Войти
сегментов Моделирование атмосферного рассеивания на проезжей части - это исследование переноса загрязнителя воздуха из проезжая часть или другой линейный излучатель. Компьютерные модели необходимы для проведения этого анализа, поскольку задействованы сложные переменные, в том числе выбросы транспортного средства , скорость транспортного средства, метеорология и местность геометрия. Распределение линейных источников изучается по крайней мере с 1960-х годов, когда нормативная база США начала требовать количественного анализа последствий загрязнения воздуха крупными дорогами и проектами аэропортов. К началу 1970-х это подмножество моделей атмосферной дисперсии применялось к реальным случаям планирования шоссе, даже включая некоторые спорные судебные дела.
Основная концепция модели рассеивания воздуха на проезжей части заключается в вычислении уровней загрязнителей воздуха в окрестностях, считая их как линейные источники. 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 тетрадей были разработаны как методы проверки. В некоторых случаях, когда необходимо ссылаться на результаты (например, в судебных делах), может потребоваться проверка модели с данными полевых испытаний в местных условиях; этот шаг обычно не является оправданным, поскольку лучшие модели были тщательно проверены по широкому спектру переменных входных данных.
Результатом вычислений обычно является набор изоплет или нанесенных на карту контурных линий либо на виде в плане, либо в разрезе. Обычно они могут быть указаны как концентрации оксида углерода, общего количества 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, связанном с изменением крупного нового шоссе или землепользования, которое приведет к появлению нового автомобильного движения.
Логическим строительным блоком для этой теории было использование гауссовского уравнения дисперсии загрязнителя воздуха для точечных источников. Одно из первых уравнений дисперсии точечного источника загрязнителя воздуха шлейфа было получено Бозанке и Пирсоном в 1936 году. Их уравнение не учитывало эффект отражения шлейфа загрязняющего вещества от земли. В 1947 году сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязнителя воздуха точечного источника, которое включало предположение о гауссовом распределении для вертикального и бокового ветра дисперсии шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли. Дальнейшие успехи были сделаны Дж. А. Бриггсом в уточнении и проверке моделей, а также Д. Тернеру за его удобную рабочую тетрадь, включающую скрининговые расчеты, не требующие компьютера.
Видя 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.
Источником практически всех выбросов загрязняющих веществ 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», имитирует горизонтальную протяженность дорожного полотна. Эта теория была бы предшественницей моделей рассеивания площадного источника. 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 оксида углерода, нацеленных на движение на США. Маршрут 101 в Саннивейл, Калифорния.
Модель ESL получила одобрение со стороны Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в форме крупного гранта на проверку модели с использованием реальных дорожных испытаний. индикаторного газа дисперсия гексафторида серы. Этот газ был выбран, поскольку он не встречается ни в природе, ни в автомобильных выбросах и является уникальным индикатором для таких исследований рассеивания. Частично мотивация Агентства по охране окружающей среды могла заключаться в том, чтобы сделать модель общественным достоянием. После успешной проверки в рамках исследования EPA модель вскоре была использована в различных условиях для прогнозирования уровней загрязнения воздуха вблизи дорог. Группа ESL применила модель к США. Проект обхода маршрута 101 в Кловердейле, Калифорния, расширение Межгосударственного 66 через Арлингтон, Вирджиния, расширение автомагистрали Нью-Джерси - Раритан и Ист-Брансуик, Нью-Джерси, а также несколько транспортных проектов в Бостоне для обзора планирования перевозок в Бостоне.
К началу 1970-х было известно, что по крайней мере две другие исследовательские группы активно разрабатывают модель рассеивания воздуха на проезжей части дороги: группа экологических исследований и технологий из Лексингтона, Массачусетс и Штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, Калифорния. Модель Caline компании Caltrans позаимствовала некоторые технологии у группы ESL Inc., поскольку Caltrans профинансировал некоторые из первых разработок моделей в Кловердейле и других местах и получил права на использование частей их модели.
Результирующее решение для бесконечного линейного источника:
где:
x - расстояние от наблюдателя до проезжей части
y - высота наблюдателя
u - средняя скорость ветра
α - угол наклона линейного источника относительно к системе 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, вертикальной линии или дуги, состоящей 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 предположений о наихудших метеорологических условиях или различных условий движения (например, изменения состава грузовиков, контроль выбросов автопарка или скорость транспортного средства).
Исследовательская группа ESL также расширила свою модель, представив концепцию площадного источника вертикальной полосы для имитации зоны перемешивания на шоссе, создаваемой транспортным средством турбулентностью. Эта модель также была проверена в 1971 году и показала хорошую корреляцию с данными полевых испытаний.
Моделирование рассеивания воздуха на проезжей части также выполняется для криволинейных дорог - скоростное шоссе Север-Юг, Малайзия Было несколько ранних применений модели в несколько драматических случаях. В 1971 году Арлингтонская коалиция по транспорту (ACT) выступила истцом в иске против Вирджинской дорожной комиссии по продлению межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон., 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. Суд обратил особое внимание на расчеты экспертов истца и показания прогнозирует, что уровень качества воздуха будет нарушать федеральные стандарты качества атмосферного воздуха, как указано в разделе Закон о чистом воздухе.
Второй спорный случай произошел в East Brunswick, Нью-Джерси, где Власть Нью-Джерси Тернпайк планировала значительное расширение магистрали. Снова модель рассеивания воздуха на проезжей части использовалась для прогнозирования уровней загрязнения воздуха в жилых домах, школах и парках вблизи автомагистрали. После первоначального слушания в Верховном суде, на котором были изложены результаты модели ESL, судья приказал властям магистрали провести переговоры с истцом, «Обеспокоенными гражданами Восточного Брансуика» и разработать меры по снижению качества воздуха для устранения неблагоприятных последствий. Власть магистрали наняла ERT в качестве своего эксперта, и две исследовательские группы договорились об урегулировании этого дела, используя недавно созданные модели рассеивания воздуха на проезжей части.
Модель CALINE3 - это стационарная модель гауссовой дисперсии, предназначенная для определения концентраций загрязнения воздуха в местах расположения приемников с подветренной стороны от шоссе, 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 дает возможности проанализировать сложность случаев, рассматриваемых в исходной модели Хогана-Венти. 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 не -стационарные лагранжевые алгоритмы затяжки. Модель рассеивания HYROAD была разработана в рамках проекта проекта 25-06 Национальной совместной программы исследований автомобильных дорог Национальной совместной программы исследований автомобильных дорог, включая модель ROADWAY-2 и устойчивый шлейф. алгоритмы (Rao et al., 2002).
Модель TRAQSIM была разработана в 2004 году как часть докторской диссертации при поддержке США. Департамент транспорта Национальный центр транспортных систем Волпе Центр контроля качества воздуха. 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 (ТЧ) 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. Модель была успешно применена к Скоростной автомагистрали Спадина в Торонто Джеком Фенстерстоком из Департамента воздушных ресурсов города Нью-Йорка. Другие примеры включают модель Canyon Plume Box, созданную Центром исследований шоссе Тернера-Фэрбэнк, теперь в версии 3 (CPB-3), Национальный институт экологических исследований Датской организации Operational Модель загрязнения улиц (OSPM) и модель MICRO-CALGRID, которая включает фотохимию, позволяющую моделировать как первичные, так и вторичные виды. Модель Корнельского университета CTAG, которая разрешает турбулентность, вызванную транспортным средством (VIT), турбулентность, индуцированную дорогой (RIT), химическое преобразование и динамику аэрозолей загрязнителей воздуха с использованием модели потока, реагирующего на турбулентность. Модель CTAG также применялась для характеристики среды строительства шоссе и изучения влияния растительных барьеров на загрязнение воздуха вблизи дороги.
Недавняя медицинская литература, указывающая на то, что жители 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 для характеристики воздействия новых и расширенных дорог, автобусных вокзалов, остановок грузовиков и других источников.
Недавно Sierra Club штата Невада подал в суд на Министерство транспорта Невады и Федеральное управление шоссейных дорог за то, что оно не смогло оценить влияние расширение США Маршрут 95 в Лас-Вегасе по качеству воздуха в районе. [2] Sierra Club утверждает, что необходимо выпустить дополнительное Заявление о воздействии на окружающую среду для решения проблемы выбросов опасных загрязнителей воздуха и твердых частиц. дело от движения новых автомобилей. Истцы утверждали, что инструменты моделирования были доступны, в том числе модель MOBILE6.2 Агентства по охране окружающей среды, модель дисперсии CALINE3 и другие соответствующие модели. Подсудимые 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 обращении в США Девятый округ Апелляционный суд оставил новое строительство на шоссе до вынесения окончательного решения. Sierra Club и ответчики урегулировали вопрос во внесудебном порядке, запустив программу исследования воздействия трассы 95 США на близлежащие школы.
Ряд других громких дел побудили экологические группы призвать к использованию моделирования дисперсии для оценки воздействия новых транспортных проектов на качество воздуха на близлежащие населенные пункты, но на сегодняшний день транспортные агентства штата и федеральные шоссе Администрация заявила, что инструменты недоступны, несмотря на модели и инструкции, доступные через Центр поддержки EPA для нормативных моделей воздуха (SCRAM). [3]
Среди наиболее спорных случаев - Интермодальный грузовой терминал Детройта и Детройт-Ривер Интернэшнл Кроссинг (Мичиган, США) и расширение Автомагистрали между штатами 70 Восток в Денвере (Колорадо, США).
Во всех этих случаях организации на уровне сообществ утверждали, что инструменты моделирования доступны, но агентства по планированию перевозок утверждали, что на всех этапах существует слишком много неопределенности. Серьезной проблемой для общественных организаций было нежелание транспортных агентств определять уровень неопределенности, с которым они готовы мириться при анализе качества воздуха, в сравнении с рекомендациями Агентства по охране окружающей среды в отношении воздуха. модели качества, которые учитывают неопределенность и точность использования модели. [4]
