0,26 0,23 0,23 0,22 0,13

6 0,41 . 0,29 0,28 0,27 0,26 0,22 0,2 0,17

7 0,38 0,33 0,3 0,26 0,24 0,24 0,19 0,14

Фор 0,40 0,33 0,30 • 0,27 0,25 0,23 0,21 0,15

Была установлена зависимость коэффициента сцепления ср от величины удельной загрязненности дорожного покрытия я вида:

Ф=-0,'115-ВД+0,736, ^ (2)

Как и предполагалось, при увеличении загрязненности покрытия, коэффициент сцепления постепенно уменьшается, особенно резкое его падение отмечается при переходе смеси из воды и загрязнений в гелеобразное пластичное состояние, что имитирует продолжительное действие на загрязненное покрытие колес автомобилей при осадках.

На третьем этапе проводились исследования загрязненности объектов улично-дорожной сети в г. Москве и ближайшем Подмосковье

12

путем отбора загрязнений с проезжей части и обработки в лабораторных условиях полученных проб. Пробы брались на четырех хорошо обслуживаемых улицах в ЦАО г. Москвы и на четырех улицах в г. Красногорске с неудовлетворительным уровнем уборки. С каждой улицы собиралось не ; менее трех проб. Проводился анализ гранулометрического. состава, объема и интенсивности образования загрязнений, устанавливалась эффективность работы дорожных служб. Результаты исследований показали, что главный фактор, влияющий на накопление загрязнений на проезжей части в городских условиях -интенсивность движения,, автомобилей. В то же время, на удельное количество загрязнений влияет шероховатость покрытия и срок его службы. К примеру, в «пористой» структуре ЩМА-20, после проведения уборки остается повышенное количество остаточных загрязнений, со временем на таких покрытиях идет их аккумуляция, и нормативные показатели по удельной загрязненности проезжей части превышаются даже при качественном уровне содержания. Иная поверхностная структура асфальтобетона типов «А» и «Б» облегчает задачу уборки и удаления загрязнений с дорожных покрытий. Наиболее часто применяемый сейчас визуальный способ оценки качества проведения работ показал низкую эффективность и часто не совпадал с данными по загрязненности проезжей части, полученными на лабораторных весах. Гранулометрический анализ дорожного смета показал наличие в нем от 15 до 30% мелких _ пылеватых частиц, которые в результате механического и аэродинамического воздействия способны подниматься в воздух и не оседать часами и даже сутками. Дисперсный состав загрязнений воздушной среды определялся путем микроскопирования осажденных на пылеулавливающих экранах частиц. Анализ показал, что 97,3% из них имеют размер менее 10 микрон, то есть их размер в подавляющем большинстве случаев соответствует размеру частиц «РМ10», наиболее опасных для человека.

На четвертом этапе оценивался уровень запыленности воздуха, определялись принципы распространения пылеватых частиц в поперечном профиле городской улицы, а также проводилась оценка влияния операций летнего содержания на концентрацию

мелкодисперсных частиц. Отбор проб проводился на пешеходных зонах улиц в зоне дыхания человека при помощи аспиратора «БРИЗ-2» путем пропускания заданного количества воздуха через предварительно взвешенные на аналитических весах специальные фильтры (АФА-ВП-10). Концентрация мелкодисперсных частиц в воздухе определялась по следующей формуле:

Х=Д\Л/-ЮОО/Оа-т, мг/м3 (2)

Где ДШ - привес фильтра, мг; (2а - объемный расход воздуха, дм3/мин; т- интервал отбора пробы воздуха (время работы аспиратора), мин. Замеры показали, что концентрация пылеватых частиц на одной стороне улицы может превышать в разы запыленность на противоположной стороне. Предположение о неоднородности распределения загрязняющих частиц на улицах подтвердилось данными фактических замеров.

Важным вопросом в обеспечении экологической безопасности городских дорог и улиц является то, с какой эффективностью, и на какой период времени операции летнего содержания способны снижать концентрации мелкодисперсных частиц.

