Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 2, стр. 888-96

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА БИОПОЗИТИВНОСТИ ОБЪЕКТОВ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА

Н. И. Шестаков 1*, К. Л. Чертес 2**

1 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
129337 Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Россия

2 Самарский государственный технический университет (СамГТУ)
443100 Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244, Россия

* E-mail: SHestakovNI@mgsu.ru
** E-mail: chertes2007@yandex.ru

Поступила в редакцию 20.10.2021
После доработки 07.12.2021
Принята к публикации 09.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Выбор применяемых конструкций в дорожном строительстве требует не только технико-экономического обоснования, но и должен содержать экологические параметры воздействия на окружающую среду. В статье рассмотрена принципиальная возможность использования метода анализа иерархий для оценки численного параметра биопозитивности при выборе типа конструкции дорожных одежд. В качестве примера для расчета представлены варианты конструкций с применением армирующих сеток или без них в различных геологических условиях. Методом попарных сравнений выполнен расчет параметров биопозитивности по выбранным критериям с установлением веса каждого из них. Представлена графическая интерпретация полученных результатов и сводная таблица оценочных показателей. Использованная методика позволяет комплексно оценить показатель биопозитивности и использовать его при обосновании выбора конструкций дорожно-строительного комплекса.

Ключевые слова: биопозитивность, критерии, метод анализа иерархий, глобальное воздействие, автомобильная дорога, конструкция дорожных одежд, армирующая сетка

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное увеличение дорожной сети в России способствует качественному изменению дорожно-транспортного комплекса и вносит существенный вклад в экономическое развитие страны. Вместе с тем, деятельность дорожной отрасли увеличивает экологическую нагрузку за счет отвода территорий, использования минеральных ресурсов, изменения ландшафта, геологических, гидрологических и других природных условий. Такого рода изменения требуют дополнительных параметров оценки при обоснованном выборе различных вариантов. В настоящий момент критериями экологической безопасности являются соответствие приемлемым показателям санитарно-гигиенических нормативов или достижение экологических параметров рамок установленных значений. Соблюдение таких условий обеспечивает устойчивость естественных экосистем в отношении отдельных параметров, при этом не рассматривается воздействие на окружающую среду в целом.

Техническое развитие дорожной отрасли постоянно изменяет имеющиеся технологии, материалы и типы конструкций для дорожно-строительного комплекса. Применение новых видов конструкций необходимо обосновывать по экологической составляющей, что будет способствовать уменьшению воздействия на окружающую среду [4].

В настоящее время при выборе конструкции дорожной одежды, оценку эффективности проектных решений производят на основе только технико-экономического сравнения вариантов, не затрагивая экологические аспекты. В связи с чем требуется разработка дополнительных методик, которые позволят комплексно оценить степень воздействия конструкций, материалов или технологий дорожно-транспортного комплекса на окружающую среду.

Среди большинства видов конструкций дорожных одежд, применяемых в строительстве, достаточно хорошо изучены и применяются различные армирующие элементы. Для армирования применяются плоские сетки с ячейками одинаковых размеров (от 50 до 300 мм) [2, 10]. Такие элементы укладывается на стыке между разными слоями конструкции дорожной одежды и предназначены для равномерного распределения нагрузки от подвижного состава. Вариант конструкции дорожной одежды с последовательным расположением материалов представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Рассматриваемая схема конструкции дорожной одежды.

Рассмотрим несколько вариантов конструкции автомобильной дороги с применением армирующей прослойки и без нее. Варианты конструкций нежестких дорожных одежд автомобильных дорог для II дорожно-климатической зоны при разных типах земляного полотна III технической категории11 представлены в табл. 1. Общий модуль упругости дорожной одежды в расчетных конструкциях составляет 390–480 МПа.

Таблица 1.

