Różnorodność kryteriów, które powinny być podstawą racjonalnych projektów i de-cyzji o budowie obwodnic (które można znaleźć w dość ubogiej literaturze), jest pod-stawą różnych, nierzadko przeciwstawnych opinii nt. skutków budowy obwodnic, wy-nikających z różnych efektów, zależnych od takich czynników jak: wielkość miasta, odległość obwodnicy od centrum miasta, długość i otoczenie dotychczasowego przej-ścia drogowego przez miasto, jego rozwój społeczno-ekonomiczny i wartość terenów, natężenie ruchu tranzytowego, stan planów zagospodarowania i innych.
W niezbyt bogatej literaturze dotyczącej obwodnic reprezentowane są następujące zagadnienia:
wpływ obwodnicy na rozwój ekonomiczny miasta lub jego części (publikacje m.in.
[9, 14, 25, 26, 36, 42]), lokalizację businessu,
lokalizacja obwodnicy w stosunku do centrum miasta (publikacje m.in. [17]),
wpływ obwodnicy na liczbę wypadków, w szczególności z udziałem pieszych (pu-blikacje z różnych krajów m.in. [2, 26, 41, 47]).
W literaturze zagranicznej stosunkowo duża liczba pozycji dotyczy wpływu budowy obwodnic na rozwój miast i miejscowości. Niektórzy badacze swoje badania (z lat 1990-2006) konkludują tym, że obwodnice mają pozytywny wpływ na tereny mieszka-niowe, podczas gdy inni (np. [78]) określają te efekty, jako negatywne, a nawet destruk-cyjne (pozycje z lat 1983-1994 – np. [42]).
Większość pozycji literatury dotyczy jednak sytuacji, gdzie obwodnica powodowała rozwój ekonomiczny w nowej przemysłowej części miasta, przy równoczesnej popra-wie bezpieczeństwa ruchu w uwolnionych od ruchu tranzytowego obszarach mieszka-niowych. Efekty ekonomiczne są mierzone głównie liczbą miejsc pracy i firm oraz po-ziomem wynagrodzeń.
Oddziaływania środowiskowe, zużycie energii, problemy społeczne, pomimo zna-czenia przypisywanego tym czynnikom, są w literaturze reprezentowane przez elementy nielicznych publikacji (m.in. [29]). Zagadnieniom tym poświęca się dużo miejsca w literaturze dotyczącej ocen oddziaływania na środowisko inwestycji liniowych, jakimi są drogi. Są to publikacje i referaty o wybitnie praktycznym charakterze.
Wpływ budowy obwodnic na bezpieczeństwo ruchu analizowany jest zwykle w aspekcie zmniejszenia jego zagrożenia w miejscowościach, z których eliminowany jest ruch tranzytowy (m.in. [91, 101]). Prostymi metodami wskaźnikowymi szacowane jest także zagrożenie bezpieczeństwa ruchu na nowych odcinkach dróg stanowiących ob-wodnice miejscowości. Wskazuje się na pozytywny efekt obwodnic w zakresie popra-wy bezpieczeństwa ruchu. Jednakże duży wpływ na zmiany bezpieczeństwa ruchu popra- wy-wierają zastosowane rozwiązania drogowe, zarówno na obwodnicy, jak i na przejściach drogowych przez miejscowości. Bardziej precyzyjne prognozowanie tych zmian wyma-ga dokładniejszych modeli predykcji, w których uwzględniona byłaby specyfika ob-wodnic drogowych oraz zmiany ukształtowania przejść drogowych. Brak jest tego typu mikro modeli. Poznanie wpływu specyficznych charakterystyk obwodnic i ruchu na tych obwodnicach na jego bezpieczeństwo umożliwi wybór najlepszych rozwiązań mi-nimalizujących łączny wpływ na wypadki na obwodnicach i przebudowanych przej-ściach drogowych przez miejscowości. W zakresie metodologii badań w literaturze są licznie reprezentowane klasyczne analizy regresji oraz metody badań „przed i po”. No-wym na tym tle będą opracowane w ramach pracy mikro modele emisji składników szkodliwych spalin uwzględniające nową kategorię zmiennych objaśniających nawiązu-jących do specyfiki obwodnic drogowych. Pozwolą one zastąpić proste, obarczone du-żymi błędami, oceny wskaźnikowe.
3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 33 Obecnie zauważalna jest wyraźna tendencja do globalnego traktowania zagrożeń środowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalające na dopuszczenie pojazdów do użytkowania (badania homologacyjne i zgodności produkcji), okresowe badania kontro-li stanu technicznego oraz pozostałe akty prawne, związane bezpośrednio i pośrednio z produkcją, użytkowaniem i zagospodarowaniem zużytych wytworów cywilizacji, traktują zagadnienia ochrony środowiska w sposób kompleksowy. Na przestrzeni mi-nionych lat, w poszczególnych państwach istniały różne systemy badań i kontroli emisji spalin z silników samochodowych, jednak od pewnego czasu następuje w tym zakresie daleko posunięta unifikacja. Zwiększająca się liczba pojazdów na świecie oraz zanie-czyszczenie środowiska naturalnego powoduje wzrost wymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin. Obecny stopień zaawansowania techniki i technologii we wszystkich dziedzinach przemysłu, w tym również we wszelkich rodzajach trans-portu, powoduje zwiększenie wymagań w zakresie produkcji urządzeń do pomiarów emisji spalin. Aby były one spełnione w stopniu koniecznym do zmieniających się okresowo przepisów, konieczna stała się koncentracja przemysłu w tej dziedzinie. Ba-dania emisji toksycznych składników spalin są procesem skomplikowanym. Obecne analizatory do pomiaru emisji zanieczyszczeń wymagają szczególnych warunków labo-ratoryjnych, a procedury homologacyjne obejmują testy na hamowniach silnikowych i podwoziowych, które jednak nie odzwierciedlają emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Najnowsze wyniki badań prowadzonych w warunkach rzeczywistych uka-zują, że w przypadku niektórych składników toksycznych spalin emisja ta jest większa o kilkaset procent. W związku z powyższym dostrzegalny jest trend usankcjonowania pomiaru emisji w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdów.
Zapotrzebowanie na transport jest ściśle powiązane z rozwojem ekonomicznym. Re-alizacja tych potrzeb, w tym gwałtownie wzrastająca rola transportu drogowego, niesie ze sobą również niepożądane efekty uboczne. Bardzo duże natężenie ruchu pojazdów samochodowych czyni miasta mniej przyjaznymi dla człowieka i niekorzystnie wpływa na sprawność systemu transportowego, m.in. z powodu wydłużenia czasu podróży oraz zwiększenie zużycia paliwa. Ponadto ujawnia się jeden z ważniejszych szkodliwych efektów transportu drogowego, tj. jego znaczący udział w zanieczyszczeniu atmosfery.
Wytwarzanie zanieczyszczeń określane przez współczynniki emisji zostały dla nie-których rodzajów i środków transportu szczegółowo zbadane i są dobrze znane, ale wy-stępują także obszary transportu, w odniesieniu do których dotychczasowe badania nie są wystarczające na tyle, by być reprezentatywnymi z uwagi na oceny skutków funk-cjonowania transportu. Rozwój metod badawczych powoduje, że obecnie jest możliwe dokładne określenie, metodami o solidnych podstawach naukowych, współczynników emisji w odniesieniu do części zanieczyszczeń i części kategorii pojazdów, a dla innych możliwe będzie tylko określenie rzędu wielkości współczynników emisji.
Metody, wykorzystywane do obliczania zużycia energii i emisji zależą od rodzaju zanieczyszczenia, rodzaju transportu i typu pojazdu. Metody te mogą być zgrupowane w czterech klasach, w zależności od prowadzonych badań:
Obliczenia bazujące na aktywności transportu – jest to podstawowa metoda dla najbardziej powszechnej emisji pochodzącej od pojazdów kołowych oraz zużycia energii przez inne niż drogowe środki transportu. Wartość obliczona w ten sposób może nie uwzględniać emisji gorącej, emisji startowej, gdy silnik nie jest jeszcze rozgrzany, oraz emisji parowania; takie podejście realizowano w pracach m.in.