Время, мин

—♦—Аэрация ЦАО —Мойка ЦАО —«— Поливка ЦАО

Аэрация СЗАО_■ ■ -А-■ Мойка СЗАО_••■*• Поливка СЗАО_

Рис.3. Ход запыленности воздушной среды до и после проведения операций летнего содержания.

Были взяты пробы воздуха до и после проведения различных операций летнего содержания (мойка покрытия, поливка, аэрация) на улицах Центрального округа и на 66-м км МКАД в Северо-западном

округе г. Москвы. В результате было выявлено снижение концентрации во всех случаях, но наибольший„эффект наблюдается при проведении технологической операции «аэрация» (рис.3). Кроме того, установлено, что высокие фоновые концентрации загрязнений, то есть не зависящие от транспортно-дорожного комплекса, в значительной степени снижают результативность технологических операций и уменьшают время их действия. Так, наибольшая эффективность проведения операций выявлена в благоприятном, по загрязнению воздуха Северо-Западном округе г. Москвы. Но даже при максимально возможном снижении концентрации,- значение-запыленности на пешеходных зонах улиц превышает максимальные разовые значения ПДК по РМ10 (0,3 мг/мЗ).

В четвертой главе на основе анализа моделей распространения твердых загрязнений в городской среде предлагается методика расчета их концентрации. Исходя из принципов распространения запыленности на городских улицах, были разработаны рекомендации по, повышению эффективности летнего содержания городских дорог и улиц.

Анализ моделей распространения загрязнений показал, что из существующих направлений, моделирование в уличных «каньонах» может наиболее просто и эффективно отразить особенности запыленности городских улиц и дать оценку концентрации загрязняющих веществ. Исходя из принципов данной модели, главный фактор, отвечающий за распределение запыленности на городских улицах -скорость и направление ветра относительно оси улицы. Наиболее характерной особенностью движения воздушных масс в уличных «каньонах» является формирование ветрового поля таким образом, что направление ветра в приземном уровне, имеющего скорость us, противоположно потоку ветра со скоростью ur на уровне крыш зданий. Таким образом, основная "часть загрязнений от автотранспорта сносится к наветренной стороне.улицы. На подветренной стороне концентрация загрязнений связана с циркуляцией воздушных масс в ограниченном зданиями пространстве и . имеет минимальные значения (рис.4). Особенно это характерно для основных городских магистралей с большой шириной в красных линиях. Также в городских условиях могут

образовываться и другие режимы движения воздуха в зависимости от отношения Н/В (высоты зданий к ширине улицы).

м и

Ветер

Оонсеые загрязнения

| Распространение "факела" 1 загрязнений |

' Концентрация запыленности определяется на пешеходных зонах

Рис 4. Схема принципа моделирования распространения загрязнений в

городской среде

Данная модель содержит в себе две подмодели. Концентрация загрязняющих веществ С0бщ (мг/м3) определяется с использованием подмодели «факела» при непосредственном распространении загрязняющих веществ от источников, в данном случае - автомобилей, и «Ьох»-подмодели при рециркуляции загрязнений под действием воздушных потоков. Кроме того, учитываются фоновые концентрации загрязнений в атмосферном воздухе С0.

Итоговая концентрация рассчитывается на двух сторонах улицы -наветренной и подветренной (на пешеходных зонах) на заданной высоте путем сложения всех составляющих.

Снав. общ.= Снав+Срец+Со, МГ/М3 (3)

Сподв. общ" Сподв+Срец+Со, МГ/М3 (4)

Составляющая концентрации загрязнений на наветренной стороне вычисляется по двум различным формулам, в зависимости от

16

отношения потоков:

Н/В и установившегося режима движения воздушных

Снав2

= Iе-

л/тт (

(ВО„)

Формула определения подветренной стороне:

_ ПГ" Q

(5)

мг/м3 (6)

составляющей концентрации на

^подв —

Формула рециркуляции «каньона»:

тг (Bcw)

<Ч(5£)

+ 1

cot

/-U)t <3SV

, W/M ;'(7)

