Жолдық ластану көздерінің таралуын зерттеу

Кіріспе

Жол бойындағы ауа ластағыштарының тасымалын зерттеу

Жол бойындағы ауаның таралуын модельдеу – жол немесе басқа да сызықтық шығару көздерінен ауа ластағыштарының тасымалын зерттеу болып табылады. Бұл талдауды жүргізу үшін компьютерлік модельдер қажет, себебі оған көлік құралдарының шығарындылары, жылдамдығы, метеорологиялық жағдайлар және жер бедері сияқты күрделі факторлар қатысады. Сызықтық көзден таралу 1960 жылдардың басынан бері зерттеле бастады, сол кезде АҚШ-тағы нормативтік құқықтық база ірі жолдар мен әуежай жобаларының ауа ластануының сандық талдауын талап ете бастады. 1970 жылдардың басына қарай атмосфералық таралу модельдерінің бұл тобы автомобиль жолдарын жоспарлаудың нақты жағдайларында, тіпті кейбір даулы сот істерінде де қолданыла бастады.

Модель қалай жұмыс істейді

Жол бойындағы ауа таралу моделінің негізгі ұғымы – автомобиль жолының немесе магистральдың жанындағы ауа ластағыштарының деңгейін оларды сызықтық көздер ретінде қарастыра отырып есептеу болып табылады. Модель көлік ағынының көлемі, көліктердің жылдамдығы, жүк көліктерінің үлесі және автопарктің шығарындыларын бақылау сияқты көздердің сипаттамаларын ескереді; сонымен қатар жолдың геометриясы, айналағы жер бедері және жергілікті метеорологиялық жағдайлар да қарастырылады. Мысалы, ауа сапасының көптеген стандарттарында белгілі бір нашар метеорологиялық жағдайлар қолданылуы талап етіледі. Есептеулердің күрделілігі компьютерлік модельді қажет етеді, өйткені ғалымдар нақты нәтижелерге қол жеткізе алады, бірақ бастапқы бағалау үшін нұсқаулықтар да жасалған. Нәтижелерді растау қажет болған жағдайларда (мысалы, сот ісінде) жергілікті жағдайдағы сынақ деректерімен модельді тексеру қажет болуы мүмкін; бірақ, ең жақсы модельдер кең ауқымды деректермен расталғандықтан, мұндай қадам көбінесе қажет болмайды. Есептеулердің нәтижесі әдетте, жоспар немесе көлденең қима түріндегі изоплеттер немесе контурлық сызықтар жиынтығы болып табылады. Бұл көбінесе көміртек монооксиді, жалпы реактивті көмірсутектер, азот оксидтері, бөлшектер немесе бензол концентрациялары түрінде көрсетіледі. Ауа сапасы маманы ауа ластағыштарының зиянды концентрациясын азайту тәсілдерін зерттеу үшін модельді бірнеше рет іске қоса алады (мысалы, жол геометриясын өзгерту, жылдамдық режимін реттеу немесе жүк көліктерінің белгілі бір түрлерін шектеу арқылы). Модель көбінесе жаңа жол салуға немесе жер пайдалануды өзгертуге байланысты қозғалыстың артуына себеп болатын экологиялық салдарын бағалау есебінде қолданылады.

Тарих

Бұл теорияның логикалық негізін нүктелік көздер үшін Гаусс ауа ластағыштарының таралу теңдеуін қолдану құрады. 1936 жылы Босанке мен Пирсон жасаған алғашқы нүктелік көздердегі ауа ластағыштарының таралу теңдеулерінің бірі. Олардың теңдеуі ластағыш қалыбының жерге шағылу әсерін қамтымады. Сэр Грэм Саттон 1947 жылы нүктелік көздер үшін ауа ластағыштарының таралу теңдеуін жасады, онда қалыптың тік және көлденең желдің таралуы үшін Гаусс таралуының болжамы және қалыптың жер бетінде шағылу әсері қарастырылды. Г.А. Бриггс модельді жетілдіру және тексеруде, ал Д.Б. Тернер қосымша жетістіктерге қол жеткізді. 1970 жылға қарай ESL математикалық моделі жол көзі үшін аяқталды, бірақ модельді жетілдіру нәтижесінде «жолақты көз» пайда болды, ол жол бетінің көлденең өлшемдерін имитациялады. Бұл теория аумақтық көздердің таралу модельдерінің алдағысы болды. Бірақ олардың назары жолдарды модельдеуге аударылды, сондықтан олар командаға атмосфералық физика және спутниктік траекторияларды есептеу саласындағы компьютер бағдарламашысы Леда Патморды қосып, компьютерлік модельді әзірлеуге кірісті. 1970 жылдың соңында жұмыс істейтін компьютерлік модель жасалды, содан кейін модель Калифорния штаты Саннивейл қаласындағы АҚШ 101 тас жолындағы қозғалыстан алынған көміртек монооксидінің өлшемдерімен калибрленді. ESL моделі АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінен (EPA) трассировкалық газ – күкірт гексафторидінің таралуын жол сынақтары арқылы тексеруге арналған маңызды грант түрінде мақұлдау алды. Бұл газ табиғатта немесе көлік құралдарының шығарындыларында кездеспейтіндіктен таңдалды және мұндай таралу зерттеулері үшін бірегей маркер болып табылады. Агенттіктің мақсаты модельді жалпыға қолжетімді ету болуы мүмкін. EPA зерттеулері арқылы сәтті тексерілгеннен кейін модель көп ұзамай жолдардың жанындағы ауаның ластану деңгейін болжау үшін әртүрлі жағдайларда қолданылды. ESL тобы модельді АҚШ 101 тас жолының Кловердейлдегі айналма жобасына, Вирджиния штаты Арлингтон арқылы 66-шы қалааралық жолды кеңейтуге, Нью-Джерси штаты Рэритан және Ист-Брансуик арқылы Нью-Джерси айналма жолын кеңейтуге және Бостон көлік жоспарлауын тексеру үшін Бостон қаласындағы бірнеше көлік жобаларына қолданды. 1970 жылдардың басында кем дегенде екі зерттеу тобы жол бойындағы ауа таралу моделін белсенді түрде әзірлеп жатқаны белгілі болды: Массачусетс штаты Лексингтон қаласындағы Қоршаған ортаны зерттеу және технология тобы және Калифорния штаты Сакраментодағы Caltrans штаб-пәтері. Caltrans компаниясының Caline моделі ESL Inc. тобынан технологияны қарыз алды, өйткені Caltrans Кловердейл және басқа да жерлердегі модельді қолдану жұмыстарының бір бөлігін қаржыландырды және олардың моделінің бөліктерін пайдалану құқығына ие болды.

The logical building block for this theory was the use of the Gaussian air pollutant dispersion equation for point sources. One of the early point source air pollutant plume dispersion equations was derived by Bosanquet and Pearson in 1936. Their equation did not include the effect of ground reflection of the pollutant plume. Sir Graham Sutton derived a point source air pollutant plume dispersion equation in 1947 which included the assumption of Gaussian distribution for the vertical and crosswind dispersion of the plume and also addressed the effect of ground reflection of the plume. Further advances were made by G. A. Briggs in model refinement and validation and by D. B. Turner

While the ESL mathematical model was completed for a line source by 1970, model refinement resulted in a “strip source”, emulating the horizontal extent of the roadway surface. This theory would be the precursor of area source dispersion models. But their focus was roadway simulation, so they proceeded with the development of a computer model by adding to the team Leda Patmore, a computer programmer in the field of atmospheric physics and satellite trajectory calculations. A working computer model was produced by late 1970; then the model was calibrated with carbon monoxide field measurements targeting from traffic on U. S. Route 101 in Sunnyvale, California. The ESL model received endorsement from the U. S. Environmental Protection Agency (EPA) in the form of a major grant to validate the model using actual roadway tests of tracer gas sulfur hexafluoride dispersion. That gas was chosen since it does not occur naturally or in vehicular emissions and provides a unique tracer for such dispersion studies. Part of the Environmental Protection Agency’s motives may have been to bring the model into public domain. After a successful validation through the EPA research, the model was soon put to use in a variety of settings to forecast air pollution levels in the vicinity of roadways. The ESL group applied the model to the U. S. Route 101 bypass project in Cloverdale, California, the extension of Interstate 66 through Arlington, Virginia, the widening of the New Jersey Turnpike through Raritan and East Brunswick, New Jersey, and several transportation projects in Boston for the Boston Transportation Planning Review. By the early 1970s at least two other research groups were known to be actively developing some type to roadway air dispersion model: the Environmental Research and Technology group of Lexington, Massachusetts and Caltrans headquarters in Sacramento, California. The Caline model of Caltrans borrowed some of the technology from the ESL Inc. group, since Caltrans funded some of the early model application work in Cloverdale and other locations and was given rights to use parts of their model.

Үлгінің үлгілік қолданулары

Модельдің бастапқы қолданылуының бірнеше мысалы болды, олар кейбір маңызды жағдайларда қолданылды. 1971 жылы Арлингтон көлік коалициясы (ACT) Вирджиния штатындағы Арлингтон қаласы арқылы 66-шы қалааралық тас жолын кеңейтуге қатысты Вирджиния тас жолы комиссиясына қарсы сотқа шағымданушы болды және федералды аудандық сотқа талап арыз берді. ESL моделі жоспарланған тас жолдың жанындағы ауа сапасын есептеу үшін пайдаланылды. ACT АҚШ-тың төртінші апелляциялық сотының шешімімен бұл істі жеңді. Сот талапкердің сарапшыларының есептері мен куәліктеріне ерекше назар бөлді, олар ауа сапасының деңгейі Таза ауа туралы заңда белгіленген федералдық қоршаған орта ауа сапасы стандарттарын бұзады деп болжады. Екінші даулы жағдай Нью-Джерси штатындағы Шығыс Брансуик қаласында болды, онда Нью-Джерси автокөлік жолы басқармасы автокөлік жолын кеңейтуді жоспарлады. Тас жол бойындағы ауа таралу моделі тағы да автокөлік жолының жанындағы тұрғын үйлер, мектептер және саябақтардағы ауаның ластану деңгейін болжау үшін қолданылды. Жоғары сотта ESL моделінің нәтижелері ұсынылғаннан кейін судья автокөлік жолы басқармасына Шығыс Брансуиктің қамқор азаматтарымен келіссөздер жүргізуді және зиянды әсерлерді азайту үшін ауа сапасын жақсарту шараларын әзірлеуді бұйырды. Автокөлік жолы басқармасы ERT компаниясын сарапшы ретінде тартты, және екі зерттеу тобы жаңадан құрылған тас жол бойындағы ауа таралу модельдерін пайдалана отырып, осы мәселені шешу үшін келіссөздер жүргізді.

Модельдің соңғы жетілдірілуі

CALINE3 моделі – ауаның ластану концентрацияларын анықтауға арналған тұрақты күйдегі Гаусс таралу моделі. CALINE3 модельдері күрделірек CAL3QHC және CAL3QHCR модельдеріне біріктірілген. CALINE3 пайдаланушыға ыңғайлы және мемлекеттік органдарда қолдау тапқандықтан кеңінен қолданылады, бірақ ол бастапқы Хоган Венти моделінде қарастырылған жағдайлардың күрделілігін талдау мүмкіндігінен кем. CAL3QHC және CAL3QHCR модельдері Fortran бағдарламалау тілінде қолжетімді. Олар бөлшектік заттарды немесе көміртек монооксидін модельдеуге мүмкіндік береді және сигналдық қиылыстардағы көлік тілімін симуляциялау алгоритмдерін қамтиды. Сонымен қатар, тұрақты емес Лагранждық бұлт алгоритмдерін қолданатын бірнеше жаңа модельдер әзірленді. HYROAD таралу моделі Ұлттық көлік жолдары зерттеу бағдарламасының 25-06 жобасы аясында әзірленді, ол ROADWAY 2 моделінің бұлтты және тұрақты күйдегі қалампа алгоритмдерін қамтиды (Rao et al., 2002). TRAQSIM моделі 2004 жылы Ph.D диссертациясының бөлігі ретінде, АҚШ Көлік министрлігінің Volpe Ұлттық көлік жүйелері орталығының Ауа сапасы мекемесінің қолдауымен әзірленді. Модельде тұрақты емес Гаусс бұлт алгоритмімен динамикалық көлік мінез-құлқы қарастырылған. HYROAD-тан айырмашылығы, TRAQSIM көлік қозғалысын симуляциялауды, секунд сайынғы эмиссияларды және Гаусс бұлт таралуын толық интеграцияланған жүйеге (нағыз симуляция) біріктіреді, ол жеке көліктерді дискретті қозғалатын көздер ретінде модельдейді. TRAQSIM қазіргі CALINE3 және CAL3QHC реттеуші модельдерінің ізбасары болатын келесі буын моделі ретінде әзірленді. TRAQSIM-ді әзірлеудегі келесі қадам – бөлшектік заттардың (PM) және қауіпті ауа ластаушы заттардың (HAP) таралуын модельдеу әдістерін енгізу. Қалалық каньондар мен автомобиль жолдары конфигурациясынан туындайтын күрделі қалалық метеорологияны басқаратын бірнеше модельдер әзірленді. Мұндай ең алғашқы модельді әзірлеу (1968-1970) АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің (EPA) Ауаның ластануын бақылау кеңсесі Нью-Йорк қаласымен бірлесіп жасаған. Бұл модельді Нью-Йорк қаласының ауа ресурстары департаментінің Джек Фенстерсток Торонтодағы Spadina Expressway-де сәтті қолданды. Басқа мысалдарға Тернер Фэрбанк тас жолы зерттеу орталығының Canyon Plume Box моделі (қазір 3-ші нұсқада – CPB 3), Данияның Ұлттық экологиялық зерттеу институтының Операциялық көше ластану моделі (OSPM) және фотохимияны қамтитын MICRO CALGRID моделі, бірінші және екінші реттік түрлерді модельдеуге мүмкіндік береді. Корнелл университетінің CTAG моделі, турбулентті реакциялы ағынды модельдерді пайдалана отырып, көлік құралынан туындаған турбуленттілік (VIT), жолдан туындаған турбуленттілік (RIT), ауа ластаушы заттардың химиялық трансформациясы және аэрозоль динамикасын шешеді. CTAG моделі сондай-ақ автомобиль жолдарының құрылыс ортасын сипаттау және жол маңындағы ауаның ластануына өсімдік кедергілерінің әсерін зерттеу үшін қолданылды.

The CALINE3 model is a steady state Gaussian dispersion model designed to determine air pollution concentrations at receptor locations downwind of highways located in relatively uncomplicated terrain. CALINE3 is incorporated into the more elaborate CAL3QHC and CAL3QHCR models. CALINE3 is in widespread use due to its user friendly nature and promotion in governmental circles, but it falls short of analyzing the complexity of cases addressed by the original Hogan Venti model. CAL3QHC and CAL3QHCR models are available in the Fortran programming language. They have options to model either particulate matter or carbon monoxide, and include algorithms to simulate queued traffic at signalized intersections
In addition, several more recent models have been developed that employ non steady state Lagrangian puff algorithms. The HYROAD dispersion model has been developed through the National Cooperative Highway Research Program's Project 25 06, incorporating ROADWAY 2 model puff and steady state plume algorithms (Rao et al., 2002). The TRAQSIM model was developed in 2004 as part of a Ph. D dissertation with support by the U. S. Department of Transportation's Volpe National Transportation Systems Center Air Quality Facility. The model incorporates dynamic vehicle behavior with a non steady state Gaussian puff algorithm. Unlike HYROAD, TRAQSIM combines traffic simulation, second by second modal emissions, and Gaussian puff dispersion into a fully integrated system (a true simulation) that models individual vehicles as discrete moving sources. TRAQSIM was developed as a next generation model to be the successor to the current CALINE3 and CAL3QHC regulatory models. The next step in the development of TRAQSIM is to incorporate methods to model the dispersion of particulate matter (PM) and hazardous air pollutants (HAPs). Several models have been developed that handle complex urban meteorology resulting from urban canyons and highway configurations. The earliest such model development (1968 1970) was by the Air Pollution Control Office of the U. S. EPA in conjunction with New York City. The model was successfully applied to the Spadina Expressway in Toronto by Jack Fensterstock of the New York City Department of Air Resources,. Other examples include the Turner Fairbank Highway Research Center's Canyon Plume Box model, now in version 3 (CPB 3), the National Environmental Research Institute of Denmark's Operational Street Pollution Model (OSPM), and the MICRO CALGRID model, which includes photochemistry, allowing for both primary and secondary species to be modeled. Cornell University's CTAG model, which resolves vehicle induced turbulence (VIT), road induced turbulence (RIT), chemical transformation and aerosol dynamics of air pollutants using turbulence reacting flow models. The CTAG model has also been applied to characterize highway building environments and study effects of vegetation barriers on near road air pollution.

Сот істеріндегі соңғы өтініштер

Соңғы уақыттағы денсаулық сақтау әдебиеттерінде негізгі жолдарға жақын тұрғындар бірнеше жағымсыз денсаулық салдарының жоғары деңгейіне тап болғандығы көрсетілді. Бұл, жаңа және кеңейтілген жолдардың, автобус терминалдарының, жүк көліктерінің аялдамаларының және басқа да көздердің әсерін сипаттау үшін жолдағы ауаның таралу моделдерін пайдалану жөніндегі көлік агенттіктерінің жауапкершілігі туралы заңдық дауға себеп болды. Жақында Невада штатының "Сьерра клубы" Невада көлік департаменті мен Федералдық тас жолдар басқармасын сотқа берді. "Сьерра клубы" жаңа автокөлік қозғалысынан шығатын қауіпті ауа ластаушы заттары мен бөлшектердің шығарындыларын ескеру үшін қосымша экологиялық әсерді бағалау есебін жасау қажет деп мәлімдеді. Арыз берушілер модельдеу құралдарының бар екенін, оның ішінде АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің MOBILE6.2 моделі, CALINE3 таралу моделі және басқа да тиісті модельдердің қолданылуы мүмкін екенін көрсетті. Сотталушылар АҚШ аудандық сотында жеңіске жетті, судья Филип Про көлік агенттіктерінің әрекеттері "еріксіз және ойсыз" болмағанын мәлімдеді. Агенттіктердің қолданылуға болатын модельдеу құралдарының жоқтығы туралы техникалық аргументтері ғылыми журналдарда жарияланған көптеген сарапшылар тарапынан тексерілген зерттеулерге қайшы келді (мысалы, Korenstein және Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). АҚШ 9-шы апелляциялық округіне шағым жасалғанда, апелляциялық сот соттың соңғы шешімі шыққанға дейін тас жолдағы жаңа құрылысты тоқтатты. "Сьерра клубы" мен сотталушылар соттан тыс келісімге келді, нәтижесінде 95-ші АҚШ тас жолының жақын маңдағы мектептерге тигізетін әсерін зерттеу бағдарламасы құрылды. Басқа да бірқатар маңызды істер экологиялық топтарды жаңа көлік жобаларының жақын маңдағы қауымдастықтарға тигізетін ауа сапасына әсерін бағалау үшін таралу модельдеуін пайдалануға шақырды, бірақ бүгінгі күнге дейін штаттық көлік агенттіктері мен Федералдық тас жолдар басқармасы АҚШ Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің Регламенттық ауа модельдерін қолдау орталығы (SCRAM) арқылы қол жетімді модельдер мен нұсқауларға қарамастан, тиісті құралдар жоқ деп мәлімдеді. Ең даулы істердің қатарында Детройт интермодальдық жүк терминалы және Детройт өзенінің халықаралық өткелі (Мичиган, АҚШ) және Денвердегі (Колорадо, АҚШ) 70-ші тас жолдың шығыс бөлігінің кеңейтілуі бар. Осы істердің барлығында, қоғамдық ұйымдар модельдеу құралдарының бар екенін, бірақ көлік жоспарлау агенттіктері барлық қадамдарда тым көп белгісіздік бар екенін мәлімдеді. Қоғамдық ұйымдар үшін маңызды мәселе - көлік агенттіктерінің ауа сапасын талдау кезінде қандай деңгейдегі белгісіздікті қабылдауға дайын екенін анықтауға құлықсыздығы, және оны Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің ауа сапасы модельдеріне қатысты нұсқауларымен салыстыру, олар модельдерді пайдаланудағы белгісіздік пен дәлдікті қарастырады.

Recent health literature indicating that residents near major roads face elevated rates of several adverse health outcomes has prompted legal dispute over the responsibility of transportation agencies to use roadway air dispersion models to characterize the impacts of new and expanded roadways, bus terminals, truck stops, and other sources. Recently, the Sierra Club of Nevada sued the Nevada Department of Transportation and the Federal Highway Administration over its failure to assess the impact of the expansion of U. S. Route 95 in Las Vegas on neighborhood air quality. The Sierra Club asserted that a supplemental Environmental Impact Statement should be issued to address emissions of hazardous air pollutants and particulate matter from new motor vehicle traffic. The plaintiffs asserted that modeling tools were available, including the Environmental Protection Agency's MOBILE6.2 model, the CALINE3 dispersion model, and other relevant models. The defendants won in the U. S. District Court under Judge Philip Pro, who ruled that the transportation agencies had acted in a manner that was not "arbitrary and capricious," despite the agencies' technical arguments regarding the lack of available modeling tools being contradicted by a number of peer reviewed studies published in scientific journals (e. g. Korenstein and Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). On appeal to the U. S. Ninth Circuit, the Appeals Court stayed new construction on the highway pending the court's final decision. The Sierra Club and the defendants settled out of court, setting up a research program on the air quality impacts of U. S. Route 95 on nearby schools. A number of other high profile cases have prompted environmental groups to call for dispersion modeling to be used to assess the air quality impacts of new transportation projects on nearby communities, but to date state transportation agencies and the Federal Highways Administration has claimed that no tools are available, despite models and guidance available through EPA's Support Center for Regulatory Air Models (SCRAM). Among the more contentious of cases the Detroit Intermodal Freight Terminal and Detroit River International Crossing (Michigan, USA), and the expansion of Interstate 70 East in Denver (Colorado, USA). In all of these cases, community based organizations have asserted that modeling tools are available, but transportation planning agencies have asserted that too much uncertainty exists in all of the steps. A major concern for community based organizations has been transportation agencies' unwillingness to define the level of uncertainty that they are willing to tolerate in air quality analyses, how that compares to the Environmental Protection Agency's guideline on air quality models, which addresses uncertainty and accuracy in model use.