Рассматриваемые варианты конструкции дорожной одежды

Материал слоя дорожной одежды Толщина слоя, см
Рабочий слой земляного полотна
суглинки и глины песчанистые супеси песчанистые пески
Номер варианта 1 2 3 4 5 6
Асфальтобетон верхнего слоя покрытия 5 5 5 5 5 5
Асфальтобетон нижнего слоя покрытия 8 6 8 6 8 6
Армирующая прослойка + + +
Асфальтобетон слоя основания 7 7 7
Щебеночно-гравийно-песчаная смесь 26 17 23 15 28 20
Дополнительный слой основания 35 35 20 20
Общая толщина конструкции 74 70 56 53 41 38

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Основная цель данного исследования заключается в разработке и применении методов расчета численного показателя биопозитивности с учетом критериев экологической оценки, а также апробирование предложенной методологии на известных вариантах конструкции объектов дорожно-транспортного комплекса.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Биопозитивность – совокупность экологических критериев, направленных на уменьшение негативного воздействия на окружающую среду, состоящая из эффективных решений с минимальными: выбросами в окружающую среду, производимыми выделениями, использованием ограниченного пространства и энергии, а также образованием побочных продуктов либо без них.

Определение приближенного численного параметра биопозитивности возможно при сравнительном анализе подобных технологий по ряду известных критериев, которые можно представить в виде аналитических иерархических моделей. Наиболее эффективным алгоритмом их решения является метод анализа иерархий (МАИ) [5]. Эффективность и востребованность данного метода подтверждается широким применением его как зарубежными, так и отечественными учеными от управления на межгосударственном уровне до решения отраслевых и частных проблем в любой отрасли.

Метод заключается в декомпозиции проблемы на более простые составляющие части и поэтапном установлении веса каждого оцениваемого компонента с использованием попарных сравнений. Процесс расчета показателя биопозитивности может быть представлен в виде последовательности иерархии. В такой иерархии, называемой доминантной, определяются три уровня: верхний уровень цели (значение показателя биопозитивности), средний – критерии оценки, нижний – перечень альтернатив (рассматриваемые варианты конструкции).

В качестве критериев оценки биопозитивности рассматриваются аспекты экологического воздействия, сравнительная оценка которых целесообразна в виду недостатка информации. Подобные критерии используются для разработки мер безопасности и оценки рисков при защите экологических природных зон [1]. Для дальнейшей работы каждому критерию присваивается собственное обозначение, как указано в табл. 2.

Таблица 2.

Критерии биопозитивности

Обозначение критерия Вид воздействия Обозначение критерия Вид воздействия
К1 Выбросы в атмосферу К5 Потребление электроэнергии
К2 Сбросы в воду К6 Занимаемое пространство
К3 Образование отходов К7 Выделение тепловой энергии
К4 Использование природных ресурсов К8 Вибрационное и шумовое воздействие

Результаты сравнения представляются в виде матриц попарных сравнений, в которых элементы нижележащего уровня (сравниваемые варианты конструкции дорожной одежды) сравниваются попарно по отношению к критериям, а критерии – по отношению к цели. Достижение итоговой цели (расчет биопозитивности) можно представить в виде иерархического графа, как показано на рис. 2.

Рис. 2.

Декомпозиция рассматриваемой задачи в структурную иерархию.

Вес каждого отдельного объекта в иерархии определяется оценкой соответствующего ему элемента собственного вектора матрицы приоритетов, нормализованного к единице.

Для оценки относительной важности каждого компонента предложено использовать шкалу от 0 до 3 (табл. 3). В большинстве работ [8, 9, 12] применяется фундаментальная шкала оценки, предложенная в работах [5, 6, 11], в которой значения оценки имеют большой диапазон (от 0 до 9). Использование такой шкалы эффективно при оценке степени предпочтения каждого критерия, но при выполнении экспертной оценки в данном случае, она может только усложнить саму процедуру. В связи с чем, авторами предложено использовать сокращенную шкалу, ограничение которой объясняется упрощением оценки при попарном сравнении, а дальнейшие расчеты с учетом веса критериев позволят уточнить полученные значения.

Таблица 3.

Шкала относительной важности при оценке значения матрицы

Назначаемое значение Определение
0 Варианты несравнимы
1 Равнозначные варианты
2 Умеренное превосходство одного над другим
3 Существенное превосходство

Значение любого элемента, сравниваемого с самим собой, равно 1, т.е. диагональ матрицы состоит из единиц. При заполнении матрицы сравнений используется свойство обратной симметрии: симметричные относительно диагонали клетки заполняются обратными величинами.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для установления значения весов критериев необходимо в матрице сравнений для критериев попарно сравнивать критерий из строки с критерием из столбца по отношению к цели. Значения из шкалы относительной важности (см. табл. 3) вписываются в ячейки, образованные пересечением соответствующей строки и столбца, с учетом количественных данных по критериям биопозитивности, указанным в табл. 2. Такой метод выбора позволяет преодолеть трудности, связанные с экспертной оценкой [3, 7].

Расчет значений выполнялся в программе для принятия решений Super Decisions, которая работает на основе двух многокритериальных методов принятия решений [13].

В табл. 4 представлена матрица попарных сравнений различных вариантов конструкции дорожной одежды по каждому критерию и расчетные значения вектора приоритета, выполненных в программном комплексе Super Decision.

Таблица 4.

Матрица сравнения вариантов по каждому критерию

К1 – Выбросы в атмосферу
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 2 2 3 3 3 0.313
2 1/2 1 2 3 3 3 0.248
3 1/2 1/2 1 2 2 3 0.168
4 1/3 1/3 1/2 1 2 3 0.120
5 1/3 1/3 1/2 1/2 1 2 0.087
6 1/3 1/3 1/3 1/3 1/2 1 0.062
К2 – Сбросы в воду
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 1 1 1 1 1 0.167
2 1 1 1 1 1 1 0.167
3 1 1 1 1 1 1 0.167
4 1 1 1 1 1 1 0.167
5 1 1 1 1 1 1 0.167
6 1 1 1 1 1 1 0.167
К3 – Образование отходов
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 1 2 2 3 3 0.269
2 1 1 2 2 3 3 0.269
3 1/2 1/2 1 1 2 2 0.148
4 1/2 1/2 1 1 2 2 0.148
5 1/3 1/3 1/2 1/2 1 1 0.081
6 1/3 1/3 1/2 1/2 1 1 0.081
К4 – Использование природных ресурсов
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 1/2 2 1/2 2 1 0.148
2 2 1 3 2 3 3 0.323
3 1/2 1/3 1 1/2 2 1 0.109
4 2 1/2 2 1 3 2 0.223
5 1/2 1/3 1/2 1/3 1 1/2 0.072
6 1 1/3 1 1/2 2 1 0.121
К5 – Потребление электроэнергии
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 1 1 2 2 3 0.229
2 1 1 1 2 3 3 0.246
3 1 1 1 1 2 3 0.206
4 1/2 1/2 1 1 1 2 0.138
5 1/2 1/3 1/2 1 1 1 0.101
6 1/3 1/3 1/3 1/2 1 1 0.078
К6 – Занимаемое пространство
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 1 2 2 3 3 0.269
2 1 1 2 2 3 3 0.269
3 1/2 1/2 1 1 2 2 0.148
4 1/2 1/2 1 1 2 2 0.148
5 1/3 1/3 1/2 1/2 1 1 0.081
6 1/3 1/3 1/2 1/2 1 1 0.081
К7 – Выделение тепловой энергии
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 2 1 2 1 2 0.222
2 1/2 1 1/2 1 1/2 1 0.111
3 1 2 1 2 1 2 0.222
4 1/2 1 1/2 1 1/2 1 0.111
5 1 2 1 2 1 2 0.222
6 1/2 1 1/2 1 1/2 1 0.111
К8 – Вибрационное воздействие
Варианты 1 2 3 4 5 6 Х
1 1 2 2 3 3 3 0.313
2 1/2 1 2 2 3 3 0.231
3 1/2 1/2 1 2 3 3 0.183
4 1/3 1/2 1/2 1 2 3 0.126
5 1/3 1/3 1/3 1/2 1 2 0.082
6 1/3 1/3 1/3 1/3 1/2 1 0.062

В качестве примера ниже дан разбор по критерию К1 – выбросы в атмосферу. Наибольшее влияние на выбросы в атмосферу при устройстве конструкции земляного полотна будут оказывать толщина асфальтобетонного слоя (образовавшиеся выбросы при производстве асфальтобетонной смеси) и толщина уплотняемых слоев (выбросы дорожно-строительных машин). При использовании армирующей прослойки (варианты 2, 4, 6) толщина асфальтобетона нижнего слоя покрытия уменьшается на 2 см, но появляется дополнительный слой основания из асфальтобетона толщиной 7 см. Вместе с тем, толщина щебеночно-гравийно-песчаной смеси для вариантов № 2, 4, 6 сокращается примерно на 30%, что ведет к снижению общей толщины конструкции для вариантов с армирующей сеткой.

Матрицы сравнений для альтернатив заполняются для каждого критерия отдельно и дополнительно рассчитывается вектор приоритетов альтернатив для данного критерия (Х).

Однако, при таком методе расчета не учитывается вес каждого из критериев. Таким образом, получается, что каждый из показателей является равнозначным, и глобальное воздействие от выбросов в атмосферу сравнивается, например, с потребляемыми природными ресурсами. Поэтому, следующая за проведенной серией попарных сравнений композиция иерархически структурированных элементарных мер соответствия позволяет получить комплексную величину соответствия каждой альтернативы всему набору критериев и произвести окончательную оценку вариантов, связав их вес с собственными величинами.

Для этого необходимо установить вес каждого критерия относительно основной цели, в нашем случае – биопозитивности. Такую операцию наиболее эффективно проводить методом экспертной оценки при попарном сравнении важности критериев в программном комплексе Super Decision. Матрица сравнения критериев и полученные расчетные результаты каждого из критериев указаны в табл. 5.

Таблица 5.

Матрица критериев биопозитивности

Критерии К1 К2 К3 К4 К5 К6 К7 К8 Х
К1 1 3 3 5 5 5 3 3 0.301
К2 1/3 1 5 5 3 5 3 3 0.248
К3 1/3 1/5 1 5 5 5 3 3 0.164
К4 1/5 1/5 1/5 1 3 3 1 1 0.065
К5 1/5 1/3 1/5 1/3 1 3 1 1 0.052
К6 1/5 1/5 1/5 1/3 1/3 1 1/5 1/5 0.026
К7 1/3 1/3 1/3 1 1 5 1 1 0.070
К8 1/3 1/3 1/3 1 1 5 1 1 0.070

Показатель общего экологического воздействия рассчитывается как сумма произведений веса и значения каждого из критериев из сводной таблицы. В связи с тем, что биопозитивность соответствует минимальному негативному воздействию на окружающую среду при минимальных ресурсах, ее численное значение будет обратно пропорционально рассчитанному общему воздействию. Значения каждого из критериев биопозитивности можно выразить через коэффициенты относительно показателя общего экологического воздействия в отдельности для всех рассматриваемых вариантов.

Полученные данные расчетов можно графически изобразить в виде лепестковой диаграммы с соблюдением одинакового масштаба, где лучами диаграммы являются значения расчетных критериев (рис. 3).

Рис. 3.

Графическая интерпретация биопозитивности рассматриваемых вариантов конструкций дорожных одежд.

Ключевым вопросом применимости МАИ на практике, как метода, предполагающего структурную декомпозицию решаемой задачей с последующей композицией элементарных решений, полученных попарными сравнениями, в общее, является качество процедуры оценки каждого из критериев. Для исключения компенсации каждого показателя в векторной форме, наиболее эффективно будет перевести биопозитивность в комплексный показатель, который графически изображен в виде площади лепестковой диаграммы.

Для расчета комплексного показателя биопозитивности вычисляется площадь поверхности лепестковой диаграммы, построенной при рассчитанных значениях критериях биопозитивности, с соблюдением последовательности расположения критериев от К1 до К8. Площадь диаграммы является суммой площадей треугольников, образованных в лепестковой диаграмме, и вычисляется по формуле:

$S = \frac{1}{2} \times a \times b \times \sin (\alpha ),$
где a, b – расчетные значения критериев биопозитивности, образующих стороны треугольника; α – угол между сторонами a и b (так как лепестковая диаграмма имеет 8 лучей, следовательно α = = 45°).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результатами проведенных расчетов является ряд оценочных параметров для всех сравниваемых вариантов, как указано в табл. 6.

