Наукові засади оцінювання автотранспортного навантаження на урбосистему м. Тернополя та оптимізація атмоекологічного стану

Abstract

Дослідження за темою дисертації здійснювалися у період з 2019-о по 2023-й р.р. відповідно до планів науково-дослідницьких робіт кафедри геоекології та методики навчання екологічних дисциплін Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. У роботі представлено результати комплексного аналізу впливу автотранспортного навантаження на урбосистему міста Тернополя у контексті загальносвітових тенденцій урбанізації та зростання кількості транспортних засобів. Методичною основою дослідження стали польові спостереження, автоматизований збір даних, математичне моделювання, аналіз часових рядів, статистичні методи, геоінформаційне картографування, нейромережеві технології тощо. З метою підвищення точності розрахунків та уникнення спотворень при обробці великих масивів даних застосовано комплексну методику формування та заповнення пропусків. Використання цих методів, а також створення новітніх комбінацій між ними дало змогу забезпечити всебічну оцінку сучасного стану міського середовища. У вступі обґрунтовано актуальність обраної тематики, визначено зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами і грантами, сформульовано мету, об’єкт, предмет та завдання дослідження. Описано методи, що застосовані під час роботи, визначено наукову новизну, теоретичне та практичне значення отриманих результатів, а також особистий внесок здобувача. У першому Розділі проаналізовано концептуальні засади дослідження. У першому розділі здійснено огляд концептуальних та теоретичних засад дослідження. Встановлено, що викиди від пересувних джерел забруднення в місті Тернополі становлять 72 % від загального обсягу. Висвітлено основні проблеми щоденної експлуатації транспортних засобів. Під час виконання роботи узагальнено міжнародний досвід у сфері сталого розвитку міст. Здійснено аналіз Конференції ООН з питань сталого розвитку «Майбутнє, якого ми хочемо» (20-22 червня 2012 р., Ріо-де-Жанейро, Бразилія). Розглянуто «Концепцію сталого розвитку населених пунктів», затверджену Постановою Верховної Ради України від 24 вересня 1999 року №1359-XIV та Національні цілі сталого розвитку до 2030 року, які визначають екологічну стійкість міст і раціональне управління урбанізованими територіями як пріоритетні напрями державної екологічної політики. У дисертаційній роботі обґрунтовано необхідність комплексного підходу до оцінювання транспортного навантаження з урахуванням екологічного, соціального та економічного контексту. Через призму стратегії стійкого розвитку міст проаналізовано баланс між соціальною, економічною та екологічною сферами за структурою видатків бюджету Тернополя за період з 2018 по 2021 р.р. Вибір цього періоду пов’язаний із обмеженням доступу до інформації від 2022-о року, внаслідок запровадження воєнного стану. Досліджено структурні та функціональні зміни, визначено тенденції розвитку міського довкілля. Виокремлено сфери, які потребують додаткового фінансування. У другому розділі систематизовано та проаналізовано архівні показники погодних умов м. Тернополя за 2019, 2021, 2023 роки. Характеристику погоднокліматичних змін здійснено за той самий період, що й розрахунок транспортного навантаження на контрольних ділянках, оскільки погодні чинники істотно впливають на формування забруднень в урбосистемі. Вибір саме цього періоду обумовлений наявністю повного масиву метеорологічних даних. Отримані показники використано також для розрахунку концентрації СО. Дані про швидкість і напрям вітру є визначальними для аналізу поширення забруднюючих речовин. Встановлено, що переважаючими у зазначені роки були вітри північно-західного (W, WNW, NW, NNW) та південно-східного (S, SE, SSE) напрямків. Це дало змогу визначити території, які потребують додаткових захисних заходів. Архівні погодні дані отримано за допомогою автоматизованих технологій — зокрема, API сервісу WeatherAPI. У третьому розділі представлено поглиблений аналіз транспортної системи м. Тернополя за період з 2000 по 2020 роки. Здійснено аналіз динаміки громадського транспорту за такими показниками, як кількість пасажирокілометрів, кількість перевезених осіб, середня відстань перевезення одного пасажира, динаміка пасажирообігу, зміна вартості проїзду в маршрутних таксі, оновлення автопарку та структура викидів. Окремо розглянуто впровадження екологічних стандартів Євро в Україні як на нормативному рівні, так і в практичній діяльності. Аналіз наявної статистичної інформації засвідчив, що офіційні дані щодо транспортного навантаження оприлюднювалися лише до 2015 р., а подальший моніторинг не здійснювався. Це