Scriptie: Verkeersdynamiek in milieuberekeningen (VK 8/2010)

Dynasmart toont meerwaarde

Samenvatting scriptie Bram van de Vrande, NHTV Breda, Geert van der Heijden DHV

Een samenvatting van dit artikel is gepubliceerd in Verkeerskunde 8/2010

Het CAR II-model is voor veel verkeerskundigen een black box, een aantal ingestelde parameters leidt tot een uitkomst. Hoe bepaalde parameterkeuzes invloed hebben op het resultaat en hoe dit samenhangt is vaak alleen op hoofdlijnen bekend. Dit artikel behandelt enkele opvallende uitkomsten welke in een afstudeeronderzoek naar voren zijn gekomen waarin de meerwaarde van een dynamisch verkeersmodel op het CAR II-model is onderzocht. Specialisten die regelmatig met modellen werken, verkrijgen meer inzicht in de berekening van verkeersafhankelijke factoren, voor anderen worden juist enkele handvatten en valkuilen aangegeven.

Het verbeteren of in stand houden van de kwaliteit van de leefomgeving is in alle takken van de verkeerskunde van belang. Een belangrijk instrument hierin is het berekenen en modelleren van de luchtkwaliteit. Dit gaat niet om de bekende broeikasgassen zoals CO2, maar om de emissies die op leefniveau blijven hangen en de volksgezondheid aantasten. De twee belangrijkste stoffen hiervan zijn fijnstof (PM10) en stikstofdioxide (NO2). Het berekenen van de emissies en immissies (concentratie op leefniveau) gebeurt door middel van het CAR II-model, dat gevoed wordt door informatie uit een statisch macroscopisch verkeersmodel. Het CAR II-model is kortweg een berekening van de emissie van een gemiddeld voertuig op basis van de snelheid en ‘mate van stagnatie’ en vermenigvuldigd met de etmaalintensiteit. Dit levert de totale etmaalemissie op waar vervolgens enkele verdunnings- en omgevingsfactoren op los gelaten worden wat resulteert in een concentratie op leefniveau. Deze concentratie wordt gebruikt in het beleid. Boven een bepaalde drempelwaarde moet een plan opgesteld worden om de luchtkwaliteit te verbeteren, daaronder niet. Voor de volksgezondheid is het dus zeer van belang dat de berekende concentraties zo goed mogelijk de werkelijkheid benaderen. Zowel het CAR II-model als verkeersmodellen zijn modellen die al jaren meegaan en flink doorontwikkeld zijn en worden.

In het kader van een afstudeeropdracht is in dit onderzoek binnen DHV gekeken naar de meerwaarde die een dynamisch verkeersmodel (Dynasmart) kan bieden voor de luchtkwaliteitberekeningen. Doordat dynamische verkeersmodellen rekenen aan de hand van de verkeersdynamiek, waarbij voertuigen invloed op elkaar hebben, is de verwachting dat een dynamisch verkeersmodel een betrouwbaarder en gedetailleerder verkeersbeeld oplevert. Dynasmart levert echter ook andere gegevens die mogelijk bruikbaar zijn in het CAR II-model. Met veel overleggen en discussies met specialisten van de verschillende disciplines is een rekenmethode gevonden hoe deze ‘extra’ data in het bestaande CAR II-model gebruikt kan worden om de resultaten hiervan objectiever en betrouwbaarder te maken. Dit artikel omschrijft kort de basis- en achtergrondinformatie, waarna wordt vervolgd met enkele aandachtspunten en valkuilen van het CAR II-model. Deze zijn ook zonder de nieuwe rekenmethode of een dynamische verkeersmodel te gebruiken.

Verkeersdynamiek

Verkeersdynamiek komt voor in het CAR II-model. Dit is niet verwonderlijk, want een voertuig dat vaak moet optrekken en afremmen heeft hogere emissies dan een voertuig dat met een constante snelheid rijdt. Omdat deze gegevens tot voor kort onbekend waren is hiervoor een factor in het CAR II-model opgenomen; de snelheidstypering. Dit is een groep van vijf snelheidstypes welke voor elk wegvak ingevuld moet worden. Bij stedelijke gebieden zijn hiervan drie snelheidstypes van belang: Stagnerend verkeer (snelheid 0-15km/u), normaal stadsverkeer (15-30km/u) en doorstromend stadsverkeer (30-50km/u). Deze onderverdeling is eigenlijk gemaakt op basis van het optrekken en afremmen van de voertuigen, maar doordat dit moeilijk is te kwantificeren wordt de gemiddelde snelheid gebruikt.

Een dynamisch verkeersmodel kan weinig met de vage grootheid ‘mate van stagnatie’, maar wat het wel precies meet zijn de snelheden van alle voertuigen op alle wegvakken. Op basis hiervan is de gemiddelde snelheid per wegvak per voertuig te bepalen. Onderstaande twee grafieken tonen wat voor data Dynasmart als uitvoer kan krijgen voor een enkel wegvak. Dit is voor een ochtendspitsperiode waarbij rond half 9 veel filevorming optreedt. De grote spreiding (zelfs bij filevorming rond half 9) is te verklaren doordat dit een wegvak betreft dat voor een verkeerslicht is gelegen.

