Система расчетного мониторинга загрязнения воздуха городов автомобильными выбросами

УДК 53. 072:504.75

СИСТЕМА РАСЧЕТНОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ГОРОДОВ АВТОМОБИЛЬНЫМИ ВЫБРОСАМИ

© А.В. Святенко, В.А. Лузгачев, И.В. Якунина

Ключевые слова: математическая модель; выбросы автотранспорта; загрязнение атмосферы города; геоинфор-мационная система.

Разработана система, включающая математическую модель расчета рассеяния автомобильных выбросов в воздухе города с учетом расположения зданий и геоинформационную систему для визуализации результатов.

Актуальной экологической проблемой является загрязнение атмосферы городов автотранспортом. Для выявления зон повышенного загрязнения атмосферы проводят мониторинг состояния воздушной среды городов. В настоящее время существуют различные способы наблюдения и прогнозирования состояния загрязнения атмосферы. Их можно разделить на расчетные и экспериментальные методы мониторинга. Данные экспериментального мониторинга недостаточно детализированы для получения полной картины пространственно-временного распределение загрязнения атмосферного воздуха. Даже в крупных городах функционирует не больше 5-12 пунктов наблюдения за загрязнением атмосферы. Поэтому проведение расчетного мониторинга целесообразно даже при наличии данных экспериментального мониторинга. Расчетный мониторинг не заменяет полностью, а существенно дополняет данные экспериментального мониторинга.

Данная работа посвящена разработке математической модели распределения примесей в атмосфере города. Отличительным свойством модели является расчет приземных концентраций загрязняющих веществ для локального участка города с плотной застройкой, с учетом расположения улиц, зданий и парковых зон. Модель позволяет проводить расчеты для различных направлений ветра и классов стабильности атмосферы. Визуализация данных проведена с помощью ArcView GIS 3.2.

При решении задач прогноза загрязнения атмосферного воздуха актуальным является вопрос выбора математической модели распространения вредных веществ в атмосфере.

Известны следующие подходы к математическому моделированию рассеяния загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы:

- методика ОНД-86, рассчитывающая концентрацию загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы от промышленных и автомобильных выбросов [1];

- методика расчета концентрации загрязнений в атмосфере вследствие их выброса и переноса на основе краевой задачи [2];

- пространственная нестационарная численная модель динамики пограничного слоя атмосферы над

термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью, основанная на системе уравнений в возмущениях [3];

- методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте [4];

- модель Паскуилла-Гиффорда, которая в настоящее время является рабочей в международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ) [5].

Вопрос о том, как поступить в случае расчета для локального участка города с плотной застройкой, остается открытым, т. к. рассмотренные модели не дают нам полного ответа на вопрос, как учитывать застройку при расчете распределения загрязняющих веществ.

Для расчета концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы, входящих в состав выхлопных газов, чаще всего применяют трехмерные модели. Основное отличие трехмерных моделей состоит в явном расчете диффузии и конвективного переноса примеси. Компоненты скорости ветра, коэффициенты диффузии и плотность источника примеси при решении уравнения рассматривают как заданные функции. Для расчета коэффициентов диффузии используются различные эмпирические зависимости. Одна из таких трехмерных моделей представлена ниже.

дс дс дс дс д 2с д 2с

— + Wx • (—+—) + Wz-Dx • (—-+—-) -

дт дх ду ді дх ду

д 2 с

- Dz----- ± q(x, у, z, т) = 0.

ді2

Уравнение (1) необходимо дополнить соответствующими начальными и краевыми условиями. Подобные уравнения обычно решают методом конечных разностей. В данном случае, при решении задачи в условиях городской застройки, хочется обсудить следующие моменты.

Когда мы говорим о поле скоростей и показываем его в виде стрелок на конечной сетке, то изображаем результирующий вектор скорости. Скорость ветра (вектор скорости) нуждается в дополнительном урав-

нении по следующим соображениям. На рис. 1 показан фрагмент городской застройки. Серым фоном обозначено непроницаемое для ветра здание. Традиционно считается, что скорость у стены здания ровна нулю. На деле набегающий поток, «упираясь» в стену здания, огибает ее, как показано на рис. 1.

