Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части

Распыление воздуха на дорогах применяется к сегментам автомагистралей.

Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части представляет собой исследование переноса загрязняющих веществ в воздух с проезжей части или другого линейного источника выбросов. компьютерные модели Для проведения этого анализа необходимы из-за сложных переменных, включая выбросы транспортных средств , скорость транспортного средства, метеорологию и геометрию местности . Распространение линейных источников изучается, по крайней мере, с 1960-х годов, когда нормативная база в Соединенных Штатах начала требовать количественного анализа последствий загрязнения воздуха в результате реализации крупных проектов строительства дорог и аэропортов. К началу 1970-х годов это подмножество моделей атмосферной дисперсии применялось к реальным случаям планирования автомагистралей, включая даже некоторые спорные судебные дела.

Как работает модель

Основная концепция модели рассеивания воздуха на проезжей части заключается в расчете уровней загрязнителей воздуха вблизи автомагистрали или магистральной дороги, рассматривая их как линейные источники. Модель учитывает характеристики источника, такие как интенсивность движения, скорость транспортных средств, состав грузовых автомобилей и контроль выбросов автопарка; кроме того, учитываются геометрия проезжей части, окружающая местность и местная метеорология. Например, многие стандарты качества воздуха требуют применения определенных метеорологических условий, близких к наихудшим.

Расчеты достаточно сложны, поэтому для получения достоверных результатов необходима компьютерная модель , хотя в качестве методов проверки были разработаны руководства в виде рабочих тетрадей. В некоторых случаях, когда результаты должны быть проверены (например, в юридических делах), может потребоваться проверка модели с использованием данных полевых испытаний в местных условиях; этот шаг обычно не оправдан, поскольку лучшие модели были тщательно проверены на широком спектре переменных входных данных.

Результатом вычислений обычно является набор изоплет или нанесенных на карту горизонталей либо в виде сверху , либо в разрезе . Обычно они могут быть указаны как концентрации монооксида углерода , общего количества реакционноспособных углеводородов , оксидов азота , твердых частиц или бензола . Специалист по качеству воздуха может последовательно запускать модель, чтобы изучить методы снижения вредных концентраций загрязнителей воздуха (например, путем изменения геометрии проезжей части, изменения контроля скорости или ограничения движения определенных типов грузовиков). Модель часто используется в Заявлении о воздействии на окружающую среду, касающемся строительства новой крупной дороги или изменения в землепользовании, которое приведет к появлению новых транспортных средств.

История

Логическим строительным блоком этой теории было использование гауссовского загрязнителей воздуха уравнения дисперсии для точечных источников . ^[1]^[2] Одно из первых уравнений дисперсии шлейфа загрязнителей воздуха из точечных источников было получено Бозанкетом и Пирсоном. ^[3] в 1936 году. Их уравнение не учитывало эффект отражения шлейфа загрязняющих веществ от земли. Сэр Грэм Саттон в 1947 году вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязнителей воздуха из точечного источника. ^[4] который включал предположение о гауссовском распределении вертикального и бокового рассеяния шлейфа, а также учитывал эффект отражения шлейфа от земли. Дальнейшие достижения были сделаны Г. А. Бриггсом. ^[5] в уточнении и проверке модели, Д.Б. Тернер ^[1] за его удобную для пользователя рабочую тетрадь, включающую скрининговые расчеты, не требующие компьютера.

Видя необходимость разработки модели линейного источника для изучения загрязнения воздуха на дорогах,Майкл Хоган и Ричард Венти разработали решение в замкнутой форме для интегрирования уравнения точечного источника в серии публикаций. ^[6]^[7]

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

Хотя ESL математическая модель для линейного источника была завершена к 1970 году, усовершенствование модели привело к созданию «полосового источника», имитирующего горизонтальную протяженность поверхности проезжей части. Эта теория станет предшественником моделей дисперсии площадных источников . Но их целью было моделирование дорог, поэтому они приступили к разработке компьютерной модели , присоединив к команде Леду Патмор, программиста в области физики атмосферы и расчета траекторий спутников. К концу 1970 года была создана рабочая модель компьютера; затем модель была откалибрована с использованием полевых измерений угарного газа, ориентированных на движение транспорта на шоссе 101 США в Саннивейле, Калифорния .

Модель ESL получила одобрение Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в виде крупного гранта для проверки модели с использованием реальных дорожных испытаний дисперсии индикаторного газа гексафторида серы . Этот газ был выбран, поскольку он не встречается в природе или в выбросах транспортных средств и является уникальным индикатором для таких исследований дисперсии. Частично Агентство по охране окружающей среды, возможно, стремилось сделать модель достоянием общественности . После успешной проверки в ходе исследования Агентства по охране окружающей среды модель вскоре была использована в различных условиях для прогнозирования уровней загрязнения воздуха вблизи дорог. Группа ESL применила эту модель к американскому проекту объездной дороги 101 в Кловердейле, штат Калифорния , к расширению межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния , к расширению магистрали Нью-Джерси через Раритан и Ист-Брансуик, штат Нью-Джерси , а также к нескольким транспортным проектам в Бостоне. для обзора планирования транспорта в Бостоне.

К началу 1970-х годов было известно, что по крайней мере две другие исследовательские группы активно разрабатывали модели рассеивания воздуха на проезжей части: группа экологических исследований и технологий в Лексингтоне, штат Массачусетс , и штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, Калифорния . Модель Caltrans Caline заимствовала часть технологий у группы ESL Inc., поскольку Caltrans финансировала некоторые работы по применению ранних моделей в Кловердейле и других местах и получила права на использование частей своей модели.

Теория

Итоговое решение для бесконечного линейного источника:

$\chi \ =\int _{0}^{\infty }{\frac {q}{\pi \left(ucdx^{2}\right)\left(cos\alpha \ \right)}}\left(\exp {\frac {y^{2}}{2c^{2}x^{2}}}\right)dx$

где:

x — расстояние от наблюдателя до проезжей части

y - высота наблюдателя

u - средняя скорость ветра

α — угол наклона линейного источника относительно системы отсчёта.

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

Это уравнение было интегрировано в решение в замкнутой форме с использованием функции ошибок (erf), и можно выполнять изменения геометрии, включая полную бесконечную линию, сегмент линии, приподнятую линию или дугу, состоящую из сегментов. В любом случае можно рассчитать трехмерные контуры результирующих концентраций загрязнителей воздуха и использовать математическую модель для изучения альтернативных конструкций дорог, различных предположений о наихудших метеорологических условиях или изменяющихся условиях дорожного движения (например, изменения в составе грузовых автомобилей, контроль выбросов автопарка, или скорость автомобиля).

Исследовательская группа ESL также расширила свою модель, представив концепцию источника площади в виде вертикальной полосы для имитации зоны смешивания на шоссе, создаваемой турбулентностью транспортных средств . Эта модель также была проверена в 1971 году и показала хорошую корреляцию с данными полевых испытаний.

Примеры применения модели

Моделирование рассеяния воздуха на дорогах также выполняется для криволинейных дорог — скоростной автомагистрали Север-Юг, Малайзия.

Было несколько ранних применений этой модели в весьма драматических случаях. В 1971 году Арлингтонская коалиция по транспорту (ACT) выступила истцом в иске против Комиссии по шоссейным дорогам Вирджинии по поводу продления межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния , подав иск в федеральный окружной суд . Модель ESL использовалась для расчета качества воздуха в районе предлагаемой автомагистрали. ACT выиграла это дело после решения Апелляционного суда четвертого округа США. Суд обратил особое внимание на экспертные расчеты и показания истца, согласно которым уровень качества воздуха будет нарушать федеральные стандарты качества окружающего воздуха, изложенные в Законе о чистом воздухе .

Второй спорный случай произошел в Ист-Брансуике, штат Нью-Джерси , где Управление магистрали Нью-Джерси планировало серьезно расширить магистраль. Модель рассеивания воздуха на проезжей части снова была использована для прогнозирования уровней загрязнения воздуха в жилых домах, школах и парках возле магистрали. После первоначального слушания в Верховном суде, на котором были изложены результаты модели ESL, судья приказал Управлению магистрали провести переговоры с истцом, организацией «Обеспокоенные граждане Восточного Брансуика», и разработать меры по снижению качества воздуха для устранения неблагоприятных последствий. Управление магистрали наняло ERT в качестве эксперта, и две исследовательские группы договорились об урегулировании этого дела, используя недавно созданные модели рассеивания воздуха на дорогах.

Более поздние усовершенствования модели

Модель CALINE3 представляет собой модель устойчивой гауссовой дисперсии, предназначенную для определения концентрации загрязнения воздуха в местах расположения рецепторов 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 анализировать сложность случаев, рассматриваемых исходной моделью Хогана-Венти. Модели CAL3QHC и CAL3QHCR доступны на языке программирования Фортран . У них есть варианты моделирования твердых частиц или угарного газа , а также алгоритмы для моделирования очередей на регулируемых перекрестках [1] .

Кроме того, было разработано несколько более поздних моделей, в которых используются нестационарные алгоритмы лагранжевой затяжки. Модель дисперсии HYROAD была разработана в рамках совместных исследований автомобильных дорог Национальной программы проекта 25-06 и включает в себя алгоритмы затяжки модели ROADWAY-2 и стационарного шлейфа (Rao et al., 2002). ^{[ мертвая ссылка ]}.

Модель TRAQSIM была разработана в 2004 году в рамках докторской диссертации при поддержке транспорта США Министерства Национального центра транспортных систем Вольпе Центра качества воздуха . Модель включает динамическое поведение транспортного средства с нестационарным алгоритмом гауссовой затяжки. В отличие от HYROAD, TRAQSIM объединяет моделирование дорожного движения, посекундные модальные выбросы и гауссову дисперсию затяжек в полностью интегрированную систему (настоящее моделирование), которая моделирует отдельные транспортные средства как дискретные источники движения. TRAQSIM был разработан как модель следующего поколения, которая должна стать преемницей текущих моделей регулирования CALINE3 и CAL3QHC. Следующим шагом в разработке TRAQSIM является внедрение методов моделирования рассеяния твердых частиц (ТЧ) и опасных загрязнителей воздуха (HAP).

Было разработано несколько моделей, которые обрабатывают сложную городскую метеорологию , возникающую в результате городских каньонов и конфигурации шоссе. Самая ранняя такая модель была разработана (1968-1970 гг.) Управлением по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США совместно с городом Нью-Йорком. ^[8] Модель была успешно применена на скоростной автомагистрали Спадина в Торонто Джеком Фенстерстоком из Департамента воздушных ресурсов Нью-Йорка. ^[9]^[10] Другие примеры включают Центр дорожных исследований Тернера-Фэрбенка . ^[11] Модель Canyon Plume Box, ^[12] теперь в версии 3 (CPB-3), Национального института экологических исследований Дании Операционной модели уличного загрязнения (OSPM) и модели MICRO-CALGRID , которая включает фотохимию, позволяющую моделировать как первичные, так и вторичные виды. Корнелльского университета Модель CTAG , которая учитывает турбулентность, вызванную транспортными средствами (VIT), турбулентность, вызванную дорогой (RIT) . ^[13] химическое преобразование и аэрозольная динамика загрязнителей воздуха с использованием моделей потока, реагирующего на турбулентность. Модель CTAG также применялась для характеристики среды строительства автомагистралей и изучения влияния растительных барьеров на загрязнение воздуха в придорожной зоне.

Недавние заявления в судебных делах

Недавняя медицинская литература, показывающая, что жители вблизи основных дорог сталкиваются с повышенным уровнем некоторых неблагоприятных последствий для здоровья, вызвала юридический спор по поводу ответственности транспортных агентств за использование моделей рассеивания воздуха на дорогах для характеристики воздействия новых и расширенных дорог, автобусных терминалов, стоянок грузовиков и т. д. другие источники.

Недавно Сьерра-клуб Невады подал в суд на Министерство транспорта Невады и Федеральное управление шоссейных дорог из-за того, что оно не смогло оценить влияние расширения шоссе 95 США в Лас-Вегасе на качество воздуха в окрестностях. [2] Клуб Сьерра заявил, что необходимо выпустить дополнительное заявление о воздействии на окружающую среду для решения проблем выбросов опасных загрязнителей воздуха и твердых частиц от движения новых автомобилей. Истцы утверждали, что были доступны инструменты моделирования, в том числе модель MOBILE6.2 Агентства по охране окружающей среды , модель дисперсии CALINE3 и другие соответствующие модели. Ответчики выиграли дело в Окружном суде США под председательством судьи Филипа Про, который постановил, что транспортные агентства действовали не «произвольно и капризно», несмотря на то, что технические аргументы агентств относительно отсутствия доступных инструментов моделирования опровергаются ряд рецензируемых исследований, опубликованных в научных журналах (например, Korenstein and Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). По обращению в Девятый округ США , Апелляционный суд приостановил новое строительство на шоссе до принятия окончательного решения суда. Клуб Сьерра и ответчики урегулировали спор во внесудебном порядке, создав исследовательскую программу по влиянию качества воздуха шоссе 95 США на близлежащие школы.