[34, 38–40, 44, 89];
Obliczenia bazujące na zużyciu energii – jest to standardowa metoda wyznaczania emisji zanieczyszczeń innych niż z pojazdów kołowych. Typy emisji obliczanych w tej metodzie zależą od uwzględnionej w oszacowaniu zużyciu energii;
3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 34
Obliczenia z wykorzystaniem zasady równowagi węgla – obliczenia zużycia paliwa lub emisji dwutlenku węgla mogą opierać się na równaniu, które reprezentuje rów-nowagę masy węgla w paliwie i produktów jego spalania. Dla pojazdów kołowych z silnikami spalinowymi metoda ta jest stosowana do obliczenia zużycia paliwa, podczas gdy dla innych rodzajów środków transportu jest ona wykorzystywana do obliczenia emisji dwutlenku węgla. Alternatywnie metoda ta może być zastosowana do obliczenia emisji dwutlenku węgla z danych o zużyciu paliwa pojazdów koło-wych z silnikami spalinowymi;
Obliczenia dotyczące określonych zanieczyszczeń – analiza emisji przyjętych składników spalin; oszacowanie może być wykonane na podstawie danych o głów-nych zanieczyszczeniach lub z wykorzystaniem badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego; takie podejście zaprezentowano np. w publikacjach z udziałem Autora tej pracy [3, 28, 55, 57, 67, 69].
Oszacowanie emisji pochodzącej od transportu drogowego w skali krajowej, oraz w ujęciu lokalnym, były prowadzone w niektórych krajach europejskich, jako część stu-diów nad wpływem zanieczyszczeń, już od lat 70. XX w. Wykorzystywane metody zostały od tego czasu udoskonalone i rozwinięte, zależnie od liczby, typu i jakości do-stępnych danych. Obecnie używa się trzech podstawowych metod, które różnią się spo-sobem uwzględnienia zależności pomiędzy pracą pojazdu, a odpowiadającej jej emisji.
Najdłużej stosowana z tych metod wykorzystuje fakt, że średnia emisja zanieczyszczeń zmienia się w zależności od prędkości jazdy pojazdu. Charakterystyczne kształty krzy-wych natężenia emisji są znane i chociaż różnią się one, w zależności od typu pojazdu i rodzaju zanieczyszczenia, to można przyjąć, że znaczna emisja zanieczyszczeń wystę-puje przy małej prędkości jazdy, gdy praca pojazdu jest nieefektywna z powodu czę-stych postojów, przyspieszeń i opóźnień. Charakter wzrostu zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń przy dużej prędkości jazdy można wytłumaczyć wzrostem mocy silnika oraz oporów jazdy. Najmniejsze zużycie paliwa (rys. 3.1) i najmniejsza emisja zanie-czyszczeń (rys. 3.2) występuje dla średnich prędkości jazdy tzn. typowych dla ruchu miejskiego i pozamiejskiego.
Rys. 3.1. Zmiana zużycia paliwa w zależności od prędkości jazdy pojazdu osobowego
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 50 100 150 200
Q [dm3/100 km]
V [km/h]
3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 35
Rys. 3.2. Zmiana wartości emisji drogowej wybranych składników spalin w zależności od pręd-kości jazdy pojazdu osobowego
Krzywe emisji zanieczyszczeń wyznaczane są na podstawie danych z badań na sta-nowisku hamownianym, gdzie testowy pojazd pracuje w określonym teście badaw-czym, podczas którego jest mierzona i analizowana jego emisja. Zależność emisji dro-gowej od średniej prędkości jest wyznaczana przez połączenie wyników testów wyko-rzystujących cykle o różnej prędkości średniej. Wiarygodność wyznaczonego związku może zależeć od testów, w których pojazdy są badane, a testy te są reprezentatywne dla warunków ruchu, które niekoniecznie występują podczas jazdy pojazdem w warunkach rzeczywistych.