In het CAR II-model kan per wegvak per etmaal maar één snelheidstypering gekozen worden, waarbij deze dus maatgevend moet zijn voor de gehele dag. Als verbetering is het CAR II-model enkele jaren terug uitgebreid met een stagnatiefractie waarmee het aandeel verkeer in snelheidstype ‘stagnerend verkeer’ wordt aangeduid. Door deze ontwikkeling is het mogelijk een wegvak te beschrijven als normaal of doorstromend stadsverkeer, waarbij een percentage van het totale aantal voertuigen (per etmaal) stagneert. Beide factoren, snelheidstype en stagnatiefractie, zijn te berekenen aan de hand van de uitvoer van Dynasmart. Door middel van deze berekeningen is objectief een snelheidstype en stagnatiefractie aan een wegvak te koppelen. Dit hoeft dus niet meer geschat te worden met de natte vinger en kennis van de lokale situatie. Het is in theorie mogelijk om de snelheidstypes ieder van een fractie te voorzien, en niet alleen de fractie stagnerend verkeer. Deze laatste methode is op dit moment niet mogelijk in het standaard CAR II-model, maar ligt wel in lijn met de principes achter het CAR II-model. Hoe deze berekeningen precies in zijn werk gaan, is te lezen in het openbare onderzoeksrapport welke te vinden is onderaan dit artikel.

De rekenmethode van snelheidstypes en stagnatiefracties is vooral interessant voor de mensen die diep in milieuberekeningen zitten, maar, wat is nu de echte meerwaarde van dit onderzoek voor de maatschappij? De maatschappij heeft vooral belang bij het juist berekenen van de luchtkwaliteit zodat de juiste knelpunten aangepakt kunnen worden. Voor de politici en andere beleidsmakers is het dus vooral van belang dat beslissingen gemaakt worden op basis van de best mogelijke informatie. Met een dynamisch verkeersmodel is dit nauwkeuriger te berekenen, maar tijdens het onderzoek zijn enkele zaken ontdekt die ook de traditionele methode (het schatten van de verkeersafhankelijke factoren in het CAR II-model) kunnen verbeteren. Eerst een voorbeeld aan de hand van de case N69 Aalst die gebruikt is in dit onderzoek.

Onderzoek N69 Aalst

Als case in dit verkeersmodel is de N69 door de kern van Aalst (gemeente Waalre) gebruikt. Dit is in de regio een bekend doorstromingsknelpunt en luchtkwaliteitknelpunt. Het verkeersmodel waarmee alle berekeningen zijn uitgevoerd was voor aanvang van het onderzoek al volledig gebouwd en gekalibreerd. Het bevatte dus ook geschatte snelheidstypes voor alle (relevante) wegvakken.

In bovenstaande afbeelding is te zien dat de N69 volledig als ‘stagnerend verkeer’ is ingevuld. Echter sinds in 2007 de stagnatiefractie is toegevoegd aan het CAR II-model is dit snelheidstype overbodig geworden. Stagnatiefractie 1 (100 procent) komt namelijk op precies hetzelfde neer als snelheidstype stagnerend verkeer. Naast het berekenen van de snelheidstypes is ook de stagnatiefractie berekend, waardoor in de toegedeelde snelheidstypes geen enkel wegvak meer snelheidstype ‘stagnerend verkeer’ is terug te vinden. De hoogste berekende stagnatiefractie in deze case is 0,17. Dat wil zeggen dat op het wegvak met de meeste stagnatie, maar 17 procent van al het verkeer in een periode van 24 uur (werkdag) zoveel vertraagd wordt dat het binnen snelheidstype ‘stagnerend verkeer’ valt. Zelfs zonder de stagnatiefractie zou dus nergens snelheidstype ‘stagnerend verkeer’ ingevuld moeten worden in deze case. In de volgende afbeelding staat dezelfde uitsnede van de case N69 Aalst, maar dan met de berekende snelheidstyperingen. 

Een groot deel van de N69 is ondanks de knelpunten groen gekleurd, wat duidt op ‘stadsverkeer met minder congestie’. Dit is een heel andere invulling dan bij geschatte snelheidstyperingen. Tevens valt op dat wegvakken richting een kruispunt meer congestie ondervinden dan een wegvak in de tegengestelde richting.