определения составляющей концентрации при загрязнений в замкнутом пространстве уличного

Сп»„ = , мг/м3

(8)

"Рец _ wtd2+ws-d3

Где Q - эмиссия загрязняющих веществ, мг/м-сек; В - ширина улицы в красных линиях, м; aw - вертикальная составляющая скорости диффузии, м/с; h0 - высота выброса загрязнений, м; us - скорость ветра в приземной зоне, м/с; hcp - средняя высота зданий, м; wt - скорость вентиляции уличного «каньона» сверху, м/с; ws - скорость вентиляции уличного «каньона» сбоку, м/с; 1г - длина зоны рециркуляции загрязнений в поперечном сечении улицы, м; R - коэффициент скорости ветра; di_7 - длина зон с различными условиями движения воздушных потоков в поперечном сечении улицы, м.

Результаты сравнения, рассчитанных по предложенной методике концентраций и данных фактических замеров показали, что их значения имеют расхождение до 25%. Модель требует дальнейшего уточнения,, для чего необходима, организация мониторинга загрязненности воздуха на городских улицах. Однако ее уже сейчас можно рекомендовать к использованию для определения наиболее загрязненные сторон улиц, внедрения системы реагирования на превышения предельно допустимых концентраций запыленности воздуха и выбора наиболее оптимальных технологий работ.

На основании результатов применения модели предложены рекомендации по повышению эффективности технологических операций летнего содержания. При этом главным фактором загрязнений, с которым необходимо бороться проведением соответствующих работ, является не только обеспечение чистоты покрытий, но и в большей степени борьба с повышенными концентрациями запыленности в воздухе. При разных направлениях ветра могут образовываться две различные схемы распространения загрязняющих частиц, что обуславливает применение разных технологий проведения уборки городских улиц и дорог.

1. При направлении ветра от 20° до 90° к оси улицы на подветренной и наветренной сторонах улиц устанавливаются разные концентрации загрязняющих частиц. В этом случае рекомендуется на наименее загрязненной стороне проводить сплошную мойку машинами с высоконапорным оборудованием, чтобы избежать выбросов частиц в воздух с поверхности покрытия, а на более загрязненной проводить аэрацию колонной машин с щелевыми насадками с целью очистить воздух от уже витающих частиц. Проводить эти операции следует не последовательно, а одновременно на обеих сторонах улицы или с минимальной разницей по времени.

2. При направлении ветра до 20° к оси улицы концентрация изменяется не в поперечном, а в продольном профиле. В этом случае необходимо проводить одинаковые операции на обеих сторонах. Сначала - аэрацию или поливку для очистки воздуха и предварительного увлажнения покрытия, и далее - высоконапорную мойку.

3. При организации уборки следует ориентироваться на данные экологических организаций по фоновым загрязнениям, которые в значительной степени влияют на концентрацию мелкодисперсных частиц в районах города. Там, где проезжая часть находится в благоприятной экологической зоне и если пешеходное движение на улице минимально, можно отказаться от аэрации и проводить только мойку и поливку. А на центральных улицах, где ввиду особенностей застройки доминируют классические уличные «каньоны» с

затруднительным проветриванием, наоборот, следует всегда заменять поливку аэрацией.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. По результатам проведенных исследований по очистке покрытий и влияния технологических операций летнего содержания на запыленность воздушной среды, выявлены типы уборочных машин и технология работ, позволяющие наиболее эффективно выполнять задачи по уборке городских дорог и улиц.

2. Проведен анализ гранулометрического состава дорожного смета, установлено высокое содержание в нем пылеватых и глинистых частиц. Исследована дисперсность загрязнений воздушной среды улиц, дана оценка их соответствия понятию «РМ10».

3. Установлены объем и интенсивность образования загрязнений, факторы, влияющие на их накопление на дорожном покрытии, эффективность работы дорожных служб в различных районах Москвы и Подмосковья.

4. Выработаны рекомендации по организации экологического мониторинга на городских улицах.

5. Установлен перечень источников и выполнена оценка количества загрязнений, поступающих от них в воздушный бассейн городских дорог и улиц на основе нормативных документов и выявленных в более ранних исследованиях зависимостей.

6. Предложена методика расчета концентрации мелкодисперсных частиц на пешеходных зонах городских улиц с использованием модели движения воздушных масс в уличных «каньонах».

7. На основании результатов исследования загрязненности объектов улично-дорожной сети и установленных принципов распространения запыленности в воздушной среде городских улиц даны рекомендации по повышению эффективности технологических операций летнего содержании.

ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ

ПЕЧАТНЫЕ СТАТЬИ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Дмитриев, С.М. Моделирование распространения загрязнений в поперечном профиле городских дорог и улиц / Дмитриев С.М., Борисюк Н.В. // Наука и техника в дорожной отрасли. - 2012. - №4. - С. 39-41. Другие статьи и материалы конференций:

2. Дмитриев, С.М. Эффективность технологических операций мойки проезжей части / Дмитриев С.М., Борисюк Н.В. // Современные научно-технические проблемы транспорта: сборник научных трудоз V Международной научно-технической конференции, г. Ульяновск, 15-16 октября 2009г. - Ульяновск: УлГТУ, 2009 - С. 76-79.

3. Дмитриев, С.М. Автомобильно-дорожный комплекс в системе городской экологии / Дмитриев С.М., Борисюк Н.В. // Экология и жизнь. -2013,- №1,-С. 63-67.

4. Дмитриев, С.М. О летнем содержании думать зимой / Дмитриев С.М., Борисюк Н.В. // Автомобильные дороги. - 2013. - №2 (975) Февраль С. 48-51.

Подписано в печать 12 апреля 2013 г. Формат 60x84/16 Усл. Печ. Л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №964 ООО «Реглет» Россия, 125315, г.Москва, ул. Усиевича, д.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

04201356382 На правах рукописи

Дмитриев Сергей Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ЛЕТНЕГО СОДЕРЖАНИЯ ГОРОДСКИХ ДОРОГ И

УЛИЦ

4_ » \

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Н.В. Борисюк

Москва - 2013

Содержание

Введение....................................................................................6

Глава 1. Состояние и актуальность поставленного вопроса, цели и задачи исследования...............................................................................9

1.1 Современное состояние теории летнего содержания городских дорог и улиц......................................................................................9

1.2 Машины для летнего содержания городских дорог и улиц............14

1.3 Технология проведения работ по летнему содержанию городских дорог и улиц на примере г. Москва.................................................19

1.3.1 Основные положения..........................................................19

1.3.2 Технология мойки машинами со щелевыми насадками................22

1.3.3 Технология мойки машинами с высоконапорной системой..........24

1.3.4 Технология проведения поливки и аэрации..............................25

1.3.5 Технология уборки лотковых зон подметательно-уборочными и вакуумными машинами.............................................................28

1.4 Контроль качества проведения работ по летнему содержанию..........31

1.5 Область применения моделирования распространения загрязнений от автомобильных дорог..................................................................33

1.6 Новизна и актуальность разработки предлагаемого подхода к теории летнего содержания автомобильных дорог........................................35

1.7 Цели и задачи исследования.....................................................37

Выводы по главе 1.........................................................................38

Глава 2. Предпосылки летнего содержания городских дорог и улиц...........40

2.1 Климатоэкологические особенности городских территорий............40

2.1.1 Погодно-климатические условия в городской среде...................40

2.1.2 Факторы загрязнения городской атмосферы..............................41

2.2 Экологические предпосылки летнего содержания дорог................43

2.2.1 Транспортно-дорожный комплекс как фактор загрязнений городской среды.......................................................................43

2.2.2 Распределение, состав и характеристики загрязнений городских дорог.....................................................................................45

2.2.3 Запыленность воздушной среды городских дорог и улиц.............47

2.3 Источники загрязнений городских дорог и улиц.............................53

2.4 Технические предпосылки летнего содержания городских дорог и улиц ........................................................................................69

2.4.1 Влияние пылеватых частиц на работу автомобильных двигателей..69

2.4.2 Влияние загрязненности проезжей части на безопасность движения

автомобильного транспорта.........................................................70

2.4.3 Влияние операций летнего содержания на температурный режим асфальтобетонных покрытий.......................................................71

2.5 Характеристика пылевых загрязнений городских улиц и дорог..........72

2.5.1 Твердые мелкодисперсные частиц РМ(ТЧ)...............................72

2.5.2 Мониторинг концентраций мелкодисперсных частиц РМ в г. Москва, статистическая обработка данных......................................76

Выводы по главе 2.........................................................................81

Глава 3. Программа, методика проведения и анализ практических исследований загрязненности городских улиц и эффективности работы уборочных машин..........................................................................83

3.1 Определение качества уборки дорожных покрытий........................83

3.2 Влияние загрязненности покрытия на безопасность дорожного движения..................................................................................89

3.2 Практические исследования загрязненности объектов улично-дорожной сети ........................................................................................93

3.3 Анализ гранулометрического состава дорожного смета..................100

3.4 Анализ дисперсного состава загрязнений воздушного бассейна городских улиц.........................................................................103

3.5 Определение запыленности воздушной среды городских дорог и

улиц.......................................................................................111

3.5.1 Методика проведения замеров запыленности, материалы и оборудование.........................................................................112

3.5.3 Оценка влияния операций летнего содержания на снижение запыленности воздушной среды..................................................116

Выводы по главе 3........................................................................121

Глава 4. Методика расчета загрязнения воздуха мелкодисперсными частицами на городских дорогах и улицах. Рекомендации по повышению эффективности технологических операций летнего содержания и организации экологического мониторинга городских улиц.....................123

4.1 Принципы моделирования распространения загрязнений от линейных инженерных объектов.................................................................123

4.2 Развитие моделирования распространения загрязнений от автомобильных дорог..................................................................124

4.3 Моделирование ветровых потоков и распространения загрязнений в городских условиях.....................................................................129

4.4 Расчет концентрации мелкодисперсных частиц при использовании модели распространения в уличных «каньонах»................................133

4.4.1 Теоретические основы модели распространения загрязнений в уличных «каньонах».................................................................133

4.4.2 Принципы расчета концентраций при использовании модели

«факела»...............................................................................135

4.4.3 Принципы расчета концентраций при использовании Ьох-модели.................................................................................137

4.4.4 Алгоритм расчета, формулы определения концентраций............140

4.5 Сравнение результатов фактических измерений концентрации загрязняющих частиц и расчета концентрации по модели...................146

4.6 Рекомендации по повышению эффективности операций летнего содержания городских дорог и улиц...............................................150

4.7 Организация экологического мониторинга и оценка состояния окружающей среды на городских дорогах и улицах...........................160

Выводы по главе 4........................................................................162

Заключение и общие выводы..........................................................163

Литература.................................................................................165

Приложение 1..............................................................................176

Приложение 2..............................................................................178

Приложение 3..............................................................................179

Введение

Актуальность работы. Постоянный рост парка автомобилей, увеличение интенсивности движения и площади улично-дорожной сети существенно усложняет функционирование транспортно-дорожного комплекса крупных городов. В результате повышаются требования к эффективности работ служб, ответственных за состояние городских дорог и улиц. Одна из основных задач эксплуатационных организаций в летний период заключается в удалении загрязнений, скапливающихся на поверхности проезжей части, которые являются источником запыленности воздуха и замусоривания городских территорий, а также ухудшают внешний вид улиц. Проведение операций летнего содержания требует значительных материальных затрат и выполняется различной специализированной техникой.

