Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego

ARCHIWUM MOTORYZACJI 1, pp. 21-41 (2007) Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego ŁUKASZ DRG Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej W artykule przedstawiono zagadnienia, spotykane przy sporzdzaniu oceny oddziaływania transportu drogowego na rodowisko. Dotycz one modelowania i bilansowania emisji z silników pojazdów oraz opracowywania i analizowania map przestrzennego rozkładu stenia zanieczyszcze w skali miasta. Ponadto, opisano modele emisji i dyspersji zanieczyszcze, wchodzce w skład zintegrowanego systemu komputerowego, którego zadaniem jest okrelanie biecego oraz prognozowanego stanu jakoci powietrza. W celu przedstawienia moliwoci systemu, wykonano symulacje numeryczne obcienia ruchem sieci komunikacyjnej. Ich zadaniem było, wskazanie optymalnego rozwizania komunikacyjnego ze wzgldu na całkowit sumaryczn warto emisji drogowej oraz stenie zanieczyszcze w wybranych obszarach. W obliczeniach emisj okrelano na podstawie informacji z europejskiej bazy danych HBEFA, natomiast wartoci stenia zanieczyszczenia wyznaczano z wykorzystaniem formuły gaussowskiego skoczonego liniowego ródła emisji, przy czasie uredniania równym jednej godzinie. 1. Wstp Skutki oddziaływania transportu drogowego s odczuwalne przez całe rodowisko naturalne. Pojazdy podczas eksploatacji oprócz generowania hałasu, wzniecaj pyły oraz emituj szkodliwe zwizki, które powstaj w procesie spalania paliw. Do rodowiska emitowane s midzy innymi: tlenek wgla, tlenki azotu i siarki oraz wglowodory, w tym wglowodory aromatyczne oraz czstki stałe PM [1, 2]. Szacuje si, e w duych aglomeracjach miejskich, gdzie wystpuje dua mobilno ludzi, zanieczyszczenia pochodzenia motoryzacyjnego stanowi około 75% wszystkich zanieczyszcze powietrza atmosferycznego. Rozkład tego typu zanieczyszcze jest zmienny, w czasie i przestrzeni, i w duej mierze zaley od natenia i charakteru ruchu drogowego oraz sprawnoci technicznej pojazdów. Jedn z przyczyn wystpowania obszarów, w których czsto przekraczany jest poziom ste dopuszczalnych, jest brak odpowiedniej infrastruktury drogowej. W duych miastach gdzie ruch pojazdów jest intensywny, objawia si to tworzeniem zatorów drogowych. Powstawanie zatorów jest zjawiskiem niekorzystnym, poniewa prdko pojazdów w takich warunkach spada, a wystpujce czste ruszanie i zatrzymywanie si pojazdów wpływa na zwikszon emisj zanieczyszcze. Przebywanie organizmów

22 Ł. Drg ywych w takich warunkach jest szkodliwe. Przeprowadzane badania wpływu zanieczyszczenia atmosfery na człowieka, wykazuj jednoznacznie istnienie korelacji pomidzy zachorowalnoci i umieralnoci na choroby nowotworowe, a poziomem ste zanieczyszcze w powietrzu [3, 4]. Od wielu lat prowadzi si działania zmierzajce do zmniejszenia negatywnego wpływu transportu od wielu lat i s one przede wszystkim zwizane z procesami projektowania, wytwarzania i eksploatacji pojazdu. Ju teraz w trakcie projektowania zakłada si, czy podczas produkcji pojazdów bd wykorzystywane materiały i technologie tzw. przyjazne dla rodowiska oraz czy emisja poszczególnych zwizków szkodliwych spalin w trakcie uytkowania nie przekroczy dopuszczalnych wartoci. Równie w układach komunikacyjnych, w których wystpuje mała płynno ruchu, stosuje si działania naprawcze. Najczciej zwizane s one z modernizacj i tworzeniem połcze drogowych oraz ze zmian organizacji ruchu [5]. Aby okreli wpływ rodków transportu na rodowisko, w pobliu infrastruktury drogowej wykonuje si serie pomiarów ste substancji zanieczyszczajcych. Na podstawie pomierzonych wartoci ste, sporzdza si nastpnie raport oddziaływania. Przygotowanie takiego raportu jest jednak drogie i czasochłonne. Zwizane jest to z tym, e do wykonania pomiarów stosuje si specjalistyczn aparatur, a same pomiary dokonywane s w wielu punktach. Zgodnie z aktualnymi przepisami Ministerstwa rodowiska, przy sporzdzaniu wstpnych i okresowych ocen jakoci powietrza, podstawowym narzdziem oceny jakoci powietrza s pomiary, które musz by prowadzone w aglomeracjach oraz strefach, w których poziom substancji zanieczyszcze jest wyszy od górnego poziomu oszacowania. Na pozostałych obszarach dopuszcza si szacowanie jakoci powietrza w oparciu o matematyczne modelowanie lub przy uyciu innych metod szacowania [6]. Dlatego głównym celem modelowania winno by dostarczenie uzupełniajcych informacji dla danych pomiarowych, ale moe ono by równie stosowane do lokalizacji obszarów wystpowania przekrocze dopuszczalnych ste zanieczyszcze. Matematyczne modelowanie umoliwia przygotowywanie planów naprawczych. Jest to moliwe dziki zastosowaniu w procesie modelowania rónych wariantów lokalizacji i intensywnoci ródeł emisji przy jednoczesnym uwzgldnieniu parametrów metrologicznych. Zarzdzanie jakoci powietrza atmosferycznego w aglomeracjach miejskich z uwzgldnieniem matematycznego modelowania rozprzestrzeniania si zanieczyszcze wymaga opracowania i wykorzystania odpowiednio przygotowanego zintegrowanego systemu informatycznego. Podstawowymi zadaniami takiego systemu powinno by: dostarczenie informacji o istniejcych i potencjalnych ródłach zanieczyszcze, modelowanie i bilansowanie emisji oraz tworzenie map przestrzennego rozkładu stenia zanieczyszcze dla okrelonych przedziałów czasowych. Ponadto, w obszarach o gstej infrastrukturze drogowej winien on uwzgldnia emisj ze ródeł emisji, jakimi s poruszajce si pojazdy samochodowe [7].

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 23 2. Modelowanie emisji i dyspersji zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego Poprawne modelowanie emisji z układu wylotowego silnika pojazdu podczas ruchu stanowi jeden z kluczowych problemów w zagadnieniach bilansowania i sporzdzania danych wejciowych dla modeli rozprzestrzeniania si zanieczyszcze. Na warto sumaryczn emisji w danej sieci drogowej ma wpływ wiele czynników, s one zwizane z [2]: dynamik pojazdów (prdko chwilowa, rednia), struktur rodzajow pojazdów (osobowe, ciarowe, wielko i rodzaj silnika), stanem cieplnym silników (temperatura otoczenia, czas postoju), właciwociami ekologicznymi silników pojazdów, stosowanymi paliwami (skład i zawarto zanieczyszcze w paliwie), warunkami otoczenia (warunki atmosferyczne, nachylenie i nawierzchnia jezdni). Przy tak duej liczbie czynników oraz złoonym opisie zjawisk determinujcych proces emisji nie mona unikn załoe upraszczajcych. Tworzone w Europie od wielu lat modele emisji, takie jak HBEFA, COPERT, DVG i DRIVE MODEM staraj si uwzgldnia jak najwiksz liczb parametrów wpływajcych na emisj [8]. Emisj najczciej uzalenia si od prdkoci pojazdu, stanu cieplnego silnika oraz ukształtowania i charakteru jezdni. W przypadku gdy emisja uzaleniona jest wyłcznie od redniej prdkoci pojazdów, prowadzi to do sformułowania charakterystyk statycznych emisji. Natomiast, jeeli nastpuje powizanie natenia emisji z chwilow prdkoci pojazdu oraz jego przyspieszeniem, prowadzi to do sformułowania charakterystyk dynamicznych. Stan cieplny silnika uwzgldniany jest na róne sposoby, np. w modelu COPERT, do okrelenia dodatkowej emisji drogowej w warunkach zimnego rozruchu, zdefiniowano współczynnik emisji. Wyznacza si go dla poszczególnych składników spalin w zalenoci od kategorii i prdkoci pojazdu oraz temperatury otoczenia [9, 10]. Pozostałe parametry, takie jak: ukształtowanie i charakter jezdni, dotycz głównie nachylenia oraz tego czy jezdnia ma lub nie ma zakrtów. Według obowizujcej w Polsce metodyki [11] opracowanej przez prof. Zdzisława Chłopka z Politechniki Warszawskiej, emisj drogow poszczególnych składników spalin dla danej grupy pojazdów w układach komunikacyjnych wyznacza si na podstawie redniej prdkoci ruchu pojazdów. W celu modelowania emisji drogowej w zalenoci od redniej prdkoci, buduje si charakterystyki statyczne emisji. Tworzenie takich charakterystyk polega na aproksymacji wyników emisji uzyskanych w pomiarach, dla pewnych charakterystycznych rodzajów ruchu, w których pojazdy uzyskuj róne prdkoci rednie przejazdu. Ze wzgldu na brak w Polsce wystarczajco duej liczby wyników bada oraz trudnoci w okreleniu składu poszczególnych kategorii pojazdów, do szacowania emisji drogowej adaptuje si wyniki bada z modelu HBEFA [12]. Naley przy tym uwzgldni to, w którym roku struktura poszczególnych kategorii pojazdów w Niemczech była podobna do dzisiejszej w Polsce. Szacuje si, e jest to okres około 5-7 lat wstecz.

24 Ł. Drg Charakterystyki statyczne emisji dla danych z modelu HBEFA buduje si dla nastpujcych kategorii pojazdów [11, 12]: samochody osobowe (passenger car PC), samochody dostawcze (light-duty vehicles LDV), samochody ciarowe pojedyncze (truck Truck), samochody ciarowe (heavy-duty vehicles HDV), autobusy miejskie (buses Ubus), autobusy dalekobiene (coaches Coach), motocykle (motorcycles MC), motorowery (motorcycle light MCL). Modelowanie emisji w wikszej skali przestrzennej (kilku ulic, dzielnic, całej aglomeracji) wymaga znajomoci oprócz redniej prdkoci przejazdu dla kadej kategorii pojazdów, struktury rodzajowej na poszczególnych odcinkach drogowych. W niniejszym artykule struktur rodzajow pojazdów oparto na piciu kategoriach: PC, LDV, HDV, Truck i Ubus. Do wyznaczenia sumarycznej emisji dla floty pojazdów na poszczególnych odcinkach drogowych, wykorzystano charakterystyki statyczne emisji utworzone na podstawie danych z modelu HBEFA (z opónieniem wspomnianym powyej). Charakterystyki statyczne emisji uzyskano aproksymujc dyskretne wartoci emisji wielomianem szóstego stopnia. Wykresy zalenoci emisji drogowej tlenku wgla i tlenków azotu od redniej prdkoci ruchu dla pojazdów z kategorii PC i LDV przedstawiaj rysunki 1 i 3, a dla pojazdów z kategorii HDV, Truck i Ubus rysunki 2 i 4. Rys. 1. Charakterystyki emisji drogowej CO dla kategorii pojazdów PC i LDV według modelu HBEFA. Fig. 1. CO emission characteristics for a PC and LDV vehicles according to the HBEFA model.

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 25 Rys. 2. Charakterystyki emisji drogowej CO dla kategorii pojazdów HDV, Truck i Ubus według modelu HBEFA. Fig. 2. CO emission characteristics for a HDV, Truck and Ubus vehicles according to the HBEFA model. Rys. 3. Charakterystyki emisji drogowej NO x dla kategorii pojazdów PC i LDV według modelu HBEFA. Fig. 3. NO x emission characteristics for a PC and LDV vehicles according to the HBEFA model. Rys. 4. Charakterystyki emisji drogowej NO x dla kategorii pojazdów HDV, Truck i Ubus według. modelu HBEFA Fig. 4. NO x emission characteristics for a HDV, Truck and Ubus vehicles according to the HBEFA model.

26 Ł. Drg Modelowanie emisji wyłcznie poprzez redni prdko pojazdu pozwala na uzasadnione przyjcie stałej intensywnoci emisji na całej długoci rozpatrywanego odcinka drogowego. Pojazdy poruszajce si po odcinkach drogowych traktuje si jako liniowe ródło emisji. Intensywno emisji q [g m -1 s -1 ] składnika spalin p z takiego ródła, wyznacza si z zalenoci [13, 14]: q p = n j = 1 j p ( ) Nδ b (1) p, j vs, j gdzie: n liczba rozpatrywanych kategorii pojazdów, δ współczynnik udziału w ruchu pojazdów kategorii j, j N natenie ruchu pojazdów [pojazdów/h], ( ) b p j s, j, v oznacza redni emisj drogow [g/km] składnika p dla pojazdów kategorii j, j s, v rednia prdko ruchu pojazdów [km/h] kategorii j. W celu wyznaczenia rozkładu stenia zanieczyszcze w ssiedztwie infrastruktury drogowej stosuje si matematyczne modele rozprzestrzeniania si zanieczyszcze. Modele te, uwzgldniajc panujce na danym obszarze warunki meteorologiczne, charakter pokrycia oraz rzeb terenu, pozwalaj na opis zjawisk takich jak [9, 10, 15]: transport przez wiatr, dyfuzj turbulentn, przemiany chemiczne, transport czstek gazowych i aerozolu w kierunku do powierzchni ziemi, gdzie s absorbowane lub/i adsorbowane oraz wymywanie z atmosfery przez chmury czy opad atmosferyczny. Złoono matematyczna stosowanych modeli jest róna, głównymi czynnikami decydujcymi o ich przydatnoci do modelowania ste zanieczyszcze pochodzenia komunikacyjnego jest skala przestrzenna oraz czasowa. Inne bowiem wymagania stawiane s przed modelami mikro, a inne przed modelami mezo czy makroskalowymi. Do zada tych pierwszych naley okrelenie stopnia zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego w skali skrzyowania, parkingu czy kanionu ulicznego, natomiast modele pozostałych kategorii pozwalaj na szacowanie poziomu zanieczyszcze w skali całego miasta lub województwa. Powszechnie uywanymi modelami do sporzdzania rozkładu zanieczyszczenia wokół układów komunikacyjnych s analityczne modele gaussowskie. Do modeli tego typu zalicza si modele smugowe, smugi segmentowej i obłoku. Modele smugowe zakładaj przy tym, e emisja zanieczyszczenia ze ródła ma charakter cigły i jest niezmienna w czasie 1h. Układ drogowy w zalenoci od kształtu oraz rodzaju przyjtego modelu smugowego moe by reprezentowany przez zbiór ródeł liniowych lub zastpczych ródeł punktowych. W przypadku modeli smugi segmentowej, przyjmuje

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 27 si punktowy charakter ródła emisyjnego. Smug dzieli si na segmenty. Powstaj one poczynajc od ródła emisji i s opisywane parametrami w sposób analogiczny jak w modelu pojedynczej smugi. Taki podział, umoliwia uwzgldnianie zmiennych w czasie urednionych parametrów meteorologicznych. Natomiast model obłoku zakłada, e kady pojazd jest traktowany jak pojedyncze ródło emisji, które emituje w okrelonym czasie pewn mas zanieczyszczenia [16]. Całkowite stenie zanieczyszczenia w danym receptorze otrzymuje si poprzez zsumowanie ste jednostkowych pochodzcych od wszystkich obłoków. Powstajca dua liczba obłoków podczas symulacji numerycznych sprawia, e algorytm wyznaczania rozkładu stenia zanieczyszcze jest mało efektywny. Szybszy jest algorytm wykorzystujcy model smugowy. Jak ju wspomniano, wród gaussowskich modeli smugowych wykorzystuje si podział układu drogowego na zastpcze ródła punktowe lub liniowe. W pracy [17] przedstawiono i porównano przestrzenne rozkłady stenia zanieczyszczenia dla obu metod podziału. Jednoczenie wskazano, e bardziej przydatny jest model skoczonego ródła liniowego. Model ten został wykorzystany midzy innymi w pracach zwizanych z ocen stopnia oddziaływania transportu drogowego w duych miastach [18, 19]. Gaussowski model skoczonego ródła liniowego (GFLSM) stosuje si przyjmujc, e pocztek układu współrzdnych znajduje si w połowie długoci odcinka stanowicego ródło emisji. Stenie zanieczyszczenia w punkcie o współrzdnych ( x, y, z) mona obliczy ze wzoru [20, 21]: gdzie: C p q p = 2πσ u p z e 1 z H exp 2 σ z sinθ erf 1 z + H + exp 2 σ z ( L y) xcosθ sinθ ( L + y) 2 2σ y 2 2 + xcosθ + erf 2 2σ y C stenie zwizku p [g m -3 ] w punkcie o współrzdnych ( x y, z) H wysokoródła emisji [m], L długo liniowego ródła emisji [m], θ kt okrelajcy kierunek wiatru, u e efektywna prdko wiatru [m/s], σ, współczynniki poziomej i pionowej dyfuzji atmosferycznej [m], y σ z erf funkcja błdu. (2),, W modelach smugowych gaussowskich do wyznaczania parametrów determinujcych rozprzestrzenianie zanieczyszcze stosuje si dwa podejcia, std rozrónia si modele starej oraz nowej generacji. W modelach gaussowskich starej generacji wykorzystuje si tradycyjny opis intensywnoci ruchów turbulentnych w atmosferze,

28 Ł. Drg poprzez dyskretne stany równowagi atmosfery. Wówczas współczynniki pionowej i poziomej dyfuzji σ, σ mog by wyznaczane np. z zalenoci, które opisuj y z krzywe Pasquilla-Gifforda. Za modele nowej generacji bazuj na opisie struktury warstwy granicznej przy pomocy teorii podobiestwa i parametrach skalujcych graniczn warstw atmosfery. Podstawowymi parametrami wykorzystywanymi do skalowania s: powierzchniowy strumie ciepła, powierzchniowy strumie pdu i wysoko warstwy mieszania. Dodatkowe parametry uwzgldniaj prdko tarcia, konwekcyjn skal prdkoci, skal długoci Monina-Obukhova i skal temperatury potencjalnej. Stosowane w modelach gaussowskich nowej generacji algorytmy obliczeniowe wykorzystywane do wyznaczenia pionowych profili wiatru, turbulencji i temperatury nazywane s preprocesorem meteorologicznym [10, 15]. Dziki nim moliwe jest uzyskanie informacji meteorologicznych opisujcych warunki rozprzestrzeniania zanieczyszcze w obszarze oblicze. 3. Bilansowanie emisji oraz wyznaczenie rozkładu stenia zanieczyszcze w skali miasta Modelowanie emisji drogowej z wykorzystaniem charakterystyk statycznych emisji wymaga okrelenia struktury rodzajowej oraz redniej prdkoci przejazdu pojazdów na kadym z odcinków rozpatrywanej sieci komunikacyjnej. Jeeli zadanie modelowania obejmuje kilka dróg, to przeprowadza si stosowne pomiary prdkoci oraz struktury udziału poszczególnych kategorii pojazdów w ruchu. Jednak w przypadku bilansowania emisji w rozległych układach nie jest to moliwe. Dobrym rozwizaniem jest wówczas stworzenie bazy danych dla rónych rodzajów skrzyowa, która zawierałaby informacje dotyczce redniej prdkoci ruchu w zalenoci od długoci, nachylenia i stanu technicznego dróg oraz natenia ruchu pojazdów. Pozwala to bowiem na obliczanie brakujcych danych bez wykonywania stosownych pomiarów. Przykład takiej bazy przedstawiono w pracy [20], w której oprócz redniej prdkoci ruchu na całym odcinku drogowym uwzgldnia si stany dynamiczne. W tworzeniu bazy wykorzystano modele ruchu pojazdów zarówno deterministyczne, jak i stochastyczne, które uwzgldniaj dynamik pojazdów oraz relacje pomidzy uczestnikami ruchu i otoczeniem. Pozyskiwanie informacji z bazy danych odbywa si z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych. Intensywno emisji dla pojedynczego odcinka drogowego oblicza si z wzoru (1), w przypadku stosowania modelu GFLSM, jeli droga ma kształt prostoliniowy, zastpuje si j pojedynczym zastpczym ródłem liniowym. Za drogi o kształcie nieliniowym zastpowane s seri mniejszych ródeł liniowych o takiej samej intensywno- ci emisji. Stenie zanieczyszczenia w pobliu drogi oblicza si ze wzoru (2), jako superpozycj ste pochodzcych od wszystkich zastpczych ródeł. Stosowanie modelu GFLSM starej generacji wymaga znajomoci tylko kierunku i prdkoci wiatru. Kiedy nie jest moliwe wykonanie pomiaru tych wielkoci, wykorzystuje si informacje o czstoci i kierunku wiatru dostarczone przez IMGW w postaci róy wiatrów. W modelach nowej generacji, dane meteorologiczne uzupełnia si

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 29 parametrami wejciowymi preprocesora, dotycz one wartoci strumienia ciepła, temperatury powietrza, cinienia atmosferycznego oraz skali długoci Monina-Obukhova. 4. Zintegrowane systemy komputerowe Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze w aglomeracjach miejskich czsto wspomaga odpowiednio przygotowane zintegrowane systemy komputerowe. Posługiwanie si informacjami przestrzennymi i atrybutowymi, zwizanymi z obszarem oblicze sprawia, e podstaw zintegrowanych systemów stanowi systemy informacji przestrzennej (SIP). Pozwalaj one bowiem na stosowanie specjalnych technik przetwarzania, przechowywania, analizy i wizualizacji. Oprócz systemów SIP w skład zintegrowanych systemów wchodzi zazwyczaj kilka mniejszych modułów odpowiedzialnych za obliczanie emisji i przestrzennych rozkładów stenia zanieczyszcze, tak jak to przedstawiono w pracach [7, 23, 24]. Tym co odrónia poszczególne systemy od siebie, to złoono matematyczna modeli emisji z silników pojazdów oraz dyspersji zanieczyszcze. W inny sposób przedstawiane s take wyniki, poniewa mog one dotyczy rónych skal przestrzennych oraz rónego czasu uredniania. W pracach [23, 24] zaproponowano koncepcj zintegrowanego systemu do oceny wpływu transportu drogowego na rodowisko. Zakłada si w nim, e emisja drogowa obliczana jest na podstawie współczynników emisji, wyznaczanych dla kilku kategorii przedstawicieli całej populacji pojazdów. Stenie zanieczyszczenia wyznaczono na podstawie metody skoczonego liniowego ródła emisji. Wan cech wpływajc na zwikszenie funkcjonalnoci zintegrowanych systemów komputerowych jest moliwo podejmowania działa o charakterze planistycznym w systemach zarzdzania jakoci powietrza atmosferycznego. Wykonywane symulacje obcienia sieci komunikacyjnej ruchem drogowym pozwalaj na zlokalizowanie obszarów, w których s przekraczane wartoci stenia dopuszczalnego. Równie po uwzgldnieniu danych dotyczcych lokalizacji nowych ródeł emisji moliwe jest okrelenie zmian jakoci powietrza, jakie powstan w wyniku ich eksploatacji. Z uwagi na potrzeb zapewnienia systemom jak najwikszej dokładnoci, uzupełnia si je informacjami zwizanymi z tłem zanieczyszcze. Okreleniem wartoci tła zajmuj si krajowe i regionalne stacje Pastwowego Monitoringu Powietrza Atmosferycznego. Przy ocenie przydatnoci systemu dopuszcza si, aby obliczone wartoci ste róniły si, co najwyej, o 60% od wartoci ste pomierzonych [5]. 5. Symulacje numeryczne uciliwoci połcze komunikacyjnych W celu okrelenia wpływu rodków transportu drogowego na zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego przeprowadza si stosowne symulacje numeryczne. Wykonywane s one dla rónej długoci przedziału czasowego. Na wybór długoci tego przedziału ma wpływ wiele czynników. Jednak najwaniejszym jest skala modelowanego układu komunikacyjnego. Dla pojedynczego skrzyowania, przy wykorzystaniu

30 Ł. Drg modeli numerycznych rozprzestrzeniania si zanieczyszcze długo czasu oblicze wynosi od kilku minut do 1h. Natomiast dla układu drogowego o duych rozmiarach oraz złoonoci, gdzie stenie zanieczyszcze obliczane jest modelami analitycznym czas ten zazwyczaj odnosi si do pojedynczej godziny, ale moe take dotyczy wybranej pory dnia, miesica czy nawet pory roku. Dla rozbudowanych układów komunikacyjnych, w których czsto nie mona przeprowadzi odpowiednio długiej, (np. dzie, tydzie) rejestracji parametrów charakteryzujcych ruch i struktur floty pojazdów, okrela si sytuacje o najwikszym obcieniu ruchu drogowego. Nastpnie przeprowadza si dla nich 1h pomiary. Istotnymi parametrami wejciowymi rejestrowanymi w trakcie tych pomiarów, według przedstawionej wczeniej metodyki tworzenia rozkładu stenia zanieczyszczenia s: natenie oraz struktura rodzajowa poruszajcych si pojazdów oraz redni kierunek i rednia prdko wiatru. W przypadku dysponowania pomiarami wymienionych powyej wielkoci w dłuszym przedziale czasu, moliwe jest przeprowadzenie analizy zmiennoci rozkładu stenia zanieczyszcze w wybranych podprzedziałach czasu. Ma to due znaczenie, gdy analizowane s stenia zanieczyszcze w miastach, w których natenie ruchu wykazuje charakterystyczn zmienno dobow. Najczciej cechuje si ona dwoma maksimami przypadajcymi na godziny poranne oraz popołudniowe, kiedy wystpuje zmoone przemieszczanie si ludzi do i z pracy [4]. Analiza przedziałów czasowych dłuszych od 1h wymaga, aby parametry opisujce ruch i struktur pojazdów oraz warunki meteorologiczne były rejestrowane w podprzedziałach 1h. Dla pomierzonych w ten sposób parametrów wejciowych moliwe jest prawidłowe okrelenie redniej prdkoci ruchu pojazdów, emisji drogowej i intensywnoci emisji z odcinków drogowych oraz redniego rozkładu stenia zanieczyszczenia w ich pobliu. Obliczenia rozkładu naley dokonywa dla kadego z emitowanych zwizków z osobna. Warto rednia stenia kadego z punktów siatki obliczeniowej dla całego przedziału obliczeniowego, oblicza si jako redni ze ste dla wszystkich 1h podprzedziałów czasu. W niniejszej pracy wykonano analiz oddziaływania transportu drogowego na rodowisko dla obszaru przedstawionego na rysunku 5. Obszar ten dotyczy rzeczywistego układu komunikacyjnego o wymiarach 5km x 5km, w którym wystpuje 9 skrzyowa dróg dwujezdniowych. Przedstawiona analiza składała si z dwóch etapów. W pierwszym, analizowano emisj i rozkłady stenia zanieczyszcze dla maksymalnego obcienia układu komunikacyjnego przypadek 1, a w nastpnym sprawdzano wpływ planowanego nowego połczenia drogowego na sumaryczn emisj i stenia zanieczyszcze przypadek 2. Obliczenia wykonano dla tlenku wgla i tlenków azotu. Przy bilansowaniu emisji i tworzeniu map zanieczyszcze posłuono si zintegrowanym systemem komputerowym, który zbudowano w oparciu o przedstawion wczeniej metodyk dla modelu liniowego gaussowskiego skoczonego ródła emisji nowej generacji.

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 31 Rys. 5. Analizowany układ komunikacyjny. Fig. 5. Considered roads network. W celu okrelenia emisji na wszystkich odcinkach drogowych ze wzgldu na brak danych pomiarowych, przyjto natenie ruchu tylko dla przedziału czasowego 1h, takie jak na rysunku 6, dla którego z bazy danych [22] wyznaczono odpowiadajce rednie prdkoci przejazdu pojazdów pomidzy skrzyowaniami rysunek 7. W obliczeniach uwzgldniono pi kategorii pojazdów, których udział procentowy przedstawia w tabeli 1. Emisja drogowa dla floty pojazdów obliczana była z bazy emisyjnej dla modelu HBEFA. Tabela 1. Struktura rodzajowa floty pojazdów. Table 1. Traffic flow structure. Kategoria Udział procentowy [%] samochody osobowe samochody dostawcze samochody ciarowe pojedyncze samochody ciarowe autobusy miejskie 80 10 5 3 2

Ł. Dr g 32 Rys. 6. Nat enie ruchu pojazdów N [pojazdów/h] przypadek 1. Fig. 6. Traffic flow N [vehicles/h] case 1. Rys. 7. rednia pr dko ruchu v rd [km/h] samochodów osobowych przypadek 1. Fig. 7. Average velocity v rd [km/h] of passenger cars for case 1.

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 33 Najwiksze obcienie sieci komunikacyjnej wystpuje na odcinkach pomidzy skrzyowaniami S 1 S 2, S 2 S 3 i S 3 S 4, a rednia prdko przejazdu jest tam najmniejsza. Dlatego w ich ssiedztwie naley spodziewa si zwikszonej emisji oraz koncentracji zanieczyszcze. Przeprowadzone symulacje numeryczne emisji i dyspersji zanieczyszcze potwierdzaj wczeniejsze przypuszczenia, poniewa najwiksze obliczeniowe stenia zanieczyszcze wystpuj w pobliu wspomnianych odcinków. Na rysunku 8 przedstawiono rozkład stenia tlenku wgla, a na rysunku 9 tlenków azotu. Symulacje wykonane zostały dla czasu uredniania 1 h oraz stanu atmosfery neutralnej i urednionego kierunku wiatru α = 335, dla wysokoci z =1,8 m nad powierzchni jezdni. Rys. 8. Rozkład stenia CO [mg m -3 ] w obszarze układu komunikacyjnego przypadek 1. Fig. 8. CO concentration [mg m -3 ] for roads network for case 1. Drugim etapem prowadzonych prac było zaplanowanie połczenia komunikacyjnego, które pozwoliłyby na odcienie istniejcego układu komunikacyjnego nie powodujc wzrostu zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. Przy planowaniu połczenia załoono, e pocztek trasy znajduje si w punkcie skrzyowania S 1 a koniec na odcinku drogi lecej pomidzy skrzyowaniami S 3 S 5. Wykorzystujc moduł analizy przestrzennej systemu SIP wyznaczono optymalne połczenie rysunek 10. Kryterium poszukiwania był koszt budowanego połczenia, na którego wielko miało wpływ pokrycie oraz ukształtowanie terenu (rys. 5).

34 Ł. Dr g Rys. 9. Rozkład st enia NOx [mg m-3] w obszarze układu komunikacyjnego przypadek 1. Fig. 9. NOx concentration [mg m-3] for roads network for case 1. Rys. 10. Projektowane poł czenie drogowe. Fig. 10. Designed road connection.

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 35 Zało ono, e na nowym poł czeniu pojazdy porusza b d si ze redni pr dkoci 50km/h, a nat enie ruchu wyznaczone jest na podstawie ró nic w czasach przejazdów. Je li czas przejazdu grupy pojazdów korzystaj cych z nowego poł czenia zmniejszy si, to zakłada si, e 70% z nich b dzie porusza si nowa tras, a pozostałe 30% nie zmieni swojej dotychczasowej trasy przejazdu. Ponownego wyznaczenia redniej pr dko ci przejazdu b d potrzebowały odcinki, na których zmieni si nat enie ruchu. Jak w przypadku układu przed modernizacj rednie pr dko ci obliczano na podstawie bazy danych [22]. Wyznaczone rozkłady st enia zanieczyszczenia z uwzgl dnieniem nowego poł czenia przedstawiaj rysunek 11 dla tlenku w gla a rysunek 12 dla tlenków azotu. Rys. 11. Rozkład st enia CO [mg m-3] w obszarze układu komunikacyjnego przypadek 2. Fig. 11. CO concentration [mg m-3] for roads network for case 2. Porównanie wyników dotycz cych szacowanego nat enia ruchu oraz emisji dla odcinków drogowych, na których wyst puj zmiany po wł czeniu do sieci komunikacyjnej nowego poł czenia przedstawiono w tabeli 2. Analizuj c warto ci emisji mo na zauwa y, e nast puje zmniejszenie emisji na odcinkach I, II i III rednio o ok. 60%. Jednak uwzgl dniaj c emisj, która powstanie w wyniku eksploatacji pojazdów na nowym IV odcinku z bilansu emisji dla całego układu komunikacyjnego wynika, e zmniejszona b dzie ona o ok. 13% dla obu zwi zków.

Ł. Dr g 36 Rys. 12. Rozkład st enia NOx [mg m-3] w obszarze układu komunikacyjnego przypadek 2 Fig. 12. NOx concentration [mg m-3] for roads network przypadek 2 Tabela 2. Nat enie ruchu pojazdów N [pojazdów/h] oraz nat enie emisji [g/h] przypadek 1 i 2. Table 2. Traffic flow N [vehicles/h] and intensity emission [g/h] for roads network for cases 1 and 2. Odcinek I (S1 S2) L = 2164 m II (S2 S3) L = 846 m III (S3 S4) L = 1677 m IV (S1 S4) L = 2782 m Stan N [pojazdów/h] NOx [g/h] CO [g/h] wej cie wyj cie wej cie wyj cie wej cie wyj cie przypadek 1 3500 4100 19416,5 23292,4 10187,0 12234,3 przypadek 2 1450 1755 6671,5 9114,3 3472,4 4632,0 zmiana [%] 58,6 57,2 65,6 60,9 65,9 62,1 przypadek 1 3600 4400 7824,7 9983,7 4109,2 5219,0 przypadek 2 1550 2055 3116,1 4243,5 1579,8 2167,1 zmiana [%] 56,9 53,3 60,2 57,5 61,6 58,5 przypadek 1 4000 3800 16537,9 17533,6 9215,9 8694,5 przypadek 2 1655 1750 7060,6 6632,5 3366,4 3588,0 zmiana [%] 58,6 53,9 57,3 62,2 63,5 58,7 przypadek 1 przypadek 2 2050 2345 12106,5 13892,8 6301,2 7230,9

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 37 Kolejnym krokiem było porównanie ste zanieczyszcze wzdłu profilu A B przedstawionego na rysunku 13 oraz trzech wyznaczonych stref (rys. 14) dla stanu obcienia układu komunikacyjnego sprzed i po modernizacji. Profil obejmował odcinek o długoci 3,2 km w obszarze zabudowy w bliskim ssiedztwie cigów komunikacyjnych. Rys. 13. Linia profilu A B. Fig. 13. Line A B profile. Wszystkie poddane analizie strefy znajduj si w obszarze zabudowy. Strefa pierwsza dotyczy całego terenu zlokalizowanego wzdłu odcinków drogowych o najwikszym obcieniu ruchem drogowym. Pozostałe dwie, wyznaczono zawajc stref 1 do odległoci 50 i 100m od jezdni. Rys. 14. Analizowane strefy. Fig. 14. Analyzed zones.

38 Ł. Drg Stenia zanieczyszcze dla zwizków tlenku wgla oraz tlenków azotu na wysokoci z =1,8 m dla profilu A B przedstawiaj odpowiednio rysunki 15 i 16. Rónice w wartoci stenia redniego i maksymalnego wyznaczonego wzdłu profilu A B przed i po modernizacji układu komunikacyjnego przedstawia tabela 3. Rys. 15. Stenie CO [mg m -3 ] profil A B. Fig. 15. Concentration CO [mg m -3 ] profile A B. Rys. 16. Stenie NO x [mg m -3 ] profil A B. Fig. 16. Concentration NO x [mg m -3 ] profile A B. Tabela 3. rednie C i maksymalne rd C stenie CO i NO max x dla profilu A B. Table 3. Average C and maximal rd C CO and NO max x concentrations for profile A B. C rd [mg m -3 ] max C [mg m -3 ] Stan CO NO x CO NO x przed 0,845 0,4418 1,9094 1,0020 po 0,4198 0,2148 0,7949 0.4086 zmiana [%] 50,3 51,4 58,4 59,2

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 39 Stenie rednie i maksymalne zanieczyszczenia wyznaczono równie dla trzech analizowanych stref dla sytuacji sprzed i po modernizacji. Zestawienie wartoci przedstawiono w tabeli 4. We wszystkich przypadkach obliczone stenie rednie i maksymalne jest mniejsze dla układu po modernizacji. Najwiksze rónice w wartoci stenia redniego zanotowano w strefie trzeciej a najmniejsze w pierwszej. Wynika to z tego, i strefa 3 jest zlokalizowana najbliej cigów komunikacyjnych. Tabela 4. rednie C i maksymalne rd C stenie CO i NO max x dla trzech stref. Table 4. Average C and maximal rd C CO and NO max x concentrations for all three zones. Zwizek CO Stan C rd [mg m -3 ] strefa 1 strefa 2 strefa 3 C max [mg m -3 ] przed 0,2562 0,286 0,3036 4,8795 po 0,2268 0,2398 0,2401 3,9759 zmiana [%] 11,5 16,2 20,9 18,5 przed 0,1338 0,1498 0,1587 2,5593 NO x po 0,1177 0,1244 0,1245 2,0853 zmiana [%] 12,0 17,0 21,6 18,5 Z przeprowadzonych analiz bilansu emisji oraz ste zanieczyszcze wynika, e włczenie do eksploatacji planowanego odcinka drogowego nie spowoduje zwikszenia obcienia rodowiska naturalnego. Zaproponowane połczenie drogowe wpływajc na zwikszenie przepustowoci ruchu drogowego (odcinki I, II, III) wpłynie na popraw jakoci powietrza atmosferycznego w wybranych obszarach. Szacowana globalna emisja tlenku wgla i tlenków azotu z silników pojazdów dla modelowanego układu komunikacyjnego zostanie zmniejszona o ok. 13%. Wartoci sterednich i maksymalnych dla obszaru pierwszego zostan pomniejszone odpowiednio o 12 i 18%. 6. Podsumowanie Sporzdzenie oceny wpływu transportu drogowego na rodowisko wymaga podjcia wielu powizanych ze sob działa. Najczciej zwizane s one z modelowaniem emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze. Zaproponowane w pracy podejcie, zgodne z obowizujc w Polsce metodyk, umoliwia sporzdzanie raportu oddziaływania dla istniejcych oraz planowanych połcze drogowych. W przypadku nowo projektowanych połcze komunikacyjnych, ocen oddziaływania winno rozpatrywa si w kilku aspektach. Pierwszy z nich powinien dotyczy sumarycznej emisji zanieczyszcze, natomiast kolejne, zmian w steniu zanieczyszcze spowodowanych lokalnymi zmianami intensywnoci ródeł emisji.

40 Ł. Drg Na przygotowanie kocowej oceny oddziaływania, oprócz bilansowania emisji, zasadniczy wpływ ma analiza ste zanieczyszcze. Najczciej dotyczy ona tworzenia okrelonych profili i rozkładów oraz obliczania wartoci rednich i maksymalnych. Na zmniejszenie czasu wykonania raportu oddziaływania, znaczcy wpływ ma wykorzystanie zintegrowanych systemów komputerowych. Literatura [1] CHŁOPEK Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1999. [2] CHŁOPEK Z.: Ochrona rodowiska naturalnego. Wydawnictwa Komunikacji i Łcznoci, Warszawa, 2002. [3] SKRZYPI SKI J.: Zintegrowane zarzdzanie jakoci w miastach. Problemy ochrony powietrza w aglomeracjach miejsko-przemysłowych. Praca zbiorowa pod redakcj Konieczyki J., Zarzycki R., Zakład Graficzny Politechniki lskiej, s. 219 225, 2003. [4] BADYTA A., KRASZEWSKI A.: Analiza zalenoci pomidzy nateniem ruchu a wynikami monitoringu zanieczyszcze komunikacyjnych w przekroju automatycznej stacji pomiarowej pastwowego monitoringu rodowiska w Warszawie. Pojazd a rodowisko, Pol. Rad. i Urzd Miejski Radom, s. 13 20, 2005. [5] CHŁOPEK Z., PALICHNOWSKI T.: Modelowanie emisji zanieczyszcze z pojazdów poruszajcych si na skrzyowaniu. Archiwum Motoryzacji, Nr 4, s. 189 205, 2002. [6] Wskazówki metodyczne dotyczce modelowania matematycznego w systemie zarzdzania jakoci powietrza. Ministerstwo rodowiska, Główny Inspektorat Ochrony rodowiska, Warszawa, 2003. [7] BRZOZOWSKI K., DRG Ł., SKULSKI G.: Koncepcja zintegrowanego systemu komputerowego do modelowania emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze w skali aglomeracji miejskiej. Pojazd a rodowisko, Pol. Rad. i Urzd Miejski Radom, s. 39 46, 2005. [8] JOUMARD R. ED.: Methods of estimation of atmospheric emissions from transport: European scientific state of the art. Action COST 319 final report. LTE 9901 report, 1999. [9] BRZOZOWSKA L., BRZOZOWSKI K.: Komputerowe modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze samochodowych. Wydawnictwo Naukowe lsk, Katowice-Warszawa, 2003. [10] BRZOZOWSKA L., BRZOZOWSKI K., WOJCIECH S.: Computational modeling of car pollutant dispersion. Wydawnictwo Naukowe lsk, Katowice-Warszawa, 2001. [11] Wskazówki dla wojewódzkich inwentaryzacji emisji na potrzeby ocen biecych i programów ochrony powietrza. Ministerstwo rodowiska, Główny Inspektorat Ochrony rodowiska, Warszawa, 2003. [12] Handbook Emission Factors for Road Transport, Version 1.2, INFRAS, 1999. [13] GOYAL P., RAMA KRISHNA T.V.B.P.S.: Various methods of emission estimation of vehicular traffic in Delhi. Transportation Research Part D, Vol.3,No. 5, s. 309 317, 1998. [14] HAO J., HE D., WU Y., FU L. HE K.: A study of the emission and concentration distribution of vehicular pollutants in the urban area of Beijing. Atmospheric Environment, 34, s. 453 465, 2000. [15] MARKIEWICZ M. T.: Podstawy modelowania rozprzestrzeniania si zanieczyszcze w powietrzu atmosferycznym. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2004. [16] BRZOZOWSKI K., WOJCIECH S.: The numerical analysis of car pollutants dispersion. Archiwum Motoryzacji, Nr 2, s. 127 140, 2000. [17] BRZOZOWSKI K., DRG Ł.: Liniowa i quasi liniowa koncepcja ródła w modelowaniu oddziaływania emisji ze rodków transportu kołowego. Ochrona powietrza w teorii i praktyce (red. J,Konieczyski, R.Zarzycki), IPI PAN, s. 49 59, 2004. [18] GOYAL P., RAMA KRISHNA T.V.B.P.S.: A line source model for Delhi. Transportation Research Part D, 4, s. 241-249, 1999.

Modelowanie emisji i rozprzestrzeniania si zanieczyszcze ze rodków transportu drogowego 41 [19] KHARE M., SHARMA P.: Performance evaluation of general finite line source model for Delhi traffic conditions. Transportation Research Part D, 4, s. 65 70, 1999. [20] KHARE M., SHARMA P.: Modelling urban vehicle emissions. WIT Press, Southampton, 2002. [21] SIVACOUMAR R., THANASEKARAN K.: Line source model for vehicular pollution prediction near roadways and model evaluation through statistical analysis. Environmental Pollution, 104, s. 389 395, 1999. [22] BRZOZOWSKI K., DRG Ł.: Porównanie metod symulacji stanów dynamicznych ruchu na skrzyowaniu w aspekcie okrelania emisji i dyspersji zanieczyszcze. Pojazd a rodowisko, Pol. Rad. i Urzd Miejski Radom, s. 31 38, 2005. [23] LIN M.-D., LIN Y.-C.: The application of GIS to air quality analysis in Taichung City. Taiwan, ROC. Environmental Modeling & Software 17, s. 11 19, 2002. [24] LIM L., HUGHES S., HELLAWELL E.: Integrated decision support system for urban quality assessment. Environmental Modeling & Software 20, s. 947 954, 2005. Modelling of car exhaust pollutant emission and dispersion S u m m a r y In the paper a method of evaluation of influence of road transport pollutants on environment in city scale is presented. This method allows to calculate road emission and concentration of pollutants. Described models of car exhaust pollutants emission and dispersion are part of the integrated computational system. The system calculates concentration of pollutant using gaussian finite line source model and model of emission based on average vehicle velocity. The results of numerical simulations of carbon monoxide and nitrogen oxides concentrations for designed and extensive road network are presented in the paper as well. Artykuł powstał w trakcie realizacji projektu badawczego nr 4T12D00826, finansowanego przez Komitet Bada Naukowych.