ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/214 Zdzisław Chłopek 1, Katarzyna Suchocka 2 MODELOWANIE EMISJI I IMISJI FRAKCJI WYMIAROWYCH CZĄSTEK STAŁYCH ZWIĄZANYCH Z RUCHEM SAMOCHODOWYM 1. Wstęp Zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego jest bardzo poważnym problemem współczesnej cywilizacji. Zanieczyszczenia powietrza mogą prowadzić zarówno do zagrożeń o charakterze lokalnym, regionalnym, kontynentalnym, jak i w konsekwencji również o charakterze globalnym. Lokalnie mogą występować takie zjawiska jak smog, degradacja ekosystemów, pogarszanie się jakości powietrza w miastach, zakwaszenie środowiska, globalnie natomiast zanieczyszczenia powietrza przyczyniają się do powstawania zjawiska cieplarnianego oraz zubożenia warstwy ozonowej w stratosferze [16, 2, 21]. Zanieczyszczenia powietrza nie tylko negatywnie oddziałują na środowisko naturalne i cywilizacyjne, ale także mają duży wpływ na zdrowie ludzkie. Dodatkowo ważnym problemem związanym z emisją zanieczyszczeń do powietrza jest transgraniczne przenoszenie ich na bardzo duże odległości. Zanieczyszczenie jest to każda substancja, będąca zarówno w stanie stałym, ciekłym lub gazowym, znajdująca się w środowisku w stężeniu większym od stężenia naturalnego [16, 2, 21]. Zanieczyszczenie powietrza jest zjawiskiem powszechnym, a ilość, rodzaj oraz zasięg oddziaływania zanieczyszczeń jest ogromny. Zanieczyszczenia występujące w powietrzu można podzielić na będące w stanie gazowym (organiczne i nieorganiczne) oraz na zanieczyszczenia pyłowe [16, 21]. Za pył uznaje się fazę rozproszoną układu dwufazowego, na którą składa się ciało stałe zawieszone w gazowej fazie rozpraszającej, tj. mieszanina cząstek stałych zawieszonych w powietrzu [8, 16, 2, 21]. Oddziaływanie cząstek stałych na zdrowie ludzkie oraz na środowisko jest uzależnione od ich składu chemicznego, mineralogicznego, budowy fizycznej i wielkości. Pyły klasyfikuje się ze względu na ich umowne wymiary, które są uzależnione od średniej średnicy aerodynamicznej. Klasyfikacja wygląda następująco [2, 4, 5, 7 9, 16, 2 22]: całkowity pył zawieszony (TSP Total Suspended Particles) pył o średniej średnicy aerodynamicznej ziaren mniejszej niż 3 µm, pył drobny PM1 (PM Particulate Matter) cząstki stałe o średniej średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 1 µm, pył drobny PM2.5 cząstki o średniej średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 2,5 µm, mające rozdrobnienie koloidalne, pył PM1 frakcja pyłów o wymiarze średniej średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 1 µm, pył praktycznie niewidzialny, wyróżniany w badaniach silników spalinowych. 1 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Instytut Pojazdów, Narbutta 84, Warszawa, Polska, zchlopek@simr.pw.edu.pl, tel Mgr inż. Katarzyna Suchocka Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Zakład Ochrony Środowiska i Wykorzystania Energii Naturalnej, Jagiellońska 55, 3-31 Warszawa, Polska, k.suchocka@pimot.eu, tel

