Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
сегменты

Моделирование распространения в воздухе на проезжей части - это исследование переноса загрязнителей воздуха от проезжей части или другого линейного источника выбросов. Для проведения этого анализа требуются компьютерные модели из-за наличия сложных переменных, включая выбросы транспортного средства, скорость транспортного средства, метеорологию и геометрию местности . Рассеивание линейных источников изучается, по крайней мере, с 1960-х годов, когда нормативно-правовая база США стала требовать количественного анализа последствий загрязнения воздуха в результате крупных проектов строительства дорог и аэропортов. К началу 1970-х годов это подмножество моделей атмосферной дисперсии применялись к реальным случаям планирования шоссе, даже включая некоторые спорные судебные дела.

Как работает модель [ править ]

Основная концепция модели рассеивания воздуха на проезжей части заключается в вычислении уровней загрязнителей воздуха в окрестностях, считая их линейными источниками. Модель учитывает такие характеристики источников, как объем трафика, скорость транспортных средств, состав грузовиков и ограничения выбросов парком; Кроме того, учитываются геометрия проезжей части, окружающая местность и местная метеорология. Например, многие стандарты качества воздуха требуют применения некоторых почти наихудших метеорологических условий.

Расчеты достаточно сложны, поэтому компьютерная модель необходима для получения достоверных результатов, хотя руководства типа рабочих книг были разработаны как методы отбора. В некоторых случаях, когда необходимо ссылаться на результаты (например, в судебных делах), может потребоваться проверка модели с данными полевых испытаний в локальной настройке; этот шаг обычно не оправдан, потому что лучшие модели были тщательно проверены по широкому спектру переменных входных данных.

Результатом расчетов обычно является набор изоплет или нанесенных контурных линий на виде в плане или в разрезе . Обычно они могут быть указаны как концентрации монооксида углерода , общих реактивных углеводородов , оксидов азота , твердых частиц или бензола . Специалист по качеству воздуха может последовательно запускать модель для изучения методов снижения неблагоприятных концентраций загрязнителей воздуха (например, путем изменения геометрии проезжей части, изменения контроля скорости или ограничения определенных типов грузовиков). Модель часто используется в Заявлении о воздействии на окружающую среду. с участием новой крупной дороги или изменения в землепользовании, что приведет к появлению нового автомобильного движения.

История [ править ]

Логическим строительным блоком этой теории было использование гауссовского уравнения дисперсии загрязнителя воздуха для точечных источников . [1] [2] Одно из первых уравнений дисперсии шлейфа загрязнителей воздуха от точечных источников было получено Бозанке и Пирсоном [3] в 1936 году. Их уравнение не учитывало эффект отражения шлейфа загрязнителя от земли. В 1947 году сэр Грэм Саттон вывел уравнение рассеивания шлейфа загрязнителя воздуха от точечного источника [4], которое включало предположение о распределении Гаусса для вертикального и бокового ветра.рассеяние шлейфа, а также рассмотрел эффект отражения шлейфа от земли. Дальнейшие успехи были достигнуты Г.А. Бриггсом [5] в уточнении и проверке модели и Д.Б. Тернером [1] за его удобную для пользователя рабочую книгу, которая включала скрининговые вычисления, не требующие компьютера.

Увидев необходимость разработки модели линейного источника для изучения загрязнения воздуха на проезжей части, Майкл Хоган и Ричард Венти разработали решение в закрытой форме для интеграции уравнения точечного источника в серии публикаций. [6] [7]

Источником практически всех выбросов загрязняющих веществ в атмосферу на дорогах являются выхлопные газы.

В то время как математическая модель ESL была завершена для линейного источника к 1970 году, уточнение модели привело к появлению «полосового источника», имитирующего горизонтальную протяженность поверхности проезжей части. Эта теория была бы предшественницей моделей рассеяния площадных источников . Но их внимание было сосредоточено на моделировании проезжей части, поэтому они приступили к разработке компьютерной модели , добавив в команду Леду Патмор, программиста в области физики атмосферы и расчетов траектории спутников. К концу 1970 года была изготовлена ​​рабочая модель компьютера; затем модель была откалибрована с помощью полевых измерений окиси углерода, нацеленных на движение на шоссе 101 США в Саннивейле, Калифорния .

Модель ESL получила одобрение Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в форме крупного гранта для проверки модели с использованием реальных дорожных испытаний дисперсии гексафторида серы индикаторного газа . Этот газ был выбран, поскольку он не встречается ни в природе, ни в автомобильных выбросах и является уникальным индикатором для таких исследований рассеивания. Частично мотивы Агентства по охране окружающей среды могли заключаться в том, чтобы сделать модель достоянием общественности . После успешной проверки в рамках исследования EPA модель вскоре стала использоваться в различных условиях для прогнозирования уровней загрязнения воздуха вблизи дорог. Группа ESL применила эту модель к проекту объездной дороги US Route 101 в Кловердейле, Калифорния., расширение межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, Вирджиния , расширение магистрали Нью-Джерси через Раритан и Ист-Брансуик, Нью-Джерси , и несколько транспортных проектов в Бостоне для Boston Transportation Planning Review.

К началу 1970-х годов по крайней мере две другие исследовательские группы, как было известно, активно разрабатывали ту или иную модель рассеивания воздуха на проезжей части: группа экологических исследований и технологий из Лексингтона, штат Массачусетс, и штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, штат Калифорния . Модель Caline компании Caltrans позаимствовала некоторые технологии у группы ESL Inc., поскольку Caltrans профинансировала некоторые из первых разработок моделей приложений в Кловердейле и других местах и ​​получила права на использование частей их модели.

Теория [ править ]

Результирующее решение для бесконечного линейного источника:

где:

x - расстояние от наблюдателя до проезжей части

y - рост наблюдателя

u - средняя скорость ветра

α - угол наклона линейного источника относительно системы отсчета

c и d - стандартное отклонение горизонтального и вертикального направлений ветра (измеряется в радианах) соответственно.

Это уравнение было интегрировано в решение в закрытой форме с использованием функции ошибок (erf), и изменения геометрии могут быть выполнены для включения полной бесконечной линии, линейного сегмента, возвышенной линии или дуги, сделанной из сегментов. В любом случае можно рассчитать трехмерные контуры результирующих концентраций загрязняющих веществ в воздухе и использовать математическую модель для изучения альтернативных конструкций проезжей части, различных допущений о наихудших метеорологических условиях или различных условий движения (например, вариации в составе грузовиков, средства контроля выбросов парком или скорость автомобиля).

Исследовательская группа ESL также расширила свою модель, представив концепцию площадного источника вертикальной полосы для имитации зоны смешения на шоссе, создаваемой турбулентностью транспортного средства . Эта модель также была проверена в 1971 году и показала хорошую корреляцию с данными полевых испытаний.

Примеры применения модели [ править ]

Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части также выполняется для извилистых дорог - скоростное шоссе Север-Юг, Малайзия.

Было несколько ранних применений модели в несколько драматических случаях. В 1971 году Арлингтонская коалиция по транспорту (ACT) была истцом в иске против Комиссии по автомагистралям Вирджинии по поводу продления межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния , подав иск в федеральный окружной суд . Модель ESL использовалась для проведения расчетов качества воздуха вблизи планируемой автомагистрали. ACT выиграла это дело после решения Апелляционного суда четвертого округа США. Особое внимание суд уделил экспертным расчетам и показаниям истца, согласно которым уровни качества воздуха будут нарушать федеральные стандарты качества атмосферного воздуха, изложенные вЗакон о чистом воздухе .

Второй спорный случай произошел в Восточном Брансуике, штат Нью-Джерси, где администрация магистрали Нью-Джерси планировала значительное расширение магистрали. Снова модель рассеивания воздуха на проезжей части использовалась для прогнозирования уровней загрязнения воздуха в жилых домах, школах и парках возле автомагистрали. После первоначального слушания в Высшем суде, на котором были изложены результаты модели ESL, судья приказал властям магистрали провести переговоры с истцом, «Обеспокоенными гражданами Восточного Брансуика» и разработать меры по смягчению последствий для качества воздуха. Власть магистрали наняла ERT в качестве своего эксперта, и две исследовательские группы договорились об урегулировании этого дела с использованием недавно созданных моделей рассеивания воздуха на проезжей части.

Более свежие усовершенствования модели [ править ]

Модель CALINE3 представляет собой стационарную модель гауссовой дисперсии, предназначенную для определения концентраций загрязнения воздуха в местах расположения приемников с подветренной стороны от автомагистралей, расположенных на относительно несложной местности. CALINE3 включен в более сложные модели CAL3QHC и CAL3QHCR. CALINE3 широко используется из-за его удобного для пользователя характера и продвижения в правительственных кругах, но он не позволяет проанализировать сложность случаев, рассматриваемых в исходной модели Hogan-Venti. Модели CAL3QHC и CAL3QHCR доступны на языке программирования Fortran . У них есть возможности для моделирования твердых частиц или угарного газа , а также алгоритмы для моделирования движения в очереди на сигнальных перекрестках [1] .