обумовило необхідність проведення власних досліджень транспортного навантаження у 2019, 2021 та 2023 рр. на контрольних ділянках міста (вул. Руська, просп. Степана Бандери та частково вул. Протасевича). Отримані результати разом з офіційними даними до 2015 р. дозволили екстраполювати значення транспортного навантаження для періоду з невідомим рівнем забруднення, що створює підґрунтя для формування точніших прогнозів і прийняття управлінських рішень щодо оптимізації атмоекологічного стану міста. Паралельно із визначенням рівня транспортного навантаження на основні вулично-дорожні артерії міста Тернополя проведено аналіз концентрацій шкідливих речовин в атмосферному повітрі, зокрема оксиду вуглецю (СО), за 2019, 2021 та 2023 роки. Для розрахунку концентрації СО у приземному шарі повітря використано формулу Бегма в модифікації Шаповалова. Особливу увагу в дослідженні приділено встановленню залежності концентрацій оксиду вуглецю від характеру міської забудови та структури вулично-дорожньої мережі. У ході роботи виявлено значну залежність між коефіцієнтом аерації міської території та середньодобовими концентраціями СО в приземному шарі повітря, що має важливе практичне значення для планування екологічно безпечної забудови міського простору. Доведено, що навіть за меншого транспортного навантаження концентрації СО на ділянках із щільною забудовою та обмеженим повітрообміном перевищують показники точок ня яких спостерігається вища інтенсивність руху, але наявні кращі умови аерації. Окрему увагу приділено аналізу впливу стаціонарних джерел забруднення — зокрема генераторів — на стан атмосферного повітря в умовах надзвичайних ситуацій, пов’язаних із відключенням централізованого електропостачання. Проведено дослідження динаміки змін забруднення повітря під час експлуатації генераторів у періоди енергетичних криз. В підрозділі 3.3 роботи розглянуто питання асиміляції викидів шкідливих речовин зеленими насадженнями міста. Розглянуто зміни внесені до генерального плану міста, станом на 10.02.2024 р. Проведено інвентаризацію існуючих зелених зон, проаналізовано динаміку зміни площі зелених насаджень у співвідношенні до загальної площі міста. Охарактеризовано об’єкти зеленого господарства та визначено нормативно необхідні площі рослинності різних категорій. Виконано розрахунок дефіциту зелених насаджень та його просторового розподілу. Досліджено екологічні функції рослинності міського середовища, видовий склад основних деревних рослин, їхню газо- та пилостійкість. Встановлено, що існуючий асортимент зелених насаджень потребує оптимізації з метою підвищення асиміляційної здатності міських екосистем. У четвертому розділі роботи проаналізовано транспортну мережу загальнодержавного та міжнародного значення, яка проходить територією Тернополя. Визначено вплив європейських маршрутів Е50 (М-30), Е85 (М-19) та Е372 (М-09) на стан навколишнього середовища міста. Піднято проблему змішування транзитних та міських транспортних потоків, що погіршує екологічну ситуацію для урбосистеми. Розглянуто проблему стихійного паркування у межах міста. Запропоновано шляхи регулювання цього питання та підвищення пропускної здатності вуличнодорожньої мережі вцілому. Розроблено пропозиції щодо підвищення привабливості громадського транспорту для населення з метою зменшення використання індивідуального автотранспорту. Досліджено проблему шумового забруднення та його негативного впливу на здоров’я населення. Розроблено рекомендації щодо зниження рівня акустичного забруднення міського середовища, зокрема в місцях із надмірною інтенсивністю транспортного руху. У підрозділі 4.2 запропоновано комплекс заходів еколого-просвітницького характеру, спрямованих на формування екологічної свідомості населення та популяризацію екологічно безпечних моделей поведінки в умовах урбанізованого середовища. У підрозділі 4.3 досліджено екомережу міста Тернополя, яка об’єднує заповідні території, парки, водні об’єкти та екологічні коридори. Проаналізовано її структуру, просторову організацію, площу природних угідь та рекреаційну ємність. Виявлено проблеми збереження водних ресурсів та забезпечення цілісності природного каркасу міста. Розроблено рекомендації щодо оптимізації просторових зв’язків між природоохоронними територіями для збереження екологічної рівноваги. Результати дослідження можуть бути використані в практиці міського екологічного управління, транспортного планування, а також у навчальному процесі підготовки бакалаврів і магістрів екології у навчальних дисциплінах: екологія міських систем, системний аналіз якості навколишнього середовища, організація управління в екологічній діяльності, стратегія сталого розвитку.

The research on the topic of the dissertation was carried out during the period from 2019 to 2023 in accordance with the research plans of the Department of Geoecology and Hydrology of Ternopil Volodymyr Hnatiuk National Pedagogical University. The work presents the results of a comprehensive analysis of the impact of motor vehicle load on the urban ecosystem of the city of Ternopil in the context of global trends in urbanization and the growth in the number of vehicles. The methodological basis of the study are field observations, automated data collection, mathematical modelling, analysis of time series, statistical methods, geoinformation mapping, neural network technologies, etc. In order to increase the accuracy of the calculations and to avoid distortions in the processing of large data ranges, a comprehensive method of formation and filling of gaps is used. The use of these methods, as well as the creation of the latest combinations between them made it possible to ensure a comprehensive assessment of the current state of the urban environment. The introduction substantiates the relevance of the selected topics, identifies the connection of work with scientific programs, plans, topics and grants, formulates the purpose, object, subject and objectives of the study. The methods used during the work are described, the scientific novelty, theoretical and practical importance of the results obtained is determined, as well as the personal contribution of the applicant. The first Chapter provides an overview of the conceptual and theoretical and theoretical foundations of the study. It has been established that emissions from mobile sources of pollution in the city of Ternopil account for 72% of the total volume. The main problems of the daily operation of motor vehicles are highlighted. In the course of the work, international experience in the field of sustainable urban development is summarized. An analysis is carried out of the UN Conference on Sustainable Development “The Future We Want” (June 20–22, 2012, Rio de Janeiro, Brazil). The “Concept of Sustainable Development of Human Settlements,” approved by the Resolution of the Verkhovna Rada of Ukraine of September 24, 1999, No. 1359-XIV, and the National Sustainable Development Goals until 2030, which define environmental sustainability of cities and rational management of urbanized areas as priority directions of state environmental policy, were considered. The dissertation substantiates the need for a comprehensive approach to assessing the transport load, taking into account the environmental, social and economic context. Through the lens of the strategy for sustainable urban development, the balance between the social, economic, and environmental spheres is analyzed based on the structure of Ternopil's budget expenditures for the period from 2018 to 2021. The choice of this period is related to the restriction of access to information from 2022, as a result of the introduction of martial law. Structural and functional changes have been investigated, and trends in the urban environment are identified. Areas that need additional funding are distinguished. In the second Chapter, archival indicators of weather conditions in Ternopil for the years 2019, 2021, and 2023 are systematized and analysed. The characterization of weather and climate changes was carried out for the same period as the calculation of transport load on control sections, since weather factors significantly affect the formation of pollution in the urban system. The choice of this period was due to the availability of a complete set of meteorological data. In particular, the obtained indicators were also used to calculate CO concentration. Data on wind speed and direction are crucial for analysing the spread of pollutants. It is established that in the specified years, the prevailing winds were from the northwestern (W, WNW, NW, NNW) and southeastern (S, SE, SSE) directions. This made it possible to identify areas that require additional protective measures. Archival weather data are obtained using automated technologies — in particular, the Weather API service. The third Chapter presents an in-depth analysis of the Ternopil transport system for the period from 2000 to 2020. The dynamics of public transport are analysed by such indicators as the number of passenger kilometres, the number of persons transported, the average distance of transportation of one passenger, the dynamics of passenger traffic, changing the cost of travel in route taxi, renovation of the fleet and the emission structure. The implementation of euro environmental standards in Ukraine at the normative level and in practical activity is considered separately. The analysis of the available statistical information showed that official data