Моделирование распространения выбросов от автодорог.

Введение

Моделирование рассеивания загрязняющих веществ вблизи дорог – это изучение переноса загрязняющих веществ воздуха от дорог или других линейных источников выбросов. Для проведения такого анализа необходимы компьютерные модели из-за сложности задействованных факторов, включая выбросы транспортных средств, скорость движения, метеорологические условия и рельеф местности. Исследование рассеивания от линейных источников ведется как минимум с 1960-х годов, когда в Соединенных Штатах нормативная база начала требовать количественной оценки последствий загрязнения воздуха от крупных дорожных и аэропортовых проектов. К началу 1970-х годов эта область моделей атмосферного рассеивания применялась к реальным задачам планирования автомагистралей, в том числе и в рамках некоторых спорных судебных разбирательств.

Как работает модель

Основная концепция модели распространения загрязняющих веществ в воздухе вдоль дорог заключается в расчете уровней загрязнения воздуха вблизи автомагистралей и основных дорог, рассматривая их как линейные источники. Модель учитывает характеристики источника, такие как интенсивность движения, скорость транспортных средств, состав грузового транспорта и системы контроля выбросов автопарка; кроме того, принимаются во внимание геометрия дороги, окружающий рельеф и местные метеорологические условия. Например, многие стандарты качества воздуха требуют применения определенных, близких к неблагоприятным, метеорологических условий. Расчеты достаточно сложны, поэтому для получения достоверных результатов необходима компьютерная модель, хотя для предварительной оценки были разработаны методические руководства. В некоторых случаях, когда результаты должны быть подтверждены (например, в судебных разбирательствах), может потребоваться валидация модели на основе данных полевых измерений в конкретной местности; однако, такая проверка обычно не требуется, поскольку лучшие модели прошли широкую валидацию по широкому спектру входных параметров. Результатом расчетов обычно является набор изолиний или контурных линий, отображаемых на плане или в поперечном сечении. Как правило, это концентрации угарного газа, общего количества реакционноспособных углеводородов, оксидов азота, твердых частиц или бензола. Специалист по качеству воздуха может последовательно запускать модель для изучения способов снижения концентрации вредных загрязняющих веществ (например, путем изменения геометрии дороги, регулирования скорости или ограничения использования определенных типов грузовиков). Модель часто используется при подготовке отчета об оценке воздействия на окружающую среду при строительстве новой дороги или изменении землепользования, которое приведет к увеличению транспортного потока.

История

Логическим основополагающим элементом этой теории стало использование гауссовского уравнения рассеивания загрязняющих веществ в воздухе для точечных источников. Одно из первых уравнений рассеивания шлейфов загрязняющих веществ от точечного источника было получено Босанке и Пирсоном в 1936 году. Их уравнение не учитывало эффект отражения шлейфа от земли. Сэр Грэм Саттон вывел уравнение рассеивания шлейфа от точечного источника загрязнения воздуха в 1947 году, которое включало предположение о гауссовском распределении для вертикального и поперечного рассеивания шлейфа, а также учитывало эффект отражения шлейфа от земли. Дальнейшие улучшения были внесены Г.А. Бриггсом в части усовершенствования и валидации модели, а также Д.Б. Тернером.

Хотя математическая модель ESL для линейного источника была завершена к 1970 году, дальнейшее усовершенствование модели привело к созданию «полосатого источника», имитирующего горизонтальное протяжение поверхности дороги. Эта теория стала предшественником моделей рассеивания от площадных источников. Однако их основной задачей было моделирование дорожной ситуации, поэтому они приступили к разработке компьютерной модели, пригласив в команду Леду Патмор, программиста в области атмосферной физики и расчетов траекторий спутников. Рабочая компьютерная модель была создана к концу 1970 года, после чего модель была откалибрована с использованием полевых измерений монооксида углерода, полученных при наблюдении за трафиком на автомагистрали U.S. Route 101 в Саннивейле, Калифорния. Модель ESL получила поддержку от Агентства по охране окружающей среды США (EPA) в виде крупного гранта на валидацию модели с использованием реальных дорожных испытаний по рассеиванию гексафторида серы в качестве трассера. Этот газ был выбран, поскольку он не встречается в природе и не образуется в результате выбросов транспортных средств, что делает его уникальным трассером для подобных исследований рассеивания. Частью мотивов Агентства по охране окружающей среды могло быть предоставление модели в общественное достояние. После успешной валидации исследованиями EPA модель вскоре начала использоваться в различных ситуациях для прогнозирования уровня загрязнения воздуха вблизи дорог. Группа ESL применила модель к проекту объездной дороги U.S. Route 101 в Кловердейле, штат Калифорния, к расширению межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния, к расширению автомагистрали Нью-Джерси через Рэритан и Ист-Брансуик, штат Нью-Джерси, и к нескольким транспортным проектам в Бостоне в рамках обзора планирования транспорта Бостона. К началу 1970-х годов было известно, что по крайней мере две другие исследовательские группы активно разрабатывали модели рассеивания воздуха на дорогах: группа экологических исследований и технологий в Лексингтоне, штат Массачусетс, и штаб-квартира Caltrans в Сакраменто, штат Калифорния. Caltrans позаимствовала некоторые технологии у группы ESL Inc., поскольку Caltrans финансировала часть ранних работ по применению модели в Кловердейле и других местах и получила права на использование частей их модели.

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.

Примеры применения модели

Было несколько ранних применений модели в довольно драматических случаях. В 1971 году Арлингтонская коалиция по транспорту (ACT) выступила истцом в деле против Комиссии по шоссейным дорогам штата Вирджиния в связи с продлением межштатной автомагистрали 66 через Арлингтон, штат Вирджиния, подав иск в федеральный окружной суд. Модель ESL была использована для расчетов качества воздуха в районе планируемой автомагистрали. ACT выиграла это дело после решения Апелляционного суда Четвертого округа США. Суд обратил особое внимание на экспертные расчеты и показания истца, которые прогнозировали, что уровни качества воздуха не будут соответствовать федеральным стандартам качества атмосферного воздуха, установленным Законом о чистом воздухе. Второй спорный случай произошел в Ист-Брансуике, штат Нью-Джерси, где Управление платных автомагистралей Нью-Джерси планировало значительное расширение автомагистрали. Снова модель рассеивания загрязняющих веществ вблизи дорог была использована для прогнозирования уровней загрязнения воздуха вблизи жилых домов, школ и парков. После предварительного слушания в Высшем суде, на котором были представлены результаты модели ESL, судья обязал Управление платных автомагистралей провести переговоры с истцом, "Озабоченными гражданами Ист-Брансуика", и разработать меры по смягчению негативного воздействия на качество воздуха. Управление платных автомагистралей наняло ERT в качестве своего эксперта, и две исследовательские группы пришли к соглашению об урегулировании этого дела, используя вновь разработанные модели рассеивания загрязняющих веществ вблизи дорог.

Недавние усовершенствования модели

Модель CALINE3 представляет собой модель гауссовской дисперсии в стационарном состоянии, предназначенную для определения концентраций загрязнения воздуха в точках приёма, расположенных подветренно от автомагистралей, находящихся в относительно простой местности. CALINE3 включена в более сложные модели CAL3QHC и CAL3QHCR. CALINE3 широко используется благодаря удобству работы и поддержке со стороны государственных органов, однако она не позволяет анализировать сложность случаев, рассматриваемых оригинальной моделью Хогана Венти. Модели CAL3QHC и CAL3QHCR доступны на языке программирования Fortran. Они позволяют моделировать как твердые частицы, так и монооксид углерода и включают алгоритмы для моделирования транспортных потоков в очередях на перекрестках с регулируемым движением. Кроме того, было разработано несколько более поздних моделей, использующих алгоритмы лагранжевых пучков в нестационарном состоянии. Модель дисперсии HYROAD была разработана в рамках проекта 25-06 Национальной кооперативной программы исследований автомагистралей, включающей алгоритмы пучков и стационарных шлейфов модели ROADWAY 2 (Rao et al., 2002). Модель TRAQSIM была разработана в 2004 году в рамках диссертации на соискание ученой степени доктора философии при поддержке Управления по качеству воздуха Национального транспортного центра систем Министерства транспорта США Volpe. Модель учитывает динамическое поведение транспортных средств с использованием нестационарного алгоритма гауссовского пучка. В отличие от HYROAD, TRAQSIM объединяет моделирование транспортного потока, выбросы по модальности с секундной детализацией и дисперсию гауссовского пучка в полностью интегрированную систему (фактическое моделирование), которая моделирует отдельные транспортные средства как дискретные движущиеся источники. TRAQSIM была разработана как модель следующего поколения, призванная заменить действующие нормативные модели CALINE3 и CAL3QHC. Следующим шагом в разработке TRAQSIM является внедрение методов моделирования дисперсии твердых частиц (PM) и опасных загрязняющих веществ воздуха (HAP). Разработано несколько моделей, способных учитывать сложную городскую метеорологию, возникающую в городских каньонах и при различных конфигурациях автомагистралей. Самая ранняя разработка такой модели (1968-1970 гг.) была проведена Управлением по контролю за загрязнением воздуха Агентства по охране окружающей среды США совместно с городом Нью-Йорк. Модель была успешно применена к автомагистрали Spadina Expressway в Торонто Джеком Фенстерстоком из Департамента воздушных ресурсов города Нью-Йорк. Другие примеры включают модель "Каньонный шлейф-коробка" исследовательского центра Turner Fairbank Highway Research Center, в настоящее время в версии 3 (CPB 3), модель "Оперативная модель загрязнения улиц" (OSPM) Национального института исследований окружающей среды Дании и модель MICRO CALGRID, которая включает фотохимию, позволяющую моделировать как первичные, так и вторичные загрязнители. Модель CTAG Корнелльского университета, которая разрешает турбулентность, индуцированную транспортными средствами (VIT), турбулентность, индуцированную дорогами (RIT), химические превращения и динамику аэрозолей загрязняющих веществ воздуха с использованием моделей турбулентного реагирующего потока. Модель CTAG также применяется для характеристики окружающей среды автомагистралей и изучения влияния растительных барьеров на загрязнение воздуха вблизи дорог.

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.

Недавние заявления в судебных делах

Недавние публикации в области здравоохранения, указывающие на повышенный риск неблагоприятных последствий для здоровья у жителей, проживающих вблизи крупных автомагистралей, спровоцировали судебные разбирательства относительно ответственности транспортных ведомств за использование моделей рассеивания загрязняющих веществ в воздухе для оценки воздействия новых и расширенных дорог, автобусных станций, стоянок для грузовиков и других источников. Недавно Клуб Сьерра штата Невада подал в суд на Департамент транспорта Невады и Федеральное управление автомобильных дорог за отказ оценить влияние расширения трассы 95 США в Лас-Вегасе на качество воздуха в близлежащих районах. Клуб Сьерра заявил о необходимости подготовки дополнительного отчета об оценке воздействия на окружающую среду для учета выбросов опасных загрязняющих веществ и твердых частиц от нового автомобильного трафика. Истцы утверждали, что существуют инструменты моделирования, включая модель MOBILE6.2 Агентства по охране окружающей среды, модель рассеивания CALINE3 и другие соответствующие модели. Ответчики выиграли в Окружном суде США под председательством судьи Филипа Про, который постановил, что транспортные ведомства действовали не "произвольно и прихотливо", несмотря на то, что технические аргументы ведомств об отсутствии доступных инструментов моделирования противоречили ряду рецензируемых исследований, опубликованных в научных журналах (например, Korenstein и Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). Апелляционная инстанция в Девятом апелляционном округе США приостановила новое строительство на автомагистрали до вынесения окончательного решения судом. Клуб Сьерра и ответчики урегулировали дело во внесудебном порядке, учредив исследовательскую программу по изучению влияния трассы 95 США на качество воздуха в близлежащих школах. Ряд других резонансных дел побудил экологические организации призвать к использованию моделей рассеивания для оценки воздействия новых транспортных проектов на качество воздуха в близлежащих населенных пунктах, однако на сегодняшний день государственные транспортные ведомства и Федеральное управление автомобильных дорог утверждают об отсутствии необходимых инструментов, несмотря на наличие моделей и рекомендаций, доступных через Центр поддержки регуляторных моделей воздуха EPA (SCRAM). Среди наиболее спорных дел – Детройтский интермодальный грузовой терминал и Международный переход через реку Детройт (штат Мичиган, США) и расширение межштатной автомагистрали 70 East в Денвере (штат Колорадо, США). Во всех этих случаях общественные организации утверждали о доступности инструментов моделирования, в то время как агентства по планированию транспорта заявляли о чрезмерной неопределенности на всех этапах. Важной проблемой для общественных организаций является нежелание транспортных ведомств определять уровень неопределенности, который они готовы допустить при анализе качества воздуха, и сопоставлять его с рекомендациями Агентства по охране окружающей среды по моделям качества воздуха, которые рассматривают вопросы неопределенности и точности при использовании моделей.

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.