Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование и разработка методов регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автомобильным транспортом

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка методов регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автомобильным транспортом"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ЕЬШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЩгаЛЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(РГГМИ)

Р Г 5 ОД

2 2 АПР 1996 На правзх руюписи

Куман Наталья Львовна

УДК 51.7:(651.584.5+551.510.42+629.113)

ИССЛЕДОВАНИЕ н РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОГО ВОЗДУХА, ВЫЗВАННОГО АВТОМОБИЛЬНЫМ ТРАНСПОРТОМ

■ 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертащш на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

* ГГ.С

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом институте

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Ефремов Рудольф Николаевич

Официальный ошюненты: доктор фивико-математических наук

заседании Докторского Совета Д.083.19.02 1.ри Российском государственном гидрометеорологическом институте по адресу: 195153, Сгитт-Пкгербург, пр. &1лоолхинс;шЯ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российасого государственного гидрометеорологического института

Автореферат разослан "СЫ^^Лг.

Ученый секретарь

Солдатенко Сергей Анатольевич

кандидат физико-математических наук Неелова Людмила Олеговна

Ведущая организация: Научно-технический центр

атмосферного мониторинга

Защита состоится

Диссертационного Совета д-р физ.-мат. наук

Дивинский Л.И.

ОЫДАИ КАРЛ1ПТТНСГП'КА РАБОТ!]

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

На основе существующих математических методов оптимизации разработать модель, позволяющую производить регулирование уровня загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом. Раарз-ботать алгоритм и программу для реализации поставленной дели с учетом эффективности проводимых мероприятий, направленных на снижение загрязнения городского воздуха.

Для достилекия поставленной цели в работе были решены следут-цие задачи:

1) Произведен анализ условий возникновения риска для здоровья населения города, обусловленного загрязнением воздуха выбросами от автомобильного транспорта.

2) Предложено использовать методы статистического моделирования применительно к задаче выбора маршрутов движения автомашин а пределах города.

3) Задача Еыбора маршрутов решена с помоги разработанного алгоритма и подпрограммы.

4) Методами динамического программирования произведена оптимизация полученных маршрутов с целью моделирования движения автомашин, близкого к реальному. Для этого разработан алгоритм и блок программы, отвечающее аа реализацию этой частй модели.

5) На основе оптимизации маршрутов получена относительная и абсолютная интенсивность движения автотранспорта в модели. Расчет этих характеристик произведен по составленному алгоритму и программе.

6) Проанализированы существующие модели расчета и прогноза загрязнения от линейных источников нзземного типа. Построен алгоритм и программа для расчета полей загрязнения городского воздуха

выбросами от автотранспорта.

?) Регулирование уровней загрязнения, превышающих значения ВДК, произведено о помощью алгоритмического варианта модели.

АКТУАЛЬНОСТЬ.

Актуальность теш определяется необходимостью исследования загрязнения атмосферы города в связи с ростом выброса вредных веществ от автотранспорта, обусловленного увеличением парка автомобилей и объема перевозок, а такле необходимостью проведения аконо-мически аффективных мероприятий, направленных на снижение уровня загрязнения городского воздуха.

Несмотря на наличие разработок, имевших место в этой области, задача снижения загазованности городских улиц до настоящего времени не решена в полной мере, особенно при совместном использовании такой разнородной информации, 'как интенсивность движения автомобильного транспорта-, метеорологические условия и загрязнение городского воздуха отдельными вредными веществами, входящими в выхлоп двигателя автомашины. Кроме того, актуальность темы диссертационной работы определяется необходимостью разработки алгоритмических методов по регулированию уровня загрязнения от автотранспорта.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

Впервые теоретически обоснована и разработана математическая модель, позволяющая регулировать уровень загрязнения городского воздуха автомобильным транспортом. При ее разработке для моделирования движения автомашин впервые применен метод статистических испытаний. Оптимизация маршрутов автомашин производилась методами динамического программирования. В зависимости от интенсивности движения автотранспорта выполнен расчет полей концентраций загряз-

нения вредными выбросами автотранспорта с учетом типа выбрасываемых вредных веществ и метеорологических условий,

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Практическая значимость данной работы определяется тем, что созданная в процессе выполнения диссертационной работы алгоритмическая модель может быть использована как для расчетз, так и для прогноза полей загрязнения вредными выбросами от автотранспорта (в зависимости от входных пзрачетроэ). Построеннач модель легко адаптируется к взеденио :.дополнительных факторов, как состав транспортных потоков, тип выбрасываемых токсичных ведеств, направление ветра и сопутствующие метеоусловия, з такте позволяет снижать уровень загрязнения путем перераспределения транспортных потоков .

Кроме того, разработанный в данной работе, подход мелет Сыть использован не только для моделирования загрязнения выбросами вредных веществ от автомобильного транспорта, но я для моделирования других типов загрязнения. Например, для снижения уровня пуш-вого загрязнения, вызываемого передвижением транспортных средств.

Предложенная в данной диссертационной работе алгоритмическая модель регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом, внедрена в работу Научно-техкичеаюго центра атмосферного мониторинга для проведения научных исследований.

о

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на семинаре Научно - технического центра атмосферного мониторинга в 1394г, а также на расширенном научном семзшаре кафедры прикладной метеорологии РГГШ.

&

ЗУШЯШ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЯЕХ>ЗШ£.

По теке диссертации опубликовано 2 работы.

СТРУКТУРА И ОсЪЕУ. ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация изложена на страницах машинописного текста. Состоит ка введения, 4 глав, заключения, приложений и списка источников.

Текст иллюстрирован рисунками и таблидаш. Список используемых источников включает наименований, в том числе нз иностранном языке.

е

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснсвыаятся актуальность, практическая значимость и научная новизна работы, отмечается, что решаемые в диссертационной работе проблемы составляют предмