Гаврилов Э.В., Гридчин А.М., Ряпухин В.Н. Системное проектирование автомобильных дорог (часть I)
Подождите немного. Документ загружается.
2.5 Учет экологических требований
2.5.1 Сущность экологического проектирования дорог
Экологическое проектирование предполагает создание проекта экосистемы
"автомобильная дорога - биосфера", обеспечивающего максимальную
продолжительность существования этой системы и минимальный ущерб,
наносимый дорогой природе и человеческому обществу.
Автомобильная дорога является частью ноосферы. Ноосфера - сфера
разумной человеческой деятельности, результат развития непрерывно
создаваемой техники, материального производства, строительства. Структурно
ноосфера включает человека, человеческое общество и средства человеческой
деятельности, т.е. антропосферу, социосферу и техносферу. Автомобильная
дорога - элемент техносферы.
Биосфера (греч. - жизнь и шар) - земная оболочка, охваченная жизнью и
обладающая в связи с этим своеобразной геологической и физико-химической
организованностью.
"Человечество" и "Природа" составляют единую биосистему, взаимосвязь в
которой представлена на схеме, рис.2.20.
Рисунок 2.20 - Биосистема.
Подсистема "Человечество" выделяется из совокупности биологических
популяций, так как несмотря на то, что воздействие "Природы" на человека ничем
не отличается от ее воздействия на другие биовиды. Обратное воздействие
человека на "Природу" специфично - оно осуществляется посредством
"Технологии". "Технология" представляет собой искусственную составляющую
человеческого окружения, которая возникла в результате активной деятельности
"Человечества", направленной на совершенствование сферы существования. Во
взаимодействие с "Природой" вступает не человек как таковой, а общественные
подсистемы "Человечество" и "Технология" - демосистема , рис.2.21.
Рисунок 2.21 - Демосистема.
Био- и демосистема объединяются в рамках единой экодемосистемы
посредством подсистемы "Человечество", рис.2.22.
Рисунок 2.22 - Экодемосистема.
Функционирование экодемосистемы должно происходить под эгидой и в
интересах человека. Таким образом, "Человечество" является узловым звеном
экодемосистемы, а "Технология" выступает инструментом воздействия человека
на "Природу".
Такое системное представление жизнедеятельности человека позволяет
установить роль и место интересующих нас элементов на любых уровнях
экодемосистемы, выявить определяющие взаимосвязи между ними. Прежде всего
нас интересуют взаимосвязи между автомобилизацией (автомобиль+автомо-
бильная дорога) и окружающей средой.
Автомобилизация является структурным элементом подсистемы
"Технология" и подчиняется законам взаимодействия "Технологии" и
"Человечества" и воздействия "Технологии" на "Природу". Основной
взаимосвязью в экодемосистеме выступает воздействие человека на
"Технологию". При этом сохраняется постоянное воздействие на человека со
стороны "Природы". В силу того, что "Автомобилизация" выступает
инструментом воздействия "Человечества" на "Природу", такая система должна
строиться на базе связей "Человечество" - "Технология" - "Природа", а система
критериев базироваться на связи "Природа" - "Человечество".
Ноосфера и биосфера образуют единую, но противоречивую систему.
Единство и противоречивый характер их взаимоотношений заключается в том,
что человек являясь генетическим объектом и субъектом биосферы, в тоже время,
как существо преобразующее природу, выделяется из нее и создает из биосферы
ноосферу, позволившую ему не столько адаптироваться биологически к сфере
обитания, сколько адаптировать ее к себе. Со временем вся биосфера закономерно
переходит в ноосферу.
Происходящее в развитии ноосферы некоторое "отчуждение" человека от
природы сопровождается лишением достаточного воздействия (в результате
своеобразного экранирования) на биосферу некоторых биологически
необходимых параметров. Иногда именно за счет экранирования эти воздействия
становятся излишними. В результате возникает угроза гибели биосферы.
Активность ноосферы в настоящее время проявляется уже в планетарных
масштабах и вызывает обоснованную тревогу о сохранении биосферы и ее
субъекта, т.е. человека. Явный ущерб, нанесенный биосфере в процессе ее
преобразования, привел к утверждению убеждения в том, что человек не может
ставить себя в отношении к природе в положение "завоевателя" и
преобразовывать природу лишь на основе критерия выгоды для себя. Не
отделение от природы, а гармоническое единение с ней, повышение
синергетических и понижение антогонистических взаимоотношений между
развитием ноосферы и биосферы становится прогрессивной целью дальнейшего
развития человеческого общества.
В аспекте экологического проектирования дорог гармоническое единение
дороги с биосферой осуществляется на уровне экосистем.
Экосистема представляет собой совокупность атмосферы, почвы, воды,
флоры и фауны, между которыми осуществляется непрерывный процесс обмена
веществ, энергии и информации. Гармоническое единение дороги с экосистемой
предполагает такое включение дороги в структуру экосистемы, при котором
процесс обмена веществ, энергии и информации в системе, закономерности ее
функционирования и эволюции не изменяются. Перспективной теоретической
основой экологического проектирования дорог может служить "организмический"
подход к созданию биотехнических систем, развиваемый в работах В.В.Павлова.
Согласно этому подходу дорога окажется совместимой с экосистемой лишь в том
случае, если она будет функционировать по внутренним законам экосистемы.
Поэтому эти законы в экологическом проектировании приобретают форму
объективных законов построения экосистемы "автомобильная дорога - биосфера".
Поскольку построение экосистемы рассматривается на функциональном
уровне, то в качестве указанных законов могут использоваться принципы
функционирования живых организмов и человека, сформированные в результате
их многовекового эволюционного развития.
В параграфе 2.4 указывалось, что основными принципами
функционирования живых организмов и человека являются: принцип
наименьшего взаимодействия; принцип функционального гомеостазиса; принцип
целевой совместимости.
Применительно к экологическому проектированию комплексный показатель
соответствия дороги этим принципам представляется в виде:
F
f
iij
i
ij
i
=
∑
∑
=
=
ν
ν
1
2
1
2
,
где b
п
i
п
=<
−
∑
≥
0
1
при
b = 1 + f при
i
i
i=1
m
ϕϕ
ν
ϕϕ
,
;
где f
i
- показатель соответствия дороги i-тому принципу;
ν
i
- весовой коэффициент i-того показателя соответствия.
Показатели соответствия дороги i-тому принципу определяются по
формулам:
соответствие принципу наименьшего взаимодействия
f
н
1
=
ϕ
ϕ
,
где ϕ, ϕ
н
- фактическое и нормальное значение средообразующего фактора;
соответствие принципу целевой совместимости
f
н
гн
2
=
ϕ
ϕ
,
где f
гн
- нормальное значение средообразующего фактора при объединении
компонентов в систему "автомобильная дорога -биосфера".
Весовые коэффициенты каждого из локальных показателей соответствия
определяются через показатели соответствия дороги принципу функционального
гомеостазиса по формулам:
ν
ϕ
ϕ
ν
ϕ
ϕ
1
н
п
2
гн
гп
,=
= ,
где ϕ
п
, ϕ
гп
- предельно допустимые значения средообразующего фактора
соответственно отдельного компонента экосистемы и экосистемы “автомоби-
льная дорога - биосфера“ в целом.
Частные и комплексный показатели соответствия дороги принципам
функционирования живых организмов и человека в норме равны единице.
Поэтому задачей экологического проектирования дорог является подбор таких
элементов дороги, которые приближают значения этих показателей к норме.
Степень же такого приближения должна обосновываться технологическими и
финансовыми возможностями общества. Только при реализации таких
компромиссных решений возможно обеспечение максимума времени
совместного существования ноосферы и биосферы. Другими словами, при
решении задач экологического проектирования дорог нельзя бросаться в
крайности. Нельзя забыть о природе и все средства бросить на защиту дороги от
воздействий природы, помещая ее в своеобразный “саркофаг”. С другой стороны,
защищая природу нельзя забывать о дороге, поскольку в этом случае наилучшим
решением для природы будет не строить дорогу вообще.
Наилучшие решения могут быть получены на основе решения
оптимизационной задачи в форме:
Е
ЗЗ
F
д
∆
→
=
max,
,
где Е - коэффициент потенциальной эффективности проектного решения;
∆F - эффект проектного решения;
З, З
д
- фактические и допустимые финансовые затраты на преобразование
комплексного показателя соответствия F.
Решение данной задачи ( см. параграф 1.3) может быть представлено в виде:
~
,FF
З
o
д
к
=+
а
к
1
1
где F
o
- показатель соответствия до строительства или реконструкции
дороги;
а
к
, к
1
- коэффициенты, табл. 2.12.
Таблица 2.12 - Коэффициент влияния типа проектного решения
Проектное решение
а
к
к
1
Изменение продольного уклона
дороги от значения i до i=0‰ при
расчетной скорости:
20км/ч
40км/ч
60км/ч
165000
85000
82000
0.6656182
0.2395692
0.2345701
Изменение ширины проезжей части
дороги при продольном уклоне:
i=0‰
i=20‰
i=40‰
i=60‰
71000
57800
26850
18650
0.3723909
0.4215425
0.2324219
0.7265068
Изменение радиуса кривой в плане 588000 0.8003802
Важнейшей задачей экологического проектирования является выбор
оптимальной тактики взаимодействия системы “автомобильная дорога-биосфера”
со средой (космосферой) максимизирующей время существования системы.
Космосфера образует среду обитания рассматриваемой системы и
воздействует на эту систему через инсоляцию, геомагнитное поле и т.п.
Пусть состояние системы определяется n-мерным вектором F. координаты f
1
, f
2
,...
f
n
увеличиваются с постоянной скоростью U (u
1
, u
2
,... u
n
), причем u≥ 0 .
Изменения состояния системы ”автомобильная дорога-биосфера” осуществляется
в ситуации взаимодействия с космосферой. Последняя создает множество
ситуаций C (с
1
, с
2
,... с
n
). В i-той ситуации на i-тую координату системы
воздействуют космосфера, в результате чего координаты системы f
i
уменьшаются
со скоростью V (v
1
, v
2
,... v
n
). Таким образом, с учетом взаимодействия координаты
системы “автомобильная дорога-биосфера” изменяются со скоростью V
1
(u
1
, u
2
,...
u
n
- v
1
, v
2
,... v
n
).
В любой момент система может переходить из одной ситуации в другую.
Никаких ограничений на переходы не накладывается.
Будем далее считать, что система “автомобильная дорога-биосфера”
существует, если вектор F(f
1
, f
2
,... f
n
) не выходит за пределы области допустимых
значений F
п
(f
1п
, f
2п
,... f
nп
). Границы этой области зададим уравнением эллипсоида
вращения
()
Ф Ffe
ii
i
n
=
∑
−=
=
2
1
10,
где е
i
- коэффициент пропорциональности.
Предельные значения координат системы определяются по формуле:
f
iп
iп
iн
=
ϕ
ϕ
.
Все координаты состояния положительны, т.е.
f
i
≥ 0, i = 1, n .
Требуется найти для системы оптимальную тактику взаимодействия со
средой (правило смены ситуаций), максимизирующую время существования
системы:
Т
f
i
→ max.
Время существования системы можно рассматривать как период, в течение
которое фактическое значение i-той координаты состояния f
i
достигает своего
предельно допустимого значения f
iп
. Поэтому, если в начальный момент времени
t
о
система находилась в точке F
о
и затем переместилась к границе допустимой
области, то
Т t
i
i
n
=
∑
=
,
1
где t
i
- время движения i-той координаты состояния до границы допустимой
области со скоростью (u
i
- v
i
).
За это время состояние системы изменяется на величину
∆Ftuv
i
i
n
ii
=
∑
−
=
1
().
На границе допустимой области вектор состояния системы опишется
уравнением
()()
Ft T Ft t u v
ooi
i
n
ii
+= +
∑
−
=
1
(),
а i-тая координата состояния как
ff uTvt
ioi i ii
−= − .
Деля последнее выражение на v
i
и суммируя по i, получим
f
v
f
v
T
u
v
i
i
i
n
oi
i
i
i
i
n
i
n
−
∑
=−
∑
∑
===111
1.
Отсюда время существования системы
Т
f
v
u
v
f
v
u
v
i
i
i
n
i
i
i
n
oi
i
i
n
i
i
i
n
=
∑
−
∑
−
∑
−
∑
=
=
=
=
1
1
1
1
11
.
Введем обозначения
R
u
v
f
v
F
f
v
i
i
i
n
i
i
o
oi
i
i
n
i
n
=−
∑
=
∑∑
===
1
111
,,(). r(F ) = r
Тогда
Т =
r(F)
R
-
r( )
.
F
R
o
С учетом изложенного задача максимизации времени существования
системы “автомобильная дорога-биосфера” представляется в виде
r(F)
R
-
r( )
max,
,
.
F
R
fe
f
o
f
ii
i
n
i
i
→
−=
∑
≥
=
2
1
10
0
Величина
r( )F
R
o
является постоянной, поэтому ее можно отбросить. Кроме
того R>0, поэтому можно упростить задачу
r(F)
f
ii
i
n
i
i
fe
f
→
−=
∑
≥
=
max,
,
.
2
1
10
0
Решение данной задачи получено И.Э.Линник и устанавливает локальное
правило управление координатами состояния f
i
. Это правило состоит в
следующем: в каждый момент времени для того чтобы максимизировать время
существования системы необходимо обеспечить движение по тому направлению,
для которого выполняется условие max .
i
ii i
fev
Введение понятия “время существования” не эквивалентно понятию “время
жизни” экосистемы, а соответствует лишь времени выхода значений координат за
пределы некоторой области регулирования.
2.5.2 Оценка средообразующих факторов
Для количественной оценки средообразующих факторов, связанным с
взаимодействием автомобильной дороги и биосферы, удобно использовать
концентрации загрязняющих экосистему веществ. Последние поступают в
экосистему с выхлопными газами автомобилей, смываются с поверхности
проезжей части дороги дождевыми осадками или талыми водами. К
загрязняющим экосистему факторам следует отнести также шум,
электромагнитные излучения транспортного потока и транспортную вибрацию.
Обычно автомобильная дорога рассматривается как линейный источник
загрязнения экосистемы. Диффузию в пространстве загрязняющих веществ,
выделяемых линейным источником непрерывного действия, можно описать
известным уравнением Бонзаке-Пирсона, которое для определения концентраций
в приземном слое воздуха ϕ свободного пространства имеет решение:
ϕ
η
ϕ=
⋅
−
+
∆Q
vpx
H
px
в
ф
1000
exp ,
где ϕ - концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе на
расстоянии х от источника загрязнения, мг/м
3
;
Q - выброс загрязняющего вещества в секунду единицей длины линейного
источника, г/мс;
v
в
- cкорость ветра перпендикулярная направлению дороги, м/с;
Н - высота источника над проезжей частью (0.4м - для легкового
транспортного потока, 0.5м - для смешанного транспортного потока, 0.6м - для
грузового транспортного потока);