Milieuberekeningen met het CAR II-model worden uitgevoerd om beleid mee te vormen of te onderbouwen. Veruit het belangrijkste resultaat dat het levert zijn de overschrijdingen van de grenswaarde (40µg/m3). Wanneer case N69 Aalst in cijfers en grenswaardes wordt uitgedrukt leidt dat tot het volgende resultaat. De berekende immissies bij geschatte verkeersafhankelijke factoren liggen tussen de 45 en 55µg/m3 en bij de berekende factoren tussen de 36 en 53µg/m3. Hierdoor komen niet meer alle wegvakken boven de grenswaarde 40µg/m3 uit. Het belangrijkste knelpunt op deze weg komt wel boven de 40ug/m3 uit, dus in dit geval is deze berekening een versterking en geen ondermijning van het advies om de luchtkwaliteit langs de N69 aan te pakken.

Het berekenen van verkeersafhankelijke factoren zal niet meteen gebeuren en ook niet door iedereen. Veel studies worden ook nu nog verricht met een statisch verkeersmodel. Hier is uiteraard niets mis mee, maar uit dit onderzoek zijn wel enkele aandachtspunten en valkuilen naar voren gekomen van het CAR II-model. Dit zijn punten van algemeen nut voor mensen die met deze materie in aanraking komen.

Valkuilen van het CAR II-model

1. Etmaalintensiteiten op basis van spitsperioden

Verkeersmodellen worden vaak (zo niet altijd) gebouwd voor de ochtend- en avondspits en deze worden zorgvuldig gekalibreerd. De overige uren (de restdag) zijn zelden interessant voor de doorstroming. Als echter het verkeersmodel gebruikt wordt voor luchtkwaliteitberekeningen, is de etmaaltoedeling maatgevend. In de case N69 Aalst is 30 procent van het verkeer te vinden is in de 2x2 spitsuren. Dat wil zeggen dat 70 procent van het verkeer onder de restdag valt. De restdag periode heeft waarschijnlijk veel minder stagnatie, maar in absolute getallen van emissies levert de restdag de grootste bijdrage aan de etmaalemissie. Het simpelweg extrapoleren van spitsintensiteiten naar etmaalintensiteiten levert voor de luchtkwaliteitberekening een grote foutmarge op. Voor de meest betrouwbare berekening is een etmaaltoedeling noodzakelijk.

2. Focussen op kruispuntniveau of wegvakniveau?

Stagnatie binnen de bebouwde kom treedt vooral op voor kruispunten door bijvoorbeeld rotondes of verkeerslichten. Het wegvak na een kruispunt toont een heel ander verkeersbeeld dan het wegvak in de tegengestelde richting. Het is dus onterecht als hier dezelfde snelheidstypering en/of stagnatiefractie wordt gekozen. Hierbij moet wel de kanttekening gemaakt worden dat er veel sprake is van optrekkend verkeer en dat is niet terug te vinden in de gemiddelde snelheid. Op basis van gemiddelde snelheid wordt hier snelheidstype ‘stadsverkeer met minder congestie’ berekend terwijl dit misschien niet overeenkomt met de daadwerkelijk uitgestoten emissies. Dit is op dit moment echter niet uit het CAR II-model te halen en zal in het achterhoofd gehouden moeten worden.

3. Aandacht voor de omgeving- en verdunningsfactoren

Dit onderzoek is verkeerskundig van aard en daarbij zijn de niet-verkeersafhankelijke factoren van het CAR II-model buiten beschouwing gelaten. Maar de factoren wegtype (gebouwen langs de weg) en bomenfactor (bomen langs de weg) hebben ieder een grotere gevoeligheid dan de snelheidstypering! Deze factoren moeten zo goed mogelijk geschat worden op basis van kennis van de situatie. Het maakt in de berekende concentratie veel uit of er veel bomen met overhangende takken boven de weg hangen of juist geen bomen. Als hierin fouten gemaakt worden, maken de kleine berekende verschillen in verkeersdynamiek niets meer uit.

Slotwoord

Het CAR II-model is het voorgeschreven milieumodel voor berekeningen van de luchtkwaliteit binnen de bebouwde kom. De methode om de factoren van dit model in te vullen is redelijk vrij, zolang het maar goed onderbouwd wordt. Een objectieve berekening door middel van een dynamisch verkeersmodel levert een goede onderbouwing op. Dit onderzoek betreft een proof of concept op basis met één case en dat wil niet zeggen dat iedereen meteen via deze methode kan of wil gaan werken. Verder onderzoek is nodig. Toch zijn er tijdens het onderzoek enkele handvatten naar voren gekomen waar het vakgebied nu al mee kan werken. Er moet meer aandacht komen voor de etmaalberekeningen in het verkeersmodel, meer aandacht voor de keus van snelheidstypes nabij kruispunten en ook meer aandacht voor het nauwkeurig invullen van omgeving- en verdunningsfactoren. Tot slot worden de modellen elk jaar beter. Als luchtkwaliteitknelpunten objectiever en betrouwbaar worden geïdentificeerd, leidt dat tot een effectievere inzet van het beschikbare budget en hopelijk tot een betere leefomgeving.  

De volledige scriptie 'Verkeersdynamiek in milieuberekeningen'.

 
Auteur: Margriet Verhoog