К сожалению, вопросы повышения эффективности технологии летнего содержания объектов дорожного хозяйства в основном остаются заботой производителей работ. Значительные исследования этих проблем были выполнены в 80-х гг. XX века при совместной работе специалистов из Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова и МАДИ. Однако полученные в то время результаты нуждаются в существенном пересмотре и доработке с учетом возросших экологических требований, изменившихся условий движения и изменения парка обслуживающей техники. Таким образом, совершенствование теории летнего содержания городской улично-дорожной сети, является актуальной задачей, решение которой должно не только обеспечить более эффективную работу дорожных служб по летней уборке, но и положительным образом повлиять на экологическую ситуацию.

Объектом исследования является содержание объектов улично-дорожной сети в летний период и его связь с городской экологией.

Предмет исследования включает две составляющие. Во-первых -факторы, определяющие степень загрязненности городских дорог и улиц. Во-

вторых - технологии проведения механизированной уборки и критерии качества выполненных работ.

Методы исследований.

В ходе проведения научных исследований был проведен ряд производственных и полевых (натурных) экспериментов на базе следующих предприятий и организаций: Департамент ЖКХиБ г. Москвы, ДЭК «Север», ГУЛ «ДМУ№1», ООО «Кремлевское кольцо», ДРСУ г. Одинцово с использованием поверенных приборов. Обработка результатов проводилась при помощи оборудования кафедр инженерной геологии и геотехники, строительства и эксплуатации дорог и техносферной безопасности МАДИ, а также лаборатории МИТХТ им. М.В. Ломоносова. Выдвинутые гипотезы были подтверждены сходимостью результатов экспериментов и теоретических расчетов.

Практическая ценность исследования состоит в том, что по результатам выполненной работы предложены рекомендации дорожно-эксплуатационным организациям по планированию и организации работ по летнему содержанию городских дорог и улиц.

Также методика прогнозирования концентрации запыленности может быть рекомендована для совершенствования мониторинга при оценке соответствия экологического состояния городских дорог и улиц действующим нормам.

Реализация работы. Разработанные рекомендации по повышению эффективности операций летнего содержания были предоставлены для использования в Департамент ЖКХиБ и дорожно-эксплуатационные предприятия г. Москвы с целью внедрения системы реагирования на превышения предельно допустимых концентраций мелкодисперсных взвешенных частиц и проведения необходимых технологических операций. Материалы исследования также внедрены в учебный процесс МАДИ и используются в курсе лекций по дисциплине «Эксплуатация городских дорог и улиц».

Научная новизна работы.

1. Предложена модель расчета концентрации загрязняющих веществ на городских улицах с учетом скорости и направления ветра, условий движения автомобилей, а также геометрических параметров улиц.

2. Установлены эффективность очистки покрытия различными типами уборочных машин и влияние операций летнего содержания на снижение концентрации мелкодисперсных частиц.

3. Установлена экспериментальная зависимость влияния загрязнений на проезжей части на коэффициент сцепления колеса с покрытием.

4. Разработаны научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности летнего содержания городских дорог и улиц.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-технической конференции УлГТУ «Современные научно-технические проблемы транспорта» (г. Ульяновск) в 2009 году, в ходе 69-й (2011г.) и 71-й (2013г.) научно-методических и научно-исследовательских конференций МАДИ в подсекции строительства и эксплуатации автомобильных дорог и городских улиц. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи, одна из них - в журнале «Наука и техника в дорожной отрасли», рекомендованном ВАК.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности уборки дорожных покрытий и влияния операций летнего содержания на запыленность воздушной среды.

2. Модель распространения запыленности и определения концентрации загрязняющих частиц на городских дорогах и улицах, возникающих при функционировании автомобильно-дорожного комплекса.

3. Рекомендации по повышению эффективности операций летнего содержания городских дорог и подбору используемой уборочной техники.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы из 98 наименований. Общий объем работы содержит 201 страницу, в том числе 68 рисунков, 27 таблиц, и 3 приложения.

Глава 1. Состояние и актуальность поставленного вопроса, цели и задачи исследования

1.1 Современное состояние теории летнего содержания городских дорог и улиц

Эксплуатация объектов дорожного хозяйства городской улично-дорожной сети - это выполняемый в течение всего года, с учетом сезона, комплекс работ, в результате которых поддерживается надлежащее санитарно-техническое и транспортно-эксплуатационное состояние ОДХ (здесь и далее - объектов дорожного хозяйства). ОДХ — искусственное сооружение, предназначенное для безопасного движения транспорта и пешеходов в любое время года, независимо от климатических условий. К ОДХ относятся: проезжая часть, тротуары, остановки общественного транспорта, разделительные полосы, остановочные площадки общественного транспорта, площадки для остановки автомобилей, парковки, обочины и элементы обустройства дороги [1].

Основными целями содержания ОДХ являются:

• обеспечение непрерывного и безопасного движения автотранспорта и пешеходов;

• поддержание надлежащего санитарно-технического состояния улично-дорожной сети и элементов ее обустройства;

• продление межремонтных сроков службы дорожных покрытий.

Летнее содержание городских улиц и дорог, а говоря точнее -проведение мойки, уборки, поливки и аэрации, особенно улиц с высокой интенсивностью движения и основных городских магистралей, является, наряду с зимним содержанием и текущим ремонтом, неотъемлемой частью комплекса работ по эксплуатации городских дорог и улиц и одной из главных задач дорожно-эксплуатационных предприятий. Правильное и своевременное проведение данных работ обеспечивает оптимальное функционирование транспортно-дорожного комплекса и надлежащее санитарное состояние воздушного бассейна городской среды.

Ежедневно в летний период в таком крупном мегаполисе, как Москва выходят на улицы около 2000 поливомоечных и уборочных машин. Площадь объектов улично-дорожной сети города Москвы составляет 87,9 млн. кв. м, в том числе 66,5 млн. кв. м проезжей части, около 20 млн. кв. м тротуаров, 1,4 млн. кв. м обочин и 0,7 млн.кв. м посадочных площадок на остановках общественного транспорта [2]. Содержанием дорог занимаются дорожно-эксплуатационные предприятия, оснащенные современным оборудованием. Естественно, для их нормальной работы требуются хорошо обученные управленческие и инженерные кадры. И уже на этой стадии появляются проблемы в несоответствии подготовки специалистов и решаемых на практике задач.

По вопросам расчетов и проектирования поливомоечных и уборочных машина издано большое количество нормативной, справочной, и учебной литературы. Решением различных задач, связанных с дорожно-эксплуатационной техникой, занимались и занимаются заслуженные ученые МАДИ. Среди них особенно следует отметить работы доктора технических наук, профессора Баловнева Владилена Ивановича, сфера научных интересов которого охватывает обширную область моделирования технологических процессов и расчета дорожной и коммунальной техники, оценки и оптимального использования машин. Профессор Баловнев является автором

и редактором многих учебных пособий по теории расчета и устройству машин [4].

Доктор технических наук, профессор Ермилов Александр Борисович в своих трудах рассматривал вопросы теории рабочего процесса, расчетов и проектирования поливомоечных и уборочных машин. Он также внес значительный вклад в разработку теории мойки проезжей части и влияния пыли на эксплуатационные характеристики дороги, и еще в своих публикациях в 1988 замечал недостаточную проработку теоретической части процессов уборки и летнего содержания дорог [5].

Не только в МАДИ уделяется внимание проблемам использования машин для летнего содержания дорог. К примеру, под общей редакцией декана факультета механизации и автоматизации МГАКХИЗ — доктора технических наук, профессора Доценко Анатолия Ивановича, также занимающегося данной проблемой, был выпущен ряд учебников, посвященный коммунальным машинам, оборудованию для них, а также их месту в системе охраны окружающей городской среды. [7,8]

В этих работах и учебных пособиях в основном представлена следующая информация: классификация машин по типам и назначению, описание различного рабочего подвесного оборудования, принцип работы насосной установки, виды и назначение различных моечных насадков. А также примеры расчетов: эксплуатационных показателей, смывающего действия рабочей струи, режимов рабочих органов, мощности насосной установки, гидравлического расчета взаимодействия водяной струи с дорожным покрытием. Безусловно, для специалистов, работающих в сфер