2 Zanieczyszczenia występujące w powietrzu atmosferycznym dzieli się na pierwotne i wtórne. Pierwsze z nich wydzielane są przez źródła bezpośrednio do powietrza. Drugie powstają w wyniku reakcji chemicznych, zachodzących w powietrzu pomiędzy pierwotnymi zanieczyszczeniami. Wszystkie zanieczyszczenia, jakie znajdują się w atmosferze, mogą ulegać procesom takim jak przemieszczanie (transport), dyfuzja turbulencyjna, procesy fizyczno-chemiczne zachodzące pomiędzy nimi, suche osiadanie (sucha depozycja), osiadanie w wyniku wymywania przez opady atmosferyczne (mokra depozycja) oraz przemieszczanie do stratosfery [16, 21]. Do opisu zagrożeń wywoływanych przez zanieczyszczenia powietrza warto przedstawić definicje niektórych pojęć takich jak emisja oraz imisja. Emisja zanieczyszczeń jako zjawisko jest rozumiana jako wprowadzanie bezpośrednio do środowiska substancji lub energii (ciepło, hałas, wibracje, pole elektromagnetyczne) [14, 21]. Emisję definiuje się także jako wielkość fizyczną masę substancji wprowadzanej bezpośrednio do środowiska [6, 21]. Imisja natomiast jako wielkość fizyczna jest to stężenie zanieczyszczeń rozproszonych w powietrzu atmosferycznym, mierzone na wysokości 1,5 m nad powierzchnią Ziemi oraz jako zjawisko przyjmowanie zanieczyszczeń przez środowisko. Imisja jest zatem miarą stopnia zanieczyszczenia środowiska [6, 13, 2, 21]. Schemat 1 obrazuje zależność przebiegu imisji od natężenia emisji zanieczyszczeń. Natężenie emisji zanieczyszczeń E(t) Zjawisko rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń Imisja zanieczyszczeń I(t) Rys. 1. Zależność imisji zanieczyszczeń od natężenia emisji [11, 2, 21] Pyły, które znajdują się w powietrzu atmosferycznym, pochodzą ze źródeł naturalnych oraz antropogenicznych. Do naturalnych źródeł cząstek stałych zalicza się aerozole morskie (roślinne i zwierzęce), wybuchy wulkanów, pożary lasów, a także materiały osadowe. Antropogeniczne źródła zanieczyszczeń są to wszelkiego rodzaju źródła związane z działalnością bytową oraz gospodarczą ludzi, tj. pyły, które pochodzą z procesów produkcyjnych oraz procesów spalania paliw, przede wszystkim stałych. Głównie pyły pochodzą z przemysłu energetycznego, chemicznego, wydobywczego, metalurgicznego czy budowlanego (np. produkcja cementu) [2, 3, 7, 8, 16, 21]. Istotnym również źródłem emisji pyłów (PM1 i PM2.5) jest transport. Pochodzi z niego około 15% obydwu frakcji wymiarowych cząstek stałych [1, 21]. Powszechnie uważa się, że w skali globalnej emisja pyłów ze źródeł naturalnych jest dominująca, jednak w obszarach, gdzie intensywność działalności ludzi jest duża, antropogeniczne źródła mają zdecydowanie większy wpływ na zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego [2, 21]. Tak jak napisano wcześniej, oddziaływanie cząstek stałych jest uzależnione m.in. od ich wielkości. Najgroźniejsze dla zdrowia ludzi są pyły drobnoziarniste. Cząstki o średnicy większej niż 1 μm są zatrzymywane w górnym odcinku układu oddechowego człowieka. Cząstki o mniejszej średnicy dostają się do głębszych odcinków. Cząstki o średnicy około 2 μm dostają się do pęcherzyków płucnych. Jeszcze drobniejsze pyły mogą dostawać się do organizmu tak jak gaz [17, 18, 2, 21]. Niektóre pyły są dobrze rozpuszczalne w wodzie oraz w płynach ustrojowych, takich jak ślina 6

3 i sok żołądkowy. Jest to niebezpieczne zjawisko w przypadku, gdy pyły zawierają cząstki silnie trujące, w przeciwnym razie zjawisko to jest korzystne, ponieważ cząstki ulegające rozpuszczeniu i wchłonięciu, w konsekwencji nie mają negatywnego oddziaływania na organizm [15, 21]. Cząstki stałe poza oddziaływaniem na populację ludzką, mają bardzo duży wpływ na każdy element składowy środowiska. Oddziałują m.in. na wody, gleby, rośliny. Można powiedzieć ogólniej, że mają negatywny wpływ zarówno na florę jak i faunę, jaka występuje na Ziemi [2, 21]. Ich wpływ na środowisko jest uzależniony głównie od składu chemicznego pyłów. Jeżeli w skład pyłów wchodzą kationy zasadowe, wpływa to na neutralizowanie zakwaszenia gleby czy wód. Jeżeli natomiast w skład cząstek stałych wchodzą metale ciężkie, to wpływa to długotrwale negatywnie na gleby, ponieważ metale ciężkie rzadko ulegają degradacji czy wypłukaniu. Na rośliny pyły oddziałują poprzez osiadanie ich na powierzchni liści, co powoduje wystąpienie warstwy izolującej, ograniczając działanie promieniowania słonecznego. Ponadto cząstki stałe osiadając na liściach, zatykają aparaty szparkowe, zakłócając proces fotosyntezy, a także przebieg pozostałych funkcji metabolicznych, jakie zachodzą wewnątrz liści. Depozycja cząstek stałych zawierających metale ciężkie do wód stanowi istotny problem. Po dostaniu się do zbiornika wodnego metale ciężkie opadają na dno, gdzie łączą się z osadami dennymi, a w konsekwencji są akumulowane w organizmach roślinnych i zwierzęcych. Zasadniczym problemem jest fakt, iż stężenie metali ciężkich znacząco wzrasta, wraz ze wzrostem poziomu troficznego w łańcuchu pokarmowym [16, 2, 21]. Duże zagrożenie, jakie stanowią dla cywilizacji pyły, uzasadnia podejmowane działania w celu jak najskuteczniejszego zmniejszenia stężenia pyłów w powietrzu atmosferycznym, a w tym celu jest niezbędne tworzenie podstaw prawnych, określanie norm oraz nadzorowanie stanu środowiska, co umożliwia ocenę zmian zachodzących zarówno w środowisku naturalnym, jak i społecznym [19]. Jedną z metod oceny stanu zagrożenia środowiska przez pyły jest modelowanie imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych, uzyskiwane przez bezpośrednie modelowanie imisji lub pośrednio przez modelowanie emisji i rozprzestrzeniania się cząstek stałych. 2. Modelowanie emisji i imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych 2.1. Modelowanie emisji cząstek stałych PM1 Modele emisji oraz imisji cząstek stałych PM1 można sklasyfikować następująco [5, 8, 11, 21]: modele, które są oparte na zasadzie podobieństwa strukturalnego (morfologicznego); są one zbudowane przy uwzględnieniu zachodzących zjawisk fizycznych, a emisja cząstek stałych PM1 jest modelowana jako zależność funkcyjna wielkości charakteryzujących jakość nawierzchni jezdnej, masę i średnią prędkość pojazdów, a także udział liczby dni, w których wystąpiły opady atmosferyczne; modele oparte na zasadzie podobieństwa funkcjonalnego, tzw. modele behawiorystyczne; w tej grupie modelowanie jest oparte na zależności korelacyjnej, jaka zachodzi między imisją pyłów PM1 oraz imisją tlenków azotu i imisją tlenku węgla. Emisję drogową pyłów PM1 można opisać modelem opartym na zasadzie podobieństwa strukturalnego w poniższy sposób [5, 9, 1, 11, 12, 21]: j,w, j,m F,W,v bpm1 f k,s AV j,r,f,w,p,r,f,w (1) 7

4 gdzie: b PM1 emisja drogowa cząstek stałych PM1 [g/km], k bazowa emisja drogowa cząstek stałych wg EPA [g/km], s masa osadu zalegającego na jezdni w odniesieniu do pola powierzchni jezdni [g/m 2 ], j jakość nawierzchni jezdni (kategoria), m średnia masa pojazdów (reprezentatywna dla poszczególnych kategorii pojazdów) [Mg], v AV średnia prędkość jazdy pojazdów [km/h], p średnia liczba kół pojazdu samochodowego, r udział liczby dni deszczowych w okresie bilansowania emisji, F kategoria pojazdów (np. samochody osobowe, samochody ciężarowe, autobusy), W kategoria drogi (np. drogi w miastach, drogi poza miastami, autostrady, tunele). Niektóre ze zmiennych zastosowanych w modelu opartym na zasadzie podobieństwa strukturalnego przedstawionym powyżej, są wielkościami niezależnymi od pozostałych. Są to kategoria pojazdu, kategoria drogi, udział dni deszczowych w okresie bilansowania emisji, a także bazowa emisja drogowa cząstek stałych PM1. W pozostałych przypadkach zmienne są zależne, np. masa osadu, jaki zalega na powierzchni jezdni, zależy od jakości i kategorii drogi. Średnia masa pojazdów, będąca reprezentatywna dla poszczególnych kategorii pojazdów zależy od kategorii danej drogi. Średnia prędkość jazdy jest także uzależniona od kategorii pojazdu, kategorii drogi, po której się porusza, oraz od jakości nawierzchni jezdnej i udziału liczby dni deszczowych w okresie bilansowania emisji. Modele, oparte na zasadzie podobieństwa strukturalnego zawierają dużą liczbę parametrów, przez co głównym problemem, jaki stwarzają, jest trudność w ich identyfikacji. Dodatkowo niektóre zalecane wartości parametrów zawarte są w zbyt dużych granicach, aby je odpowiednio zastosować, co może doprowadzić do otrzymania wyników znacznie różniących się od siebie [5, 9, 12, 21]. Następnym przykładem modelu emisji cząstek stałych PM1, jaki oparty jest na zasadzie podobieństwa strukturalnego, jest model EPA [5, 1, 12, 21]. b PM 1 k s m vav p (2) gdzie: k emisja drogowa cząstek stałych [g/km], s masa osadu zalegającego na jezdni w odniesieniu do pola powierzchni tej jezdni [g/m 2 ], m średnia masa pojazdów (reprezentatywna dla poszczególnych kategorii pojazdów) [Mg], v AV średnia prędkość jazdy pojazdów [km/h], p średnia liczba kół jezdnych pojazdu,,,, wykładniki potęg. Na podstawie identyfikacji przedstawionego powyżej modelu EPA wyznaczono wartości współczynników modelu tj. wykładników potęg. Model może przyjmować postać [5, 11, 12, 21]: b,65 1,5 PM1,56 s m (3) 8

5 lub b,52 2,14 PM1,18 s m (4) Najbardziej rozbudowanym wśród modeli opartych na zasadzie podobieństwa strukturalnego jest model Lohmeyera, który można opisać następująco [5, 1, 12, 21]: b PM1,52 2,14 1,5 r, 85 b a k s m (5) PM gdzie: b PM emisja drogowa cząstek stałych z układu wylotowego silnika [g/km], a współczynnik korekcyjny (ze względu na jakość drogi), k bazowa emisja drogowa cząstek stałych wg EPA; k =,18 g/km, r udział dni deszczowych w okresie bilansowania emisji Modelowanie imisji cząstek stałych PM1 Modele imisji cząstek stałych PM1 tworzone są zgodnie z kryterium podobieństwa funkcjonalnego, najczęściej w postaci liniowej. Wśród modeli tych wyróżnia się modele imisji pyłów PM1 jako zależnych liniowo od imisji tlenków azotu (lub dwutlenku azotu) oraz od imisji tlenku węgla [5, 9, 21]. Imisję pyłów PM1 można opisać w postaci modelu liniowego imisji tlenków azotu [5, 9, 21]: I PM1 a a I (6) 1 Ponadto można wyznaczyć model przedstawiający imisję pyłów PM1 jako liniowo zależną od imisji dwutlenku azotu [5, 9, 21]. Następny model imisji cząstek stałych PM1 opisuje imisję tej frakcji wymiarowej pyłów jako liniową funkcję imisji tlenku węgla [5, 9, 21]: I PM NOx a a I (7) Ogólnie modele imisji cząstek stałych można zapisać w postaci [3, 5, 9, 21]: Funkcja ta spełnia warunki [3,5, 9, 21]: I CO PM1 fpm1 NOx CO INOx, ICO (8) I I PM 1 NOx ; IPM 1 I CO (9) Jako funkcję f PM1-NOx-CO, spełniające warunki (8) i (9) przyjmuje się zazwyczaj wielomian stopnia drugiego takich zmiennych jak imisja tlenków azotu oraz imisja tlenku węgla, co można zapisać następująco [3, 5, 9, 21]: 2 2 PM1 a3 a31 INOx a32 ICO a33 INOx a34 ICO a35 INOx ICO (1) I Jak wskazuje doświadczenie z wielu prac [5, 9, 21], taka struktura modelu umożliwia skuteczne przeprowadzanie badań emisji pyłów PM1. 9

6 Modele zbudowane na zasadzie podobieństwa strukturalnego mają logiczne uzasadnienie, ponieważ opierają się na zasadach fizycznych, jednak problemem jest identyfikacja wielu współczynników, które są w nich zastosowane. Modele te mają ograniczoną skuteczność, co jest spowodowane dowolnością doboru tych współczynników, co prowadzi do uzyskania wyników trudnych do przeanalizowania. Skuteczniejszymi modelami, które są oparte na badaniach empirycznych w warunkach ich identyfikacji, są modele behawiorystyczne. W odmiennych warunkach emisji i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń współczynniki tych modeli mogą być znacznie różne. Wadą modeli behawiorystycznych jest zatem brak uniwersalności w odniesieniu do sytuacji, jakie określałyby strukturę oraz natężenie ruchu, warunki rozprzestrzeniania zanieczyszczeń oraz tło zanieczyszczeń, pochodzących z innych źródeł niż motoryzacyjne. Współczynniki modeli są więc różne dla różnorodnych rodzajów tras czy węzłów komunikacyjnych, a także okresów modelowania. Pomimo wszystkich wymienionych wad, racjonalnym rozwiązaniem jest potraktowanie zagadnienia statystycznie, tj. przeprowadzenie identyfikacji modeli, doprowadzając do opracowania standardu zbiorów modeli emisji PM1 dla charakterystycznych warunków emisji oraz rozprzestrzeniania się poszczególnych frakcji wymiarowych cząstek stałych [5, 8, 9, 21]. W celu identyfikacji parametrów modeli emisji i imisji cząstek stałych należy uwzględniać wyniki badań empirycznych z okresu co najmniej jednego roku, ponieważ uniezależnia to model od warunków atmosferycznych [5, 9, 21]. Należy również dokonywać kategoryzacji obszarów modelowania, przede wszystkim uwzględniając strukturę i natężenie ruchu pojazdów samochodowych, warunki rozprzestrzeniania zanieczyszczeń oraz tło zanieczyszczeń, pochodzących z innych źródeł niż motoryzacyjne [5, 9, 21] Modelowanie imisji cząstek stałych PM2.5 Modele imisji cząstek stałych PM2.5 (pyły o średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 2,5 µm) tworzone są zgodnie z kryterium podobieństwa funkcjonalnego. Do modeli tych są wykorzystywane definicje poszczególnych frakcji wymiarowych pyłów (PM1, PM2.5). Zgodnie z definicjami zbiór cząstek stałych PM2.5 zaliczany jest do podzbioru zbioru cząstek stałych PM1. Na podstawie powyższej definicji imisję cząstek stałych PM2.5 modeluje się jako liniowo zależną od imisji cząstek stałych PM1 [2, 4, 5, 8, 9, 21]: I PM2.5 kpm2.5 1 IPM1 (11) gdzie: k PM2.5 1 współczynnik modelu imisji cząstek stałych PM2.5; k PM2.5-1 ; Modelowanie imisji cząstek stałych PM1 Analogicznie do modelowania imisji cząstek stałych PM2.5 modeluje się imisję również cząstek stałych PM1. Modele te również tworzone są zgodnie z kryterium podobieństwa funkcjonalnego, do którego jest wykorzystywana definicja tej frakcji wymiarowej pyłów. Cząstki stałe PM1 stanowią podzbiór zbioru cząstek stałych PM2.5. Na podstawie tej definicji imisję cząstek stałych PM1 modeluje się jako liniowo zależną od imisji cząstek stałych PM2.5 [2, 5, 9, 21]: I PM1 k I (12) PM1 2.5 PM2.5 1

7 I NOx [mg/m 3 ], I PM1 [µg/m 3 ] gdzie: k PM1-2.5 współczynnik modelu imisji cząstek stałych PM1; k PM1-2.5 ;1. Ponadto pyły PM1 stanowią podzbiór zbioru cząstek stałych PM1, dlatego też można ich imisję traktować również jako liniowo zależną od imisji pyłów PM1, co przedstawiono poniżej [2, 5, 9, 21]: I PM1 k I (13) PM1 1 PM1 gdzie: k PM1-1 współczynnik modelu imisji cząstek stałych PM1; k PM1-1 ;1. Identyfikacja modeli imisji cząstek stałych PM2.5 oraz PM1 polega na wyznaczaniu współczynników tych modeli tj. k PM2.5 1, k PM1-2.5, k PM1-1. Współczynniki modeli są wyznaczane na podstawie wyników badań empirycznych imisji wszystkich frakcji wymiarowych cząstek stałych, których wartości zależne są od warunków emisji zanieczyszczeń pyłowych, ich rozprzestrzeniania, a także od okresu wykonywania pomiarów [2, 5, 9, 21]. Różnice w wartościach współczynników modeli imisji cząstek stałych PM2.5 i PM1 wynikają przede wszystkim z różnic ukształtowaniu terenu, zabudowy, nawierzchni, po której poruszają się pojazdy, oraz ze zróżnicowanej intensywności przemysłu i transportu. Dlatego uważa się, że należy podejść statystycznie do problematyki identyfikacji modeli imisji wszystkich frakcji wymiarowych pyłów [5, 8, 9, 21]. 3. Identyfikacja modeli imisji cząstek stałych PM1 Identyfikację modeli imisji cząstek stałych PM1 przeprowadzono na podstawie badań empirycznych wykonanych na stacji nadzorowania jakości powietrza zlokalizowanej w Krakowie przy ul. Bulwarowej w Nowej Hucie. W sąsiedztwie stacji jest osiedle mieszkaniowe. Porównano wyniki otrzymane dla badań dziennych, dla dni powszednich oraz dni świątecznych [21]. Przebiegi imisji cząstek stałych PM1 praz imisji tlenków azotu przedstawiono na rysunkach 2 i 3. 6 NOx PM t [h] Rys. 2. Imisja cząstek stałych PM1 i tlenków azotu w dniu (środa, lato) 11

8 I PM1 [µg/m 3 ] I CO [μg/m 3 ] 12 NOx PM1 1 I NOx [mg/m 3 ], I PM1 [µg/m 3 ] t [h] Rys. 3. Imisja cząstek stałych PM1 i tlenków azotu w dniu (niedziela, lato) Analizując wykresy na rysunkach 2 i 3, można zauważyć, iż imisja zarówno zanieczyszczeń pyłowych, jak i gazowych jest większa w dniu powszednim w stosunku do dnia świątecznego. Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono przebiegi imisji cząstek stałych PM1 praz imisji tlenku węgla. PM1 CO t [h] Rys. 4. Imisja cząstek stałych PM1 i tlenku węgla (środa, lato) 12

9 I NOx [mg/m 3 ] I PM1 [µg/m 3 ] I CO [μg/m 3 ] PM1 CO t [h] Rys. 5. Imisja cząstek stałych PM1 i tlenku węgla w dniu (niedziela, lato) Analizując wykresy na rysunkach 4 i 5, można zauważyć, że imisja zanieczyszczeń pyłowych jest większa w dniu powszednim w stosunku do dnia świątecznego. Na rysunkach 6 9 przedstawiono zależności korelacyjne badanych zbiorów imisji zanieczyszczeń I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 6. Zależność korelacyjna imisji cząstek stałych PM1 i tlenków azotu w dniu (środa, lato) 13

10 I CO [mg/m 3 ] I NOx [mg/m 3 ] I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 7. Zależność korelacyjna imisji cząstek stałych PM1 i tlenków azotu w dniu (niedziela, lato) I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 8. Korelacja imisji cząstek stałych PM1 i tlenku węgla w dniu (środa, lato) 14

11 I CO [mg/m 3 ] I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 9. Korelacja imisji cząstek stałych PM1 i tlenku węgla w dniu (niedziela, lato) Ogólnie zależności korelacyjne badanych zbiorów są różne, szczególnie w przypadku imisji cząstek stałych PM1 i imisji tlenków azotu (współczynnik korelacji liniowej Pearsona,29 i,96). Dla imisji cząstek stałych PM1 i imisji tlenku węgla współczynnik korelacji liniowej wynosi,74 i 1,. Uzasadnia to konieczność identyfikacji modeli imisji cząstek stałych PM1 w znacznie dłuższych okresach i dla znacznie bardziej licznych zbiorów wyników pomiarów. Z analizy wykresów wynika ponadto, że znacznie słabsza jest zależność korelacyjna w dni powszednie. 4. Identyfikacja modeli imisji cząstek stałych PM2.5 Na wykresach 1 i 11 przedstawiono przebiegi imisji cząstek stałych PM1 i PM PM2.5 PM1 I PM2.5 [mg/m 3 ], I PM1 [µg/m 3 ] t [h] Rys. 1. Imisja cząstek stałych PM1 i PM2.5 w dniu (środa, zima) 15

12 6 PM2.5 PM1 5 I PM2.5 [mg/m 3 ], I PM1 [µg/m 3 ] t [h] Rys. 11. Imisja cząstek stałych PM1 i PM2.5 w dniu (niedziela, zima) Imisja cząstek stałych, zarówno PM1, jak i PM2,5 jest większa w dniu świątecznym w stosunku do dnia powszedniego prawdopodobnie zwiększona była wówczas w dniu świątecznym emisja ze źródeł komunalnych (badania były prowadzone zimą). Na rysunkach 12 i 13 przedstawiono przebieg współczynnika modelu imisji cząstek stałych PM2.5. 1,8 k PM2.5-PM1,6,4, t [h] Rys. 12. Przebieg oraz wartość średnia współczynnika modelu imisji cząstek stałych PM2.5 w dniu (środa, zima) 16

13 1,8 k PM2.5-PM1 I PM2.5 [mg/m 3 ],6,4, t [h] Rys. 13. Przebieg oraz wartość średnia współczynnika modelu imisji cząstek stałych PM2.5 w dniu (niedziela, zima) Współczynnik modelu imisji cząstek stałych PM2.5 jest większy w dniu świątecznym w stosunku do dnia powszedniego. Średnia wartość współczynnika modelu wynosi dla dnia powszedniego około,7, a dla niedzieli około,78. Można zatem wnioskować, iż w tym przypadku pyły głównie pochodziły z ogrzewania budynków za pomocą spalania paliw stałych, a nie ze źródeł motoryzacyjnych. Na rysunkach 14 i 15 przedstawiono zależności korelacyjne imisji cząstek stałych PM2.5 i PM I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 14. Zależność korelacyjna imisji cząstek stałych PM2.5 i PM1 w dniu (środa, zima) 17

14 I PM2.5 [mg/m 3 ] I PM1 [mg/m 3 ] Rys. 15. Zależność korelacyjna imisji cząstek stałych PM2.5 i PM1 w dniu (niedziela, zima) Jak widać, istnieje silna korelacja imisji cząstek stałych PM2.5 z imisją pyłów PM1. Współczynnik korelacji liniowej Pearsona jest na poziomie, Podsumowanie Wiedzę o stanie zagrożenia środowiska przez pyły można pozyskiwać metodami empirycznymi, a w przypadku braku możliwości wykonywania pomiarów, jest konieczne wykorzystanie modelowania. Celem modelowania jest wyznaczenie imisji frakcji wymiarowych pyłów. Można to osiągnąć przez modelowanie imisji cząstek stałych lub pośrednio przez modelowanie emisji i rozprzestrzeniania się emisji cząstek stałych. Modele emisji cząstek stałych są stosowane w stosunku do cząstek stałych PM1. Są to modele zbudowane na zasadzie podobieństwa strukturalnego (morfologicznego). Modele imisji cząstek stałych PM1, PM2.5 i PM1 są zbudowane na zasadzie podobieństwa funkcjonalnego (modele behawiorystyczne). Doświadczenia z zastosowania modeli emisji cząstek stałych PM1 wykazują duże trudności w doborze parametrów modeli. Ponieważ struktura tych modeli bywa złożona, identyfikacja jest trudnym zadaniem, a uogólnianie wyników identyfikacji nie zawsze jest uprawnione. Modele imisji frakcji wymiarowej cząstek stałych jest skuteczną metodą oceny zagrożenia środowiska i zdrowia ludzi pyłami, należy jednak zwrócić uwagę, że parametry modeli mogą być silnie zależne od warunków emisji i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, zarówno gazowych, jak i pyłowych. Powoduje to konieczność opracowywania tych modeli dla określonych kategorii warunków emisji i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń. Identyfikacja modeli imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych wymaga uwzględniania wyników badań empirycznych z dłuższych okresów czasu. Wyniki przedstawione w niniejszej pracy potwierdzają słabą korelację imisji zanieczyszczeń pyłowych i gazowych w skali krótkookresowej. Jednocześnie jest znamienna bardzo silna korelacja imisji cząstek stałych PM2.5 i PM1 nawet w skali dobowej. 18

15 Literatura: [1] Badyda A.: Wykład z przedmiotu Zarządzanie ochroną środowiska w aglomeracji miejskiej: Ochrona powietrza. Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej. Warszawa 212. (Praca nie publikowana). [2] Chłopek Z.: Testing of hazards to the environment causes by particulate matter during use of vehicles. Ekploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Realiability. 2/212, [3] Chłopek Z.: Modele behawiorystyczne emisji cząstek stałych PM1 ze źródeł transportu drogowego. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 1(82)/ [4] Chłopek Z.: Ocena stanu zagrożenia środowiska przez cząstki stałe PM2,5 ze źródeł transportu drogowego. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 1(82)/ [5] Chłopek Z.: Sprawozdanie z projektu badawczego ministerstwa nauki i szkolnictwa wyższego N N : Modelowanie emisji cząstek stałych PM1 ze źródeł motoryzacyjnych do celów oceny oddziaływania transportu drogowego na środowisko. Warszawa 212. (Praca nie publikowana). [6] Chłopek Z.: Wykład z przedmiotu Oddziaływanie transportu na środowisko. Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej. Warszawa 211. (Praca nie publikowana). [7] Chłopek Z., Jakubowski A.: A study of the particulate matter emission from the braking systems of motor vehicles. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Realiability 4 (4)/ [8] Chłopek Z., Skibiński F.: Wprowadzenie w tematykę emisji cząstek stałych PM2,5 powodowanych transportem samochodowym. Transport Samochodowy 3/ [9] Chłopek Z., Szczepański T.: Ocena zagrożenia środowiska cząstkami stałymi ze źródeł cywilizacyjnych. Inżynieria Ekologiczna Nr [1] Chłopek Z., Żegota M.: Badania emisji cząstek stałych PM1. Rozdział monografii Edukacja ekologiczna. Podstawy działań naprawczych w środowisku. Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej. Nałęczów [11] Chłopek Z., Żegota M.: Modelowanie emisji cząstek stałych PM1 ze źródeł motoryzacyjnych, Transport Samochodowy 1/ [12] Chłopek Z., Żegota M.: Problemy modelowania emisji cząstek stałych PM1 w ruchu drogowym. Archiwum Motoryzacji 1/ [13] Encyklopedia PWN, [14] Główny Inspektor Ochrony Środowiska, Program Państwowego Monitoringu Środowiska na lata , Warszawa 29 [15] Jasińska-Zubelewicz E.J: Ergonomia Toksykologia przemysłowa i środowiskowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa [16] Juda-Rezler K.: Oddziaływanie zanieczyszczeń powietrza na środowisko. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2. [17] Siemiński M.: Środowiskowe zagrożenia zdrowia. PWN. Warszawa

16 [18] Sroczyński J.: Wpływ zanieczyszczeń powietrza atmosferycznego na zdrowie ludzi. Zakład Narodowy im. Ossolińskich. Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk. Wrocław [19] Strzałka J., Mosor Pietraszewska T.: Kompendium wiedzy o ekologii. Praca zbiorowa. PWN. Warszawa 23. [2] Suchocka K. Praca inżynierska Modelowanie imisji cząstek stałych PM2.5 ze źródeł motoryzacyjnych. Warszawa 212. (Praca nie publikowana). [21] Suchocka K.: Praca magisterska Modelowanie imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych ze względu na oddziaływanie motoryzacji na środowisko. Warszawa 213. (Praca nie publikowana). [22] Żegota M.: Modelowanie emisji cząstek stałych PM1 z pojazdów samochodowych. Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska. Warszawa 26. Streszczenie W pracy przedstawiono systematykę modelowania emisji i imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych w związku z ruchem samochodów. Modele emisji cząstek stałych PM1 są zbudowane na zasadzie podobieństwa strukturalnego, natomiast modele imisji cząstek stałych PM1, PM2.5 i PM1 są opracowane zgodnie z kryterium podobieństwa funkcjonalnego. Do identyfikacji modeli imisji frakcji wymiarowych cząstek stałych wykorzystuje się wyniki badań empirycznych imisji zanieczyszczeń na stacjach nadzorowania jakości powietrza. Słowa kluczowe: emisja, imisja, pojazdy samochodowe, cząstki stałe, modelowanie. THE MODELING OF EMISSION AND IMMISSION OF PARTICULATE MATTER SIZE FRACTION RELATED TO TRAFFIC CAR Summary The paper presents a scheme of modeling the emission and imission size fractions of particulate matter in connection with the movement of cars. Models emissions of particulates of PM1 are built on the basis of structural similarity, while models of imission particulate matter PM1, PM2.5 and PM1 are developed in accordance with the criterion of functional similarity. To identify models of imissions size fractions of particulate matter used in empirical research imission of pollutants at the monitoring stations of air quality. Keywords: emission, imission, motor vehicles, particulate matter, modeling. 2