Очевидно, что в точке (і, /) существуют две скорости. При этом разностные схемы для вычисления каждой скорости отличаются. Определяющим фактором существования скорости потока является разность давлений между соседними ячейками. Это давление может быть определено из уравнения состояния идеального газа.

р.у = — К-т ,

где V - объем ячейки, определяющийся по формуле V = дх  ду  д2 , т - масса воздуха в ячейке.

Значения молекулярной массы ц, газовой постоянной Я и температуры Т являются постоянными. Таким образом, давление зависит от массы т. Скорость между левыми ячейками (г,]) и (г,/-1) может быть рассчитана по уравнению:

Г, =

а-АР а-

ду -ді

где а - коэффициент проводимости, обратный сопротивлению сечения (ду  д2 ).

Для правой части разностное уравнение имеет другой вид:

а

-АР а-

ду- ді

Следует заметить, что для вычисления значений массы можно использовать разностные уравнения:

%=!.".-5-р

• •

V«1 I О

# 4 •

Рис. 1. Схема вывода разностных уравнений

Рис. 2. Уровни загрязнения атмосферного воздуха на улицах города 502

Сумма вычисляется по всем смежным ячейкам с учетом знака Wш («+» для входящих; «-» для выходящих потоков). В остальном разностная схема для уравнения (1) остается традиционной, если ввести понятие массы загрязнителя тд .

m„ = m-C ,

У

где С - концентрация загрязнителя (кг/кг воздуха), т. е.:

N = -

еа

еа

Для решения уравнения (1) нами была разработана программа на языке C. Для визуализации данных расчеты передаются в приложение Microsoft Excel, которое формирует таблицы и передает их в геоинформа-ционную систему Arc View. Программа первоначально рассчитывает поле скоростей ветра, а затем распределение в пространстве загрязнений, вызванных автомобильными выбросами. Время одного расчета для IBM PC 1700МГц составляет 2-6 часов в зависимости от скорости верта и интенсивности выбросов.

Разработанная информационная система использована для расчета приземной концентрации загрязняющих веществ от выбросов автотранспорта в центральной части города Тамбова (район улиц Интернациональная - Октябрьская, Советская - Карла Маркса).

На рис. 2 показаны результаты расчета концентрации в приземном слое атмосферы при западном направлении ветра со скоростью 5 м/с. Интенсивность движения автотранспорта - 60 машин в минуту. Размеры точек пропорциональны концентрациям загрязняющего вещества.

Нами проведены расчеты для различных направлений и скорости ветра, интенсивности выбросов. Можно

говорить о зонах устойчивого загрязнения для различных условий. Довольно часто наблюдаются повышенные концентрации загрязняющих веществ на пересечение улиц Советской - Октябрьской, Державинской -Карла Маркса.

Разработанная система может быть использована при проведении имитационного исследования с целью выявления зон повышенных концентраций для существующих городов, на этапе проектирования новых кварталов, а также при оценке эффективности мероприятий по уменьшению уровня загрязнения воздуха городов.

ЛИТЕРАТУРА

1. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. СПб.: Гидрометеоиздат, 1987.

2. ГОСТ 17.2.3.02-78. Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями. М.: Из-во стандартов, 1980.

3. РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М., 1991.

4. Рекомендации по определению допустимых вкладов в загрязнение атмосферы выбросов загрязняющих веществ предприятиями с использованием сводных расчетов загрязнения воздушного бассейна города (региона) выбросами промышленности и автотранспорта. СПб., 1998.

5. Положение о системе динамического нормирования выбросов загрязняющих веществ от источников загрязнения атмосферы на базе комплексных расчетов и автоматизированного квотирования «Лада». Пермь, 1997.

Поступила в редакцию 3 декабря 2010 г.

Svyatenko A.V., Luzgachev V.A., Yakunina I.V. Calculating system for monitoring of urban air pollution by car emissions

Information system that includes a mathematical model for calculating the scattering of automobile emission in urban air, taking into account the location of buildings and GIS to visualize the results was developed.

Key words: ¡«mathematical model; emissions; urban air pollution; GIS.

m