Problematyka rozprawy wpisuje się w ocenę różnic w zakresie zużycia energii (zu-życia paliwa) i emisji spalin pojazdów poruszających się po obwodnicach i przejściach drogowych przez miejscowości. W tym celu niezbędna była kategoryzacja eksploato-wanych pojazdów w aspekcie oceny stopnia emisyjności i uciążliwości dla środowiska i otoczenia. Analiza emisyjności była przeprowadzona w odniesieniu do emisji drogowej i uwzględnia warunki ruchu na obwodnicy i na przejściu przez miejscowość. Wartości te można odnieść do typowych warunków ruchu podczas przejazdu trasami poza wy-znaczoną do badań obwodnicą. W rezultacie uzyskana będzie odpowiedź na pytanie w jakim stopniu budowa obwodnic wpływa na ograniczenie poziomu emisji i zużycia pa-liwa pojazdów (osobowych). Obecnie nie ma powszechnej wiedzy dotyczącej tematyki niniejszej rozprawy, a pomiary emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji, w tym również w strefach w pobliżu obwodnic i przejść drogowych prowadzi się intensywne w Europie i w Stanach Zjednoczonych (działania takie mają na celu dopiero stworzenie podstaw prawnych do badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji).
Unikatową wiedzę będzie stanowić określenie rzeczywistego poziomu emisji szko-dliwych składników spalin i zużycia paliwa z uwzględnieniem charakterystyk ruchu w podziale na strefy w pobliżu obwodnic i przejść drogowych. Znajomość wielkości emi-sji spalin i zużycia paliwa z pojazdów samochodowych w warunkach rzeczywistych pozwoli na wskazanie priorytetowych rozwiązań w zakresie infrastruktury drogowej różnicujących ich przydatność w aspekcie poziomu zużycia energii i emisji zanieczysz-czeń. Zaplanowano dokonanie możliwie pełnego poznania problematyki związanej z emisją związków szkodliwych z różnych rodzajów pojazdów w warunkach ich
rzeczy-0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0 50 100 150 200
CO, HC [g/km]
CO2[g/km]
V [km/h]
CO2 HC CO
3. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 36 wistej pracy w zależności od różnorodnych typów infrastruktury drogowej. Nacisk po-łożony będzie głównie na opracowanie metodyki i wykonanie badań w warunkach eks-ploatacji dla pojazdów (samochody osobowe) z różnymi silnikami (ZI i ZS, hybrydo-we), zasilane różnymi paliwami (benzyna, olej napędowy). Opracowana metodyka ba-dań pozwoli na określenie metod pomiarowych, mogących mieć zastosowanie do jako-ściowej oceny ekologiczności różnych rodzajów pojazdów.
W związku z tym celem pracy będzie ilościowa ocena emisji związków toksycznych z pojazdów samochodowych (do realizacji pracy wykorzystano głównie samochody osobowe) w różnych uwarunkowaniach infrastruktury drogowej. Zagadnienie dotyczy zarówno skali makro infrastruktury drogowej w postaci nowobudowanych obwodnic miast, ale jednocześnie uwzględnia skalę mikro, czyli elementy infrastruktury drogowej m.in. skrzyżowania.
W ramach pracy dokonano analizy problematyki badawczej oraz dostępnych metod oceny infrastruktury drogowej pod względem emisyjnym. Zakres prac badawczych do-tyczył:
w pierwszym etapie – wykonano ocenę emisyjną przejazdu przez miejscowość oraz obwodnicą miejską dla jednego obiektu badawczego; dokonano porównania przejazdów pod względem ekologicznym (emisyjnym) i ekonomicznym (zużycia paliwa);
w drugim etapie – przeprowadzono symulację przejazdu pojazdem przez miej-scowość oraz jej obwodnicą, w wyniku czego dokonano weryfikacji wskaźników emisyjnych zaimplementowanych w programie ze wskaźnikami uzyskanymi z badań drogowych;
w etapie trzecim – porównano emisję zanieczyszczeń podczas przejazdu przez miasto rzeczywistego potoku pojazdów w przypadku już istniejącej nowej infra-struktury drogowej – obwodnicy miejskiej.
Realizacja postawionego celu pracy dotyczyć będzie weryfikacji zmian emisji związków szkodliwych spalin na postawie rozkładu ruchu, a jednocześnie wskaźnika najbardziej racjonalnego – w postaci emisji drogowej dwutlenku węgla (przebiegowego zużycia paliwa) pojazdów w aspekcie budowy nowej infrastruktury w lokalnej sieci drogowej.