Кроме того, было разработано несколько более поздних моделей, в которых используются алгоритмы лагранжевой затяжки нестационарного состояния. HYROAD дисперсионная модель была разработана через Национальной программу Cooperative Highway Research «s проекта 25-06 , включающую ДОРОЖНЫЕ-2 модель затяжку и алгоритмы стационарного плюмова (Rao и др., 2002) [ мертвая ссылка ] .

TRAQSIM модель была разработана в 2004 году в рамках кандидатской диссертации при поддержке со стороны Министерства транспорта США «s Вольпе Национальный центр Транспортные системы качества воздуха Facility. Модель включает динамическое поведение транспортного средства с нестационарным алгоритмом затяжки Гаусса. В отличие от HYROAD, TRAQSIM объединяет моделирование трафика, посекундные модальные выбросы и гауссову дисперсию затяжки в полностью интегрированную систему (истинное моделирование), которая моделирует отдельные транспортные средства как отдельные движущиеся источники. TRAQSIM был разработан как модель следующего поколения, которая должна стать преемником текущих нормативных моделей CALINE3 и CAL3QHC. Следующим шагом в разработке TRAQSIM является включение методов моделирования рассеивания твердых частиц (PM) и опасных загрязнителей воздуха (HAP).

Было разработано несколько моделей, которые учитывают сложную городскую метеорологию, возникающую в результате городских каньонов и конфигураций шоссе. Самая ранняя разработка такой модели (1968-1970) была разработана Управлением по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США совместно с Нью-Йорком. [8] Модель была успешно применена к скоростной автомагистрали Спадина в Торонто Джеком Фенстерстоком из Департамента воздушных ресурсов города Нью-Йорка. [9] [10] Другие примеры включают в себя научно - исследовательский центр Turner Фэрбенка шоссе «s [11] модель Canyon Plume Box, [12] теперь в версии 3 (CPB-3), Национальный институт экологических исследованийДатской модели оперативного загрязнения улиц (OSPM) и модели MICRO-CALGRID , которая включает фотохимию, позволяющую моделировать как первичные, так и вторичные виды. Модель CTAG Корнельского университета , которая разрешает турбулентность, вызванную транспортным средством (VIT), турбулентность, вызванную дорогой (RIT) , [13], химическое преобразование и динамику аэрозолей загрязнителей воздуха с использованием моделей потока, реагирующего на турбулентность. Модель CTAG также применялась для характеристики окружающей среды при строительстве автомагистралей и изучения влияния растительных барьеров на загрязнение воздуха вблизи дорог.

Недавние обращения в суд [ править ]

Недавняя медицинская литература, указывающая на то, что жители, проживающие вблизи основных дорог, сталкиваются с повышенным риском некоторых неблагоприятных последствий для здоровья, вызвала юридический спор об ответственности транспортных агентств за использование моделей рассеивания воздуха на проезжей части дороги для характеристики воздействия новых и расширенных дорог, автобусных терминалов, остановок грузовиков и другие источники.

Недавно Sierra Club of Nevada подал в суд на Министерство транспорта Невады и Федеральное управление шоссейных дорог за неспособность оценить влияние расширения американского шоссе 95 в Лас-Вегасе на качество воздуха в окрестностях. [2] Sierra Club утверждает, что необходимо выпустить дополнительное Заявление о воздействии на окружающую среду для решения проблемы выбросов опасных загрязнителей воздуха и твердых частиц от движения новых автомобилей. Истцы утверждали, что инструменты моделирования были доступны, в том числе Агентство по охране окружающей среды.модель MOBILE6.2, модель дисперсии CALINE3 и другие соответствующие модели. Ответчики выиграли дело в Окружном суде США при судье Филиппе Про, который постановил, что транспортные агентства действовали в манере, которая не была «произвольной и капризной», несмотря на технические аргументы агентств относительно отсутствия доступных инструментов моделирования, которым противоречит количество рецензируемых исследований, опубликованных в научных журналах (например, Korenstein and Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). При подаче апелляции в Девятый округ США Апелляционный суд приостановил строительство нового шоссе до вынесения окончательного решения. Sierra Club и ответчики урегулировали вопрос во внесудебном порядке, учредив программу исследования воздействия на качество воздуха трассы 95 США на близлежащие школы.