on the transport load was published only by 2015, and further monitoring was not carried out. This led to conducting their own studies of transport load in 2019, 2021 and 2023 on the control sections of the city (Ruska St., Stepan Bandera Av. and partially Protasevich St.). The results, together with official data by 2015, allowed to extrapolate the value of transport load for the period with an unknown level of pollution, which creates the basis for the formation of more accurate forecasts and making management decisions on optimization of the atmoecological condition of the city. In parallel with determining the level of traffic load on the main street and road arteries of the city of Ternopil, the concentrations of harmful substances in the air, in particular carbon monoxide (CO), were analysed for 2019, 2021, and 2023. To calculate the concentration of CO in the surface air layer, the Begg's formula in the modification of Shapovalov is used. Particular attention in the study was paid to establishing the dependence of carbon monoxide concentrations on the nature of urban development and the structure of the road network. The study revealed a significant relationship between the aeration coefficient of the urban area and the average daily CO concentrations in the surface air layer, which was of great practical importance for planning environmentally safe urban development. It was proved that even with a lower traffic load, CO concentrations in areas with dense buildings and limited air exchange exceed those in areas with higher traffic intensity but better aeration conditions. Particular attention was paid to the analysis of the impact of stationary sources of pollution - in particular, generators - on the state of atmospheric air in emergency situations related to the disconnection of centralised power supply. The dynamics of changes in air pollution during the operation of generators in periods of energy crises is studied. Subsection 3.3 of the paper considers the issue of assimilation of harmful substances by the city's green spaces. The changes made to the city's master plan as of 10.02.2024 are considered. An inventory of existing green areas is carried out, the dynamics of changes in the area of green spaces in relation to the total area of the city is analysed. The green facilities were characterised and the normatively required areas of vegetation of different categories were determined. The deficit of green spaces and its spatial distribution is calculated. The ecological functions of urban vegetation, the species composition of the main woody plants, their gas and dust resistance are studied. It is established that the existing range of green spaces needs to be optimised in order to increase the assimilation capacity of urban ecosystems. The fourth Chapter analyses the transport network of national and international importance that passes through the territory of Ternopil. The impact of the European routes E50 (M-30), E85 (M-19) and E372 (M-09) on the city's environment is determined. The problem of mixing transit and urban traffic flows, which worsens the environmental situation for the urban system, is raised. The problem of spontaneous parking within the city is considered. The ways of regulating this issue and increasing the capacity of the street and road network in general are proposed. Proposals are developed to increase the attractiveness of public transport for the population in order to reduce the use of private vehicles. The problem of noise pollution and its negative impact on public health is investigated. Recommendations have been developed to reduce the level of acoustic pollution of the urban environment, in particular in places with excessive traffic intensity. Subsection 4.2 proposes a set of environmental and educational measures aimed at shaping the environmental awareness of the population and promoting environmentally friendly behavioural patterns in the urban environment. Subsection 4.3 examines the ecological network of Ternopil, which includes protected areas, parks, water bodies and ecological corridors. Its structure, spatial organisation, area of natural lands and recreational capacity are analysed. The problems of water conservation and ensuring the integrity of the city's natural framework are identified. Recommendations for optimising spatial connections between protected areas to maintain ecological balance are developed. The results of the study can be used in the practice of urban environmental management, transport planning, as well as in the educational process of training bachelors and masters of ecology in the following disciplines: ecology of urban systems, system analysis of environmental quality, management organisation in environmental activities, sustainable development strategy.