Таблица 6.

Сводная таблица расчетных показателей

Показатель Рассматриваемые варианты конструкций дорожных одежд
В1 В2 В3 В4 В5 В6
Общее экологическое воздействие (в нормализованном виде) 0.247 0.226 0.167 0.144 0.115 0.100
Биопозитивность 4.032 4.412 5.929 6.956 8.728 10.163
Комплексная биопозитивность 0.986 1.20 2.247 3.282 4.826 6.919

Анализируя данные сводной таблицы, можно сделать обоснованный вывод о выборе конструкции дорожной одежды. Наилучший вариант – В6. При сравнении парных вариантов (1 и 2, 3 и 4, 5 и 6), очевидно, что применение армирующих сеток по воздействию на окружающую среду сказывается более позитивно, чем альтернативные варианты без армирования.

Увеличение критерия биопозитивности значительнее проявляется при переходе от глинистых грунтов к песчаным, что объясняется общим увеличением объема применяемых материалов и производительностью.

При расчете биопозитивности МАИ диапазон полученных значений невелик, что в некоторых случаях может привести к одинаковым значениям и, как следствие, к спорным вариантам. При перерасчете комплексного параметра биопозитивности методом расчета площадей диаграмм разрыв в значениях значительно увеличивается, что способствует более обоснованному выбору.

Список литературы

  1. Заиканова И.Н. Основные принципы сравнительного анализа геосистем для геоэкологической оценки регионов // Геоэкология. 2015. № 6. С. 561–568.

  2. Кокодеева Н.Е., Андронов С.Ю., Малышев Е.В., Мельников М.И. Применение геосинтетических материалов при армировании асфальтобетонных слоев дорожной одежды // Дороги: Инновации в строительстве. 2016. № 51. С. 36–42.

  3. Наумов А.Е., Иванов А.В., Куннуев Ю.Ш. Модели программных решений при управлении развитием городского хозяйства в условиях неопределенности // Недвижимость: экономика, управление. 2016. № 2. С. 51–58.

  4. Пугин К.Г., Пугина В.К. Использование отходов в структуре органоминеральных композитов, применяемых для строительства автомобильных дорог // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. 2021. № 2. С. 38–46.

  5. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М.: Радио и связь, 1993.

  6. Саати Т., Кернс К. Аналитическое планирование. Организация систем. М.: Радио и связь, 1991. 314 с.

  7. Финогенко И.А., Дьякович М.П. Метод анализа иерархий и построение интегральных показателей сложных систем // Вестник Тамбовского университета. Сер.: Естественные и технические науки. 2017. Т. 22. № 6–1. С. 1335–1340. https://doi.org/10.20310/1810-0198-2017-22-6-1335-1340

  8. Юганова Т.И. Выбор участков для размещения объектов обращения с отходами на основе методов многокритериального принятия решений // Геоэкология. 2019. № 4. С. 79–93. https://doi.org/10.31857/S0869-78092019479-93

  9. Blanc M., Thorel L., Girout R., Almeida M. Geosynthetic reinforcement of a granular load transfer platform above rigid inclusions: comparison between centrifuge testing and analytical modelling // Geosynthetics International. 2014. 21 (1). P. 37–52. https://doi.org/10.1680/gein.13.00033]

  10. Correia N.S., Zornberg J.G. Mechanical response of flexible pavements enhanced with geogrid-reinforced asphalt overlays // Geosynthetics International. 2016. 23 (3). P. 183–193. https://doi.org/10.1680/jgein.15.00041

  11. Saaty T.L., Tran L.T. Fuzzy judgments and fuzzy sets // Int. Journal of Strategic Decision Sciences. 2010. V. 1. № 1. P. 23–40. https://doi.org/10.4018/jsds.2010103002

  12. Titarenko B., Titov S., Titarenko R. Performance measurement system for multi-project engineering company// PM World Journal. 2015. V. 4. № 5. P. 1–14.

  13. https://superdecisions.com/downloads/index.php?section=win3_0_beta

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология