GIS IN MODELLING OF DISPERSION OF CAR EXHAUST POLLUTANTS

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transort, Vol. 13, No. 4 GIS IN MODELLING OF DISPERSION OF CAR EXHAUST POLLUTANTS Lucyna Brzozowska, ukasz Drg University of Bielsko-Biaa Deartment of Mechanics and Comuter Science ul. Willowa, Bielsko-Biaa, Poland tel.: , fax: lbrzozowska@ath.bielsko.l, ldrag@ath.bielsko.l Abstract The aer resents an integrated comuter system that allows comuter modeling emission and disersion of car exhaust ollutants near road section. This system consists of three connected modules: transort, emission and disersion. Transort module allows to simulate different road scenarios taking into account changes in traffic flow. Road emission is calculated according to HBEFA model in emission module. The most imortant module is the disersion. This module is based on gaussian finite line source model and allows to draw u ma of ollutants concentration. To define arameters of disersion model, a meteorological re-rocessor based on relationshis obtained from the Monin-Obukhov theory is used. Integrated comuter system is also consists connected with to geograhical information systems (GIS). GIS enables the visualization and analysis of ollutant concentration in different scales. It is a data source inut and can be ut-uon re- and ost- rocess of given digital, and also for the analysis and visualization of results. The analysis usually concerns average, minimum, maximum and exceeded ermissible values of concentration in fixed area. Keywords: transort, car exhaust emission, disersion of ollutants, geograhical information systems, modelling MODELOWANIE ROZPRZESTRZENIANIA SI ZANIECZYSZCZE POWIETRZA EMITOWANYCH PRZEZ SILNIKI POJAZDÓW Z ZASTOSOWANIEM GIS Streszczenie W racy rzedstawiono zintegrowany system komuterowy umoliwiajcy modelowanie emisji i ste zanieczyszcze w obliu istniejcych i rojektowanych cigów komunikacyjnych. System skada si z trzech oczonych ze sob moduów: transortu, emisji, dysersji. Modu transort, umoliwia symulowanie ruchu ojazdów dla rónych scenariuszy drogowych, n. zmiennego natenia ruchu czy struktury kierunkowej i rodzajowej floty ojazdów. W module emisja rzerowadza si modelowanie emisji drogowych w oarciu o dane modelu HBEFA. Wanym elementem systemu jest modu dysersji wykorzystywany do oblicze rozkadu ste zanieczyszcze. Jest on oarty na analitycznym gaussowskim modelu skoczonego róda liniowego (GFLSM). Model ten wymaga okrelenia dodatkowych arametrów determinujcych roces rozrzestrzeniania, wyznaczanych z wykorzystaniem rerocesora meteorologicznego. Parametry skalujce rzyziemn warstw atmosfery obliczane s na odstawie teorii odobiestwa rzeywu turbulentnego Monina-Obukhova. Zintegrowany system modelowania emisji i dysersji zanieczyszcze obejmuje take system informacji rzestrzennej (GIS). Jest on ródem danych wejciowych oraz moe by wykorzystany w re- i ost- rocessingu danych cyfrowych, a take do analizy i wizualizacji wyników. Sowa kluczowe: transort, emisja zanieczyszcze samochodowych, rozrzestrzenianie si zanieczyszcze, systemy informacji rzestrzennej, modelowanie 1. Wst Powszechnie stosowan metod okrelenia wywu transortu drogowego na jako owietrza atmosferycznego jest omiar stenia substancji zanieczyszczajcych emitowanych rzez ojazdy w wyniku ich eksloatacji. Pomiarów dokonuje si w obszarze istniejcej infrastruktury drogowej, dla rónej gstoci siatki omiarowej ze szczególnym uwzgldnieniem skrzyowa oraz kanionów

2 L. Brzozowska,. Drg ulicznych. W omiarach wyszczególnia si czsto wzy drogowe, co jest uzasadnione tym, e w ich obliu dynamika ruchu ojazdów zasadniczo róni si od tej jaka wystuje w ozostaej czci odcinka drogowego. W obszarach skrzyowa wystuj znaczne zmiany rdkoci ruchu, a take rozruch, rzysieszenie i hamowanie ojazdów, co wywa na zwikszenie emisji zwizków szkodliwych. W rzyadku kanionów ulicznych tworz si wiry o maej rdkoci owietrza co srzyja znacznej koncentracji zanieczyszcze. Pomiary zgodnie z wytycznymi rzeisów Ministerstwa rodowiska, stanowi odstawowe narzdzie oceny jakoci owietrza atmosferycznego [1]. Przerowadza si je w aglomeracjach oraz strefach, w których oziom danej substancji zanieczyszczajcej jest wyszy od górnego oziomu oszacowania. Warto górnego oziomu oszacowania dla danej substancji zanieczyszczajcej ustanawiana jest w drodze Rozorzdzenia Ministra rodowiska. Stanowi ona ewien rocent stenia douszczalnego. W rzyadku tlenku wgla warto górnego oziomu oszacowania wynosi 70% wartoci stenia douszczalnego []. W sytuacji kiedy warto górnego oziomu oszacowania nie jest rzekraczana, douszcza si szacowanie jakoci owietrza w oarciu o inne metody, w tym te, które zwizane s z modelowaniem matematycznym [1]. Gównym celem tych metod jest umoliwienie rzygotowania narawczych lanów zwizanych z ochron owietrza atmosferycznego orzez modelowanie rozrzestrzeniania si zanieczyszcze z uwzgldnieniem zmian w intensywnoci róde emisji oraz zmian w warunkach meteorologicznych. Model rozrzestrzeniania si zanieczyszcze zgodnie z wytycznymi [1] rzed zastosowaniem owinien by odowiednio dobrany. Istotnym kryterium wyboru modelu jest skala modelowanych zagadnie. Inne modele stosuje si w celu okrelenia oziomu zanieczyszczenia w obszarze ojedynczego skrzyowania, a jeszcze inne dla caego obszaru miasta. Wanym kryterium doboru modelu jest moliwo wsóracy z systemami informacji rzestrzennej (GIS). Tylko wówczas kiedy zaewni si komatybilno oraz odowiednie rzetwarzanie danych cyfrowych moliwe jest efektywne tworzenie i analizowanie rozkadów ste zanieczyszcze. Jednak budowa systemu umoliwiajcego korzystanie z danych z systemów GIS nie jest zadaniem atwym. Dua liczba komercyjnych akietów, a co z tym zwizane rónorodno oferowanych analiz i formatów danych, tylko utrudnia zadanie. Rozwizaniem tego roblemu jest zbudowanie komuterowego systemu, integrujcego model rozrzestrzeniania si zanieczyszcze z systemem GIS orzez wymian wyników w jednym z akcetowalnych formatów liku. W racy rzedstawiono zintegrowany system komuterowy umoliwiajcy modelowanie emisji i rozrzestrzeniania si zanieczyszcze ochodzenia komunikacyjnego, który wsóracuje z systemem informacji rzestrzennej. Jednoczenie, oisano zastosowany model emisji i dysersji zanieczyszcze oraz format danych ozwalajcy na rzesyanie wyników do jednego z systemów GIS. W celu okrelenia wywu transortu na rodowisko, zaroonowano wykonanie analiz rzestrzennych rozkadu stenia zanieczyszcze w GIS. S one zwizane z okreleniem stenia minimalnego, maksymalnego i redniego w wybranych obszarach sieci drogowej oraz ozwalaj na stwierdzenie, czy górny oziom oszacowania zosta rzekroczony.. Modelowanie emisji i dysersji zanieczyszcze Elementy ukadu komunikacyjnego, o których oruszaj si ojazdy mona traktowa jako róda liniowe. Istniej róne sosoby modelowania emisji oraz rozrzestrzeniania si substancji zanieczyszczajcych ze róde liniowych. W Polsce, odczas modelowania emisji z silników ojazdów w ruchu drogowym, stosuje si metod rednich rdkoci [3]. Pozwala ona na okrelenie emisji z kadego ojazdu zakwalifikowanego do jednej z rerezentatywnych kategorii w zalenoci od redniej rdkoci rzejazdu. W modelowaniu emisji uwzgldnia si takie kategorie ojazdów jak: samochody osobowe, samochody dostawcze i ciarowe oraz autobusy i motocykle. Dla kadej z kategorii dla okrelonego skadnika salin tworzona jest charakterystyka

3 GIS in Modelling of Disersion of Car Exhaust Pollutants statyczna emisji. Nastnie na odstawie takiej charakterystyki wyznacza si emisj na odcinku, który ojazd okona z dan rdkoci redni. Ze wzgldu na brak w Polsce odowiednich baz danych emisyjnych istnieje moliwo zastosowania charakterystyk z baz oracowanych w innych krajach. Naley rzy tym wybiera bazy, w których struktura ojazdów jest zbliona do istniejcej w Polsce. Na otrzeby modelowania emisji mona wykorzysta baz modelu HBEFA oracowan dla Niemiec [4]. Jednak dodatkowo naley okreli oónienie struktury ojazdów w Polsce do tej z Niemiec. Szacuje si, e jest to okres od 5 do 7 lat wstecz. Do obliczania stenia zanieczyszcze najczciej stosuje si rone wersje analitycznych formu gaussowskich. Zalicza si do nich modele smugowe, smugi segmentowej oraz oboku. Powszechnie wykorzystywanymi modelami, zwizanymi z ocen oddziaywania transortu drogowego na rodowisko, s modele smugowe oraz modele oboku. Te ierwsze ozwalaj traktowa drog, o której oruszaj si ojazdy, jako liniowe ródo emisji o staym nateniu w czasie 1 h. Natomiast modele oboku, kady ojazd traktuj jako osobne ródo emisji, które w okrelonym czasie emituje ewn mas zanieczyszczenia [5]. Efektywno numeryczna modelu smugowego jest wiksza ni modelu oboku, ale naley stosowa go dla urednionych warunków meteorologicznych. W niniejszej racy do tworzenia rzestrzennych rozkadów stenia zanieczyszcze wykorzystano model smugowy skoczonego liniowego róda emisji (GFLSM). W celu sorzdzenia rozkadu w ierwszym etaie okrela si natenie emisji q oszczególnych skadników salin dla caego odcinka drogi odniesione do jednostki dugoci. Nastnie oblicza si stenie C zanieczyszczenia emitowanego ze róda (0, 0, H ) o dugoci L w unkcie o wsórzdnych (x, y, z) wedug wzoru [6, 7]: q C u z e 1 z H 1 z H ex ex z z sin erf L y x cos sin L y y erf x cos y (1) gdzie: C stenie zwizku [g m -3 ] w unkcie o wsórzdnych x y, z,, q natenie emisji odniesione do jednostki dugoci skadnika salin [g m -1 s -1 ], H L u e, y z wysoko róda emisji [m], dugo liniowego róda emisji [m], efektywna rdko wiatru [m/s], wsóczynniki oziomej i ionowej dyfuzji atmosferycznej [m], kierunek wiatru, erf funkcja bdu. Parametry determinujce rozrzestrzenianie si zanieczyszcze y, z najczciej wyznacza si orzez dodatkowe obliczenia, w których w oisie struktury warstwy granicznej atmosfery uwzgldnienia si teori odobiestwa oraz arametry skalujce. Podstawowymi arametrami wykorzystywanymi do skalowania s: owierzchniowy strumie ciea, owierzchniowy strumie du i wysoko warstwy mieszania. Natomiast dodatkowe arametry uwzgldniaj rdko tarcia, konwekcyjn skal rdkoci, skal dugoci Monina-Obukhova i skal temeratury otencjalnej [8, 9].

4 L. Brzozowska,. Drg 3. Ocena oddziaywania transortu drogowego rzy zastosowaniu systemów informacji rzestrzennej (GIS) Obecnie systemy informacji rzestrzennej maj wiele rónorodnych zastosowa. Midzy innymi stosuje si je w lanowaniu rzestrzennym, zarzdzaniu i dziaalnoci administracyjnej, ale take w ocenie i analizie stanu rodowiska rzyrodniczego [10]. W Polsce systemy GIS stosowano take w racach zwizanych z okreleniem oddziaywania transortu drogowego na rodowisko [11, 1]. Prace dotyczyy nie tylko oddziaywania zwizanego z rozrzestrzenianiem si zanieczyszcze ochodzenia samochodowego ale równie generowanego haasu. W obu rzyadkach system GIS wykorzystany by do wizualizacji i analizy stanu aktualnego oraz w zaoonych horyzontach czasowych. Takie odejcie ozwolio autorom wyej wymienionych rac wskaza obszary, w których jest lub nie jest rzekraczany douszczalny oziom zanieczyszcze. Wykorzystanie systemu informacji rzestrzennej w celu wizualizacji i analizowania rozkadów rzestrzennych ste zanieczyszcze wymaga utworzenia odowiednio zarojektowanego zintegrowanego systemu komuterowego. Jego zadaniem, orócz eksortu danych do systemu GIS, owinno by zaewnienie wymiany informacji omidzy moduami: transort, emisja i dysersja. Pierwszy z nich odowiedzialny jest za generowanie oraz rzechowywanie informacji zwizanych z sieci drogow. Modu drugi za obliczenie sumarycznej emisji oraz natenia emisji w oszczególnych odcinkach drogowych. Natomiast ostatni modu (dysersja) suy do modelowania ola stenia zanieczyszcze z jednoczesnym uwzgldnieniem warunków meteorologicznych. Schemat zintegrowanego systemu komuterowego rzedstawia rysunek 1. Rys.1. Schemat zintegrowanego systemu komuterowego Fig.1. Scheme of comuter integrated system W racy do analizy stenia zanieczyszcze wykorzystano komercyjny system informacji rzestrzennej Idrisi Klilimanjaro v. 14. Do orawnego imortu danych dotyczcych ste z moduu dysersja do systemu GIS wymagane s dodatkowe informacje, dotyczce: - tyu danych cyfrowych (rastrowe, wektorowe), - wsórzdnych ocztku i koca analizowanego obszaru, - stosowanego ukadu jednostek rzestrzennych, - minimalnej i maksymalnej wartoci ste. 4. Przykad zastosowania GIS w obliczaniu ste zanieczyszcze Przykad zastosowania systemów GIS do analizy zagadnie zwizanych z transortem drogowym dotyczyy ukadu komunikacyjnego rezentowanego na rys.. Zaoono wystowanie kilku rodzajów terenu: nieuytków, terenów lenych oraz dwu rodzajów zabudowy. Ma terenu wygenerowano rzy uyciu orogramowania GIS Idrisi Klilimanjaro v. 14. Analizowano rzy tym rozrzestrzenianie si tlenku wgla emitowanego rzez silniki ojazdów w ukadzie komunikacyjny skadajcy si z trzech skrzyowa oraz dróg dwukierunkowych o dwu lub czterech asach ruchu (rys. ). Natenie ruchu wynosio od 000

5 GIS in Modelling of Disersion of Car Exhaust Pollutants P/h do P/h (P-ojazdów) w zalenoci od fragmentu drogi, natomiast natenie emisji z silników ojazdów rzyjto wedug modelu HABEFA, jak oisano w rozdziale. Rys.. Analizowany obszar Fig.. Analysing area Rozwaano róne warunki meteorologiczne, dla których wielko zmienn stanowi kierunek wiatru (60, 90, 170, 5). Klas atmosfery rzyjto jako stabiln o nastujcych wartociach arametrów meteorologicznych: - rdko wiatru dla z 10m U = 1,8 m/s, - szorstko aerodynamiczna odoa z = 0, m, - skala dugoci Monina-Obukchova L * = 97 m, - rdko dynamiczna u * = 0,16 m/s, - strumie ciea H = -4, W/m, - temeratura owietrza dla z = m T = 13 C, - cinienie atmosferyczne E = 0,1 MPa. W rogramie wasnym rzerowadzono obliczenia ste zanieczyszcze w rozwaanym obszarze rzy rzyjtym ukadzie komunikacyjnym i okrelonych owyej warunkach meteorologicznych. Obliczenia oarto o wzór (1) rzedstawiony w rozdziale. Otrzymane rozkady ste tlenku wgla w rzyadku wystowania rónych kierunków wiatru rzedstawiono na rysunku 3. Mona zauway, e najwiksze stenia wystuj rzy wietrze z kierunku 5. Jest to sowodowane rzedmuchiwaniem zanieczyszcze wzdu gównej drogi, w kierunku kolejnych skrzyowa. Na ostatnim z nich wystuj wartoci maksymalne wynikajce z czciowego sumowania si ste zanieczyszcze. Rozkad ste dla trzech kolejnych skrzyowa w rzyadku, gdy kierunek wiatru wynosi 60 oraz 5 rzedstawia rysunek 4. Natomiast w tabeli 1 rzedstawiono wartoci redniego stenia tlenku wgla w obszarze skrzyowa S 1 S 3. Maksymalne wartoci stenia tlenku wgla (dla kierunków wiatru 60 i 5) na krzyowaniu ierwszym (S 1 ), drugim (S ) i trzecim (S 3 ) wynosiy odowiednio: 10,70 mg/m 3, 6,90 mg/m 3 oraz 7,30 mg/m 3. Naley rzy tym zwróci uwag, e dla rónych kierunków wiatru sosób