Ряд других громких дел побудили экологические группы призвать к использованию моделирования рассеивания для оценки воздействия новых транспортных проектов на качество воздуха на близлежащие населенные пункты, но на сегодняшний день транспортные агентства штата и Федеральное управление автомобильных дорог заявили, что никаких инструментов нет. доступны, несмотря на то, что модели и инструкции доступны в Центре поддержки нормативных моделей воздуха (SCRAM) Агентства по охране окружающей среды (EPA). [3]

Среди наиболее спорных случаев - Детройтский интермодальный грузовой терминал и Детройт-Ривер Интернэшнл Кроссинг (Мичиган, США), а также расширение межштатной автомагистрали 70 East в Денвере (Колорадо, США).

Во всех этих случаях общественные организации утверждали, что инструменты моделирования доступны, но агентства по планированию перевозок утверждали, что на всех этапах существует слишком большая неопределенность. Основной проблемой для общественных организаций было нежелание транспортных агентств определять уровень неопределенности, с которым они готовы мириться, при анализе качества воздуха, как это соотносится с рекомендациями Агентства по охране окружающей среды по моделям качества воздуха, в которых учитывается неопределенность. и точность в использовании модели. [4]

См. Также [ править ]

  • Терминология рассеивания загрязнения воздуха
  • Моделирование атмосферной дисперсии
  • Библиография моделирования атмосферной дисперсии
  • Линейный источник
  • Список моделей атмосферной дисперсии
  • Точечный источник (загрязнение)
  • Объемный источник (загрязнение)

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Тернер, ДБ (1994). Рабочая тетрадь оценок атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). CRC Press. ISBN 978-1-56670-023-8. www.crcpress.com Архивировано 5 ноября 2007 г. на Wayback Machine.
  2. ^ Beychok, MR (2005). Основы диспергирования дымовых газов (4-е изд.). авторская публикация. ISBN 978-0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com. Архивировано 16 декабря 2014 г. в Wayback Machine.
  3. ^ CH Bosanquet и JL Pearson, "Распространение дыма и газов из дымоходов", Пер. Faraday Soc., 32: 1249, 1936.
  4. ^ OG Sutton, "Теоретическое распределение переносимых по воздуху загрязнений из заводских дымоходов", QJRMS, 73: 426, 1947
  5. ^ GA Briggs, Модель подъема плюма в сравнении с наблюдениями , JAPCA, 15: 433-438, 1965.
  6. ^ Майкл Хоган, Теоретические основы атмосферной диффузии из линейного источника , ESL Inc. , Лаборатория экологических систем, публикация IR-29, Саннивейл, Калифорния, 4 мая 1968 г.
  7. ^ Ричард Дж. Венти, Модели атмосферной диффузии для дорожных источников , ESL Inc., Лаборатория экологических систем, публикация ET-22, Саннивейл, Калифорния, 5 октября 1970 г.
  8. ^ Fensterstock, JCдр «Снижение потенциала загрязнения воздуха через экологическое планирование», Жапка, Vol.21, № 7, 1971.
  9. ^ Глобус и почта, 1971-01-21, Джеймс Маккензи, «Загрязнение Прогнозируемая хуже НьюЙорка», Торонто.
  10. ^ Глобус и почта, 1971-01-22, Джеймс Маккензи, «Окись уровень безопасности на настоящем Spadina, эксперт говорит АБУ», Торонто.
  11. ↑ Turner-Fairbank Highway Research Center. Архивировано 18 декабря 2010 г. в Wayback Machine.
  12. ^ Canyon Plume Box модель архивации 27 мая 2010, в Wayback Machine
  13. ↑ Y. Wang и Zhang, KM, «Моделирование качества воздуха у дороги с использованием модели вычислительной гидродинамики (CFD)», ES&T, 43: 7778-7783, 2009

Внешние ссылки [ править ]

  • Центр поддержки EPA для регулирующего атмосферного моделирования
  • Предпочтительные / рекомендуемые модели EPA
  • Группа моделирования качества воздуха EPA (AQMG)
  • Моделирование дисперсии в воздухе в Curlie
  • Справочная библиотека EPA по оценке риска токсичных веществ в воздухе (ATRA)