Моделирование дисперсии воздуха на дороге — это исследование переноса загрязняющих веществ в воздухе с дороги или другого линейного источника. Для проведения этого анализа требуются компьютерные модели из-за сложных переменных, включая выбросы транспортных средств , скорость транспортного средства, метеорологию и геометрию рельефа местности . Дисперсия линейного источника изучается по крайней мере с 1960-х годов, когда нормативная база в Соединенных Штатах начала требовать количественного анализа последствий загрязнения воздуха крупными проектами по строительству дорог и аэропортов. К началу 1970-х годов этот подмножество моделей атмосферной дисперсии применялось к реальным случаям планирования автомагистралей, включая даже некоторые спорные судебные дела.
Основная концепция модели рассеивания воздуха на дороге заключается в расчете уровней загрязняющих веществ в воздухе вблизи шоссе или магистральных дорог, рассматривая их как линейные источники. Модель учитывает такие характеристики источника, как объем трафика, скорость транспортных средств, состав грузовиков и контроль выбросов автопарка; кроме того, рассматриваются геометрия дороги, окружающая местность и местная метеорология. Например, многие стандарты качества воздуха требуют применения определенных метеорологических условий, близких к наихудшим.
Расчеты достаточно сложны, поэтому для получения авторитетных результатов необходима компьютерная модель , хотя в качестве методов скрининга были разработаны руководства в виде рабочих тетрадей. В некоторых случаях, когда результаты должны быть реферированы (например, в судебных делах), может потребоваться проверка модели с использованием данных полевых испытаний в местных условиях; этот шаг обычно не оправдан, поскольку лучшие модели были тщательно проверены по широкому спектру переменных входных данных.
Результатом расчетов обычно является набор изоплет или нанесенных на карту контурных линий либо в плане , либо в поперечном сечении . 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 концентраций неблагоприятных загрязняющих веществ в воздухе (например, путем перепроектирования геометрии проезжей части, изменения контроля скорости или ограничения определенных типов грузовиков). Модель часто используется в Заявлении о воздействии на окружающую среду, включающем крупное новое дорожное полотно или изменение землепользования, которое вызовет новое движение транспортных средств.
Логическим строительным блоком для этой теории было использование уравнения дисперсии гауссовского загрязняющего воздуха для точечных источников . [1] [2] Одно из ранних уравнений дисперсии шлейфа загрязняющего воздуха с точечным источником было выведено Босанкетом и Пирсоном [3] в 1936 году. Их уравнение не включало эффект отражения загрязняющего воздуха от земли. Сэр Грэм Саттон вывел уравнение дисперсии шлейфа загрязняющего воздуха с точечным источником в 1947 году [4] , которое включало предположение о гауссовом распределении для вертикальной и поперечной дисперсии шлейфа, а также рассматривало эффект отражения шлейфа от земли. Дальнейшие успехи были достигнуты GA Briggs [5] в уточнении и проверке модели и DB Turner [1] за его удобную для пользователя рабочую книгу, которая включала расчеты скрининга, не требующие компьютера.
Осознав необходимость разработки модели линейного источника для изучения загрязнения воздуха на дорогах, Майкл Хоган и Ричард Венти в серии публикаций разработали решение в замкнутой форме для интегрирования уравнения точечного источника. [6] [7]
В то время как математическая модель ESL была завершена для линейного источника к 1970 году, уточнение модели привело к «полосовому источнику», имитирующему горизонтальную протяженность поверхности дороги. Эта теория стала предшественником моделей рассеивания площадных источников . Но их внимание было сосредоточено на моделировании дороги, поэтому они приступили к разработке компьютерной модели , добавив в команду Леду Патмор, программиста в области физики атмосферы и расчета траектории спутников. Рабочая компьютерная модель была создана к концу 1970 года; затем модель была откалибрована с помощью измерений поля оксида углерода, направленных на движение на шоссе US Route 101 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 трассирующего газа гексафторида серы . Этот газ был выбран, поскольку он не встречается в природе или в выбросах транспортных средств и является уникальным трассером для таких исследований дисперсии. Частью мотивов Агентства по охране окружающей среды, возможно, было сделать модель общедоступной . После успешной проверки в ходе исследований EPA модель вскоре была использована в различных условиях для прогнозирования уровней загрязнения воздуха вблизи дорог. Группа ESL применила модель к проекту объездной дороги US Route 101 в Кловердейле, Калифорния , расширению межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, Вирджиния , расширению платной автомагистрали Нью-Джерси через Раритан и Ист-Брансуик, Нью-Джерси , и нескольким транспортным проектам в Бостоне для Boston Transportation Planning Review.
К началу 1970-х годов было известно, что по крайней мере две другие исследовательские группы активно разрабатывали некую модель рассеивания воздуха на дорогах: группа исследований и технологий в области окружающей среды в Лексингтоне, Массачусетс , и штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, Калифорния . Модель Caline от Caltrans заимствовала часть технологий у группы ESL Inc., поскольку Caltrans финансировала некоторые ранние работы по применению модели в Кловердейле и других местах и получила права на использование частей своей модели.
Полученное решение для бесконечного линейного источника имеет вид:
где:
x — расстояние от наблюдателя до проезжей части
y — высота наблюдателя
u — средняя скорость ветра
α — угол наклона источника линии относительно системы отсчета
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 изменения в геометрии могут быть выполнены, чтобы включить полную бесконечную линию, сегмент линии, возвышенную линию или дугу, сделанную из сегментов. В любом случае можно рассчитать трехмерные контуры результирующих концентраций загрязняющих веществ в воздухе и использовать математическую модель для изучения альтернативных конструкций дорог, различных предположений о наихудших метеорологических условиях или изменяющихся условиях движения (например, изменения в составе грузовиков, контроле выбросов парка или скорости транспортного средства).
Исследовательская группа ESL также расширила свою модель, введя концепцию источника области вертикальной полосы для моделирования зоны смешивания на шоссе, создаваемой турбулентностью транспортных средств . Эта модель также была проверена в 1971 году и показала хорошую корреляцию с данными полевых испытаний.
Было несколько ранних применений модели в довольно драматичных случаях. В 1971 году Коалиция по транспорту Арлингтона (ACT) была истцом в иске против Комиссии по шоссейным дорогам Вирджинии по поводу расширения межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния , подав иск в федеральный окружной суд . Модель ESL использовалась для расчета качества воздуха в непосредственной близости от предлагаемой автомагистрали. ACT выиграла это дело после решения Апелляционного суда четвертого округа США. Суд уделил особое внимание экспертным расчетам и показаниям истца, прогнозировавшего, что уровни качества воздуха будут нарушать федеральные стандарты качества окружающего воздуха, изложенные в Законе о чистом воздухе .
Второе спорное дело имело место в Ист-Брансуике, штат Нью-Джерси , где Управление магистрали Нью-Джерси планировало крупное расширение магистрали. И снова модель рассеивания воздуха на дороге была использована для прогнозирования уровней загрязнения воздуха для жилых домов, школ и парков вблизи магистрали. После первоначального слушания в Высшем суде, где были изложены результаты модели ESL, судья приказал Управлению магистрали провести переговоры с истцом, Concerned Citizens of East Brunswick, и разработать меры по снижению качества воздуха для устранения неблагоприятных последствий. Управление магистрали наняло ERT в качестве своего эксперта, и две исследовательские группы договорились об урегулировании этого дела с использованием недавно созданных моделей рассеивания воздуха на дороге.
Модель CALINE3 представляет собой модель гауссовой дисперсии со стационарным состоянием, разработанную для определения концентраций загрязнения воздуха в точках приема по направлению ветра от автомагистралей, расположенных на относительно несложной местности. CALINE3 включена в более сложные модели CAL3QHC и CAL3QHCR. CALINE3 широко используется благодаря своей удобной для пользователя природе и продвижению в правительственных кругах, но она не позволяет проанализировать сложность случаев, рассматриваемых оригинальной моделью Хогана-Венти. Модели CAL3QHC и CAL3QHCR доступны на языке программирования Fortran . Они имеют опции для моделирования как твердых частиц, так и оксида углерода и включают алгоритмы для моделирования очередей на регулируемых перекрестках [1].
Кроме того, было разработано несколько более поздних моделей, которые используют алгоритмы нестационарного Лагранжева порыва. Модель дисперсии HYROAD была разработана в рамках проекта 25-06 Национальной кооперативной программы исследований автомагистралей , включающего алгоритмы порыва и стационарного шлейфа модели ROADWAY-2 (Rao et al., 2002) [ мертвая ссылка ] .
Модель TRAQSIM была разработана в 2004 году как часть докторской диссертации при поддержке Центра качества воздуха Национального транспортного центра Вольпе Министерства транспорта США . Модель включает динамическое поведение транспортного средства с алгоритмом нестационарного гауссовского дыма. В отличие от HYROAD, TRAQSIM объединяет моделирование дорожного движения, посекундные модальные выбросы и дисперсию гауссовского дыма в полностью интегрированную систему (настоящую симуляцию), которая моделирует отдельные транспортные средства как дискретные движущиеся источники. TRAQSIM была разработана как модель следующего поколения, которая должна стать преемницей текущих нормативных моделей CALINE3 и CAL3QHC. Следующим шагом в разработке TRAQSIM является включение методов моделирования дисперсии твердых частиц (ТЧ) и опасных загрязнителей воздуха (ОЗВ).
Было разработано несколько моделей, которые обрабатывают сложную городскую метеорологию , возникающую из-за городских каньонов и конфигураций автомагистралей. Самая ранняя такая разработка 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 на скоростной автомагистрали Спадина в Торонто Джеком Фенстерстоком из Департамента воздушных ресурсов города Нью-Йорка. [9] [10] Другие примеры включают [11] модель Canyon Plume Box Исследовательского центра шоссе Тернера-Фэрбанка , [12] в настоящее время в версии 3 (CPB-3), модель эксплуатационного уличного загрязнения (OSPM) Национального института экологических исследований Дании и модель MICRO-CALGRID, которая включает фотохимию, позволяя моделировать как первичные, так и вторичные виды. Модель CTAG Корнелльского университета , которая решает турбулентность, вызванную транспортными средствами (VIT), турбулентность, вызванную дорогой (RIT), [13] химическую трансформацию и динамику аэрозолей загрязняющих веществ в воздухе с использованием моделей потока, реагирующего на турбулентность. Модель CTAG также применялась для характеристики среды строительства автомагистралей и изучения влияния растительных барьеров на загрязнение воздуха вблизи дорог.
Недавние публикации в медицинской литературе, свидетельствующие о том, что жители, проживающие вблизи крупных автомагистралей, сталкиваются с повышенным уровнем ряда неблагоприятных последствий для здоровья, стали причиной правового спора об ответственности транспортных агентств за использование моделей рассеивания загрязняющих веществ в воздухе на дорогах для характеристики воздействия новых и расширенных автомагистралей, автобусных вокзалов, стоянок для грузовиков и других источников.
Недавно Sierra Club of Nevada подал в суд на Департамент транспорта Невады и Федеральное управление шоссейных дорог за неспособность оценить влияние расширения US Route 95 в Лас-Вегасе на качество воздуха в окрестностях.[2] Sierra Club утверждал, что необходимо выпустить дополнительное Заявление о воздействии на окружающую среду для решения проблемы выбросов опасных загрязняющих веществ в воздух и твердых частиц от нового движения автотранспортных средств. Истцы утверждали, что были доступны инструменты моделирования, включая модель MOBILE6.2 Агентства по охране окружающей среды , модель дисперсии CALINE3 и другие соответствующие модели. Ответчики выиграли в Окружном суде США под руководством судьи Филиппа Про, который постановил, что транспортные агентства действовали таким образом, который не был «произвольным и капризным», несмотря на то, что технические аргументы агентств относительно отсутствия доступных инструментов моделирования противоречили ряду рецензируемых исследований, опубликованных в научных журналах (например, Korenstein and Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). По апелляции в Девятый округ США Апелляционный суд приостановил новое строительство на шоссе до вынесения окончательного решения суда. Sierra Club и ответчики урегулировали спор вне суда, создав исследовательскую программу по влиянию на качество воздуха трассы US Route 95 на близлежащие школы.
Ряд других громких случаев побудили экологические группы призвать к использованию дисперсионного моделирования для оценки воздействия новых транспортных проектов на качество воздуха в близлежащих населенных пунктах, однако на сегодняшний день государственные транспортные агентства и Федеральное управление автомобильных дорог заявляют, что никаких инструментов для этого не существует, несмотря на модели и рекомендации, доступные через Центр поддержки нормативных моделей воздуха Агентства по охране окружающей среды (SCRAM).[3]
Среди наиболее спорных дел — Детройтский интермодальный грузовой терминал и Детройтский речной международный порт (Мичиган, США), а также расширение межштатной автомагистрали 70 Восток 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 много неопределенности. Главной проблемой для общественных организаций было нежелание транспортных агентств определить уровень неопределенности, который они готовы терпеть при анализе качества воздуха, как это соотносится с руководством Агентства по охране окружающей среды по моделям качества воздуха, которое рассматривает неопределенность и точность при использовании моделей.[4]