Ряд других громких случаев побудили экологические группы призвать к использованию дисперсионного моделирования для оценки воздействия новых транспортных проектов на качество воздуха на близлежащие населенные пункты, но на сегодняшний день государственные транспортные агентства и Федеральное управление автомобильных дорог заявляют, что никаких инструментов не существует. доступны, несмотря на модели и рекомендации, доступные в Центре поддержки нормативных моделей авиации (SCRAM) Агентства по охране окружающей среды. [3]

Среди наиболее спорных случаев — интермодальный грузовой терминал Детройта и международный переход через реку Детройт (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 транспортному планированию утверждали, что на всех этапах существует слишком большая неопределенность. Серьезную озабоченность общественных организаций вызывает нежелание транспортных агентств определять уровень неопределенности, который они готовы терпеть при анализе качества воздуха, по сравнению с рекомендациями Агентства по охране окружающей среды по моделям качества воздуха, в которых рассматривается неопределенность. и точность использования модели. [4]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Тернер, Д.Б. (1994). Справочник по оценкам атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-1-56670-023-8 . www.crcpress.com Архивировано 5 ноября 2007 г. в Wayback Machine.
^ Бейчок, М.Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. ISBN 978-0-9644588-0-2 . www.air-dispersion.com Архивировано 16 декабря 2014 г. в Wayback Machine.
^ CH Bosanquet и JL Pearson, «Распространение дыма и газов из дымоходов», Trans. Фарадей Соц., 32:1249, 1936 г.
^ О.Г. Саттон, «Теоретическое распределение загрязнения воздуха из фабричных дымоходов», QJRMS, 73:426, 1947.
^ Г. А. Бриггс, Модель подъема шлейфа по сравнению с наблюдениями , JAPCA, 15: 433-438, 1965.
^ Майкл Хоган, Теоретическая основа атмосферной диффузии от линейного источника , ESL Inc. , Лаборатория экологических систем, Публикация IR-29, Саннивейл, Калифорния, 4 мая 1968 г.
^ Ричард Дж. Венти, Модели атмосферной диффузии для источников на дорогах , ESL Inc., Лаборатория экологических систем, Публикация ET-22, Саннивейл, Калифорния, 5 октября 1970 г.
^ Фенстерсток, Дж. К. и др., «Снижение потенциального загрязнения воздуха посредством экологического планирования», JAPCA, Том 21, № 7, 1971.
^ The Globe and Mail, 21 января 1971 г., Джеймс Маккензи, «Загрязнение, по прогнозам, будет хуже, чем в Нью-Йорке», Торонто.
^ The Globe and Mail, 22 января 1971 г., Джеймс Маккензи, «Уровень монооксида безопасен в нынешней Спадине, сообщает эксперт OMB», Торонто.
^ Исследовательский центр шоссе Тернер-Фэрбенк. Архивировано 18 декабря 2010 г., в Wayback Machine.
^ Модель Canyon Plume Box. Архивировано 27 мая 2010 г., в Wayback Machine.
^ Ю. Ван и Чжан, К.М., «Моделирование качества воздуха вблизи дорог с использованием модели вычислительной гидродинамики (CFD)», ES&T, 43:7778-7783, 2009 г.

Внешние ссылки

[Turner-1] Перейти обратно: ^а ^б Тернер, Д.Б. (1994). Справочник по оценкам атмосферной дисперсии: введение в моделирование дисперсии (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-1-56670-023-8 . www.crcpress.com Архивировано 5 ноября 2007 г. в Wayback Machine.

[2] Бейчок, М.Р. (2005). Основы рассеивания дымовых газов (4-е изд.). опубликовано автором. 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», Trans. Фарадей Соц., 32:1249, 1936 г.

[4] О.Г. Саттон, «Теоретическое распределение загрязнения воздуха из фабричных дымоходов», QJRMS, 73:426, 1947.

[5] Г. А. Бриггс, Модель подъема шлейфа по сравнению с наблюдениями , JAPCA, 15: 433-438, 1965.

[6] Майкл Хоган, Теоретическая основа атмосферной диффузии от линейного источника , ESL Inc. , Лаборатория экологических систем, Публикация IR-29, Саннивейл, Калифорния, 4 мая 1968 г.

[7] Ричард Дж. Венти, Модели атмосферной диффузии для источников на дорогах , ESL Inc., Лаборатория экологических систем, Публикация ET-22, Саннивейл, Калифорния, 5 октября 1970 г.

[8] Фенстерсток, Дж. К. и др., «Снижение потенциального загрязнения воздуха посредством экологического планирования», JAPCA, Том 21, № 7, 1971.

[9] The Globe and Mail, 21 января 1971 г., Джеймс Маккензи, «Загрязнение, по прогнозам, будет хуже, чем в Нью-Йорке», Торонто.

[10] The Globe and Mail, 22 января 1971 г., Джеймс Маккензи, «Уровень монооксида безопасен в нынешней Спадине, сообщает эксперт OMB», Торонто.