6 L. Brzozowska,. Drg rozrzestrzeniania si zanieczyszcze moe owodowa, e wysokie stenia okrywa bd znaczne fragmenty terenów zabudowanych (n. dla kierunku wiatru 5). Tereny zabudowane w obszarach okrelanych jako S 1 S 3 zajmoway rón owierzchni. Najwiksze wartoci ste zanieczyszcze wystoway w otoczeniu skrzyowania drugiego. Obliczenia wykonane rzy uyciu akietu Idrisi Kilimanjaro v. 14 wskazuj, e w rzyadku kierunku wiatru 5 a 30% budynków mieszkalnych znajduje si w strefie, dla której stenie tlenku wgla wynosi owyej 4 mg/m 3. Wrawdzie taka warto stenia tlenku wgla nie jest uznawana za niebezieczn, ale czsta i dugotrwaa eksozycja na jego oddziaywanie moe sta si rzyczyn wielu schorze u ludzi [13] Rys.3. Stenia zanieczyszcze rzy rónych kierunków wiatru Fig.3. CO concentrations for different wind directions Obszar Tab. 1. Wartoci redniego stenia tlenku wgla dla skrzyowa S 1 S 3 Tab. 1. Average CO concentrations near cross roads S 1 S 3 Kierunek wiatru rednie stenie Skrzyowanie S 1 1,37 1,9 1,43 1,5 Skrzyowanie S,4,50,53,0 Skrzyowanie S 3,51,45,40,65 Cay obszar 0,3 0,38 0,36 0,3

7 GIS in Modelling of Disersion of Car Exhaust Pollutants 60 5 S 1 S S 3 5. Podsumowanie Rys.4. Rozkad tlenku wgla na skrzyowaniach S 1 S 3, rzy rónych kierunkach wiatru Fig.4. CO concentrations near cross roads S 1 S 3 for different wind directions Modelowanie emisji i rozrzestrzeniania si zanieczyszcze komunikacyjnych wymaga stosowania zintegrowanego systemu komuterowego. Podstawowym celem takiego systemu jest modelowanie i bilansowanie emisji oraz tworzenie ma rzestrzennych rozkadów zanieczyszcze. Zastosowanie systemu GIS do analizy stenia zanieczyszcze ozwala na

8 L. Brzozowska,. Drg wskazanie obszarów o zwikszonej wartoci ste zanieczyszcze drogowych. Wykonane analizy wykazuj, e systemy informacji rzestrzennej s rzydatnym oraz wygodnym narzdziem wsomagajcym inne moduy systemu. Moliwo budowy skrytów, wykorzystywanych do zautomatyzowania czsto wykonywanych oeracji, odnosi efektywno tych systemów, orzez skrócenie czasu otrzebnego na wykonanie okrelonych analiz. Artyku owsta w trakcie realizacji rojektu badawczego nr 4T1D00830, finansowanego rzez Komitet Bada Naukowych. Literatura [1] Wskazówki metodyczne dotyczce modelowania matematycznego w systemie zarzdzania jakoci owietrza, Ministerstwo rodowiska, Gówny Insektorat Ochrony rodowiska, Warszawa, 003. [] Wskazówki dla wojewódzkich inwentaryzacji emisji na otrzeby ocen biecych i rogramów ochrony owietrza, Ministerstwo rodowiska, Gówny Insektorat Ochrony rodowiska, Warszawa, 003. [3] Rozorzdzenie Ministra rodowiska z dnia 5 grudnia 00 roku w srawie wartoci odniesienia dla niektórych substancji w owietrz, (Dz. Ust. 003, Nr 1, oz. 1). [4] Handbook Emission Factors for Road Transort, Version 1., INFRAS, [5] Brzozowski, K., Wojciech, S., The numerical analysis of car ollutants disersion, Archiwum Motoryzacji, Nr, , 000. [6] Khare, M., Sharma, P., Modelling urban vehicle emissions, WIT Press, Southamton, 00. [7] Brzozowski, K., Drg,., Liniowa i quasi liniowa koncecja róda w modelowaniu oddziaywania emisji ze rodków transortu koowego, Ochrona owietrza w teorii i raktyce (red. J,Konieczyski, R.Zarzycki), IPI PAN,. 4959, 004. [8] Brzozowska, L., Brzozowski, K., Komuterowe modelowanie emisji i rozrzestrzeniania si zanieczyszcze samochodowych, Wydawnictwo Naukowe lsk, Katowice-Warszawa, 003. [9] Markiewicz, M. T., Podstawy modelowania rozrzestrzeniania si zanieczyszcze w owietrzu atmosferycznym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 004. [10] Urbaski, J., Zrozumie GIS. Analiza informacji rzestrzennej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, [11] Baryzewska, K., Mazurkiewicz, M., Ulbrich, R., Analiza wywu ksztatu ukadu drogowoulicznego zanieczyszcze odkomunikacyjnych i haasu rzy arametrach brzegowych na rzykladzie Zabrza, htt:// [1] Brzuchowska, J. Swdrak, M., Przeciw salinom i haasowi, GIS jako narzdzie oceny uciliwoci rozwiaza komunikacyjnych we Wrocawiu, Geodeta, Nr 10 (77), htt://atomnet.l/~geodeta/001/77text.htm, 001. [13] Hazim, A., Ventilations of building, nd edition, Soon Press, London And New York, 003.