[11] Исследовательский центр шоссе Тернер-Фэрбенк. Архивировано 18 декабря 2010 г., в Wayback Machine.

[12] Модель Canyon Plume Box. Архивировано 27 мая 2010 г., в Wayback Machine.

[13] Ю. Ван и Чжан, К.М., «Моделирование качества воздуха вблизи дорог с использованием модели вычислительной гидродинамики (CFD)», ES&T, 43:7778-7783, 2009 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

v т и Загрязнение
История
Воздух	Кислотный дождь Индекс качества воздуха Моделирование атмосферной дисперсии Хлорфторуглерод Горение Биотопливо Биомасса бумага Джосса Открытое сжигание отходов Строительство Ремонт Снос Выхлопной газ Дизельный выхлоп Туман Дым Качество воздуха в помещении Двигатель внутреннего сгорания Глобальное затемнение Глобальная дистилляция Горное дело Разрушение озона Частицы Асбест Металлообработка Нефтепереработка Древесная пыль Сварка Стойкие органические загрязнители Плавка Smog Аэрозоль Сажа Черный углерод Летучее органическое соединение Напрасно тратить
Биологический	Биологическая опасность Генетическое загрязнение Интродуцированные виды Инвазивные виды
Цифровой	Информационное загрязнение
Электромагнитный	Свет Экологическое световое загрязнение Переосвещенность Загрязнение радиоспектра
Естественный	Озон Радий и радон в окружающей среде Вулканический пепел Лесной пожар
Шум	Транспорт Земля Вода Воздух Железнодорожный Устойчивый транспорт Городской Сонар Морские млекопитающие и гидролокатор Промышленный Военный Абстрактный Контроль шума
Радиация	Актиниды Биоремедиация Ядерное деление Ядерные осадки Плутоний Отравление Радиоактивность Уран Электромагнитное излучение и здоровье Радиоактивные отходы
Земля	Сельскохозяйственное загрязнение Гербициды Навозные отходы Пестициды Деградация земель Биоремедиация Открытая дефекация Электрический резистивный нагрев Ориентировочные значения почвы Фиторемедиация
Твердые отходы	Рекламная почта Биоразлагаемые отходы Коричневые отходы Электронные отходы Утилизация аккумуляторов Контейнер для пищевых продуктов из пенопласта Пищевые отходы Зеленые отходы Опасные отходы Биомедицинские отходы Химические отходы Строительные отходы Отравление свинцом Отравление ртутью Токсичные отходы Промышленные отходы Выплавка свинца Мусор Горное дело Добыча угля Добыча золота Открытая добыча полезных ископаемых Глубоководная добыча полезных ископаемых Отходы горнодобывающей промышленности Добыча урана Твердые бытовые отходы Мусор Наноматериалы Пластиковое загрязнение Микропластик Отходы упаковки Постпотребительские отходы Управление отходами Свалка Термическая обработка
Космос	Спутник
Визуальный	Воздушное путешествие Беспорядок (реклама) Дорожные знаки Воздушные линии электропередачи Вандализм
Война	Химическая война Гербицидная война ( Агент Оранж ) Ядерный холокост ( Ядерные осадки – ядерный голод – ядерная зима ) Выжженная земля Неразорвавшиеся боеприпасы Война и экологическое право
Вода	Сельскохозяйственные сточные воды Биологическое загрязнение Болезни Эвтрофикация Огненная вода Пресноводный Подземные воды Гипоксия Промышленные сточные воды Морской обломки Мониторинг Неточечный источник загрязнения Загрязнение питательными веществами Закисление океана Добыча нефти Разведка нефти Разлив нефти Фармацевтика Сточные воды Септики Выгребная яма Перевозки Застой Серная вода Поверхностный сток Термальный Мутность Городской сток Качество воды
Темы	Загрязнители Тяжелые металлы Краска Здоровье мозга и загрязнение окружающей среды
Разное	Источник площади Обломки Пыль Гарбология Унаследованное загрязнение Середина Источник точки Напрасно тратить
Ответы	Чистое производство Промышленная экология Гипотеза о загрязнении окружающей среды Реестр выбросов и переноса загрязняющих веществ Принцип «загрязнитель платит» Контроль загрязнения Минимизация отходов Ноль отходов
Списки	Болезни Закон по стране Самые загрязненные города Наименее загрязненные города по PM _2,5 Самые загрязненные страны Договоры
Категории ( по странам ) Коммонс Окружающая среда WikiProject ВикиПроект Экология Экологический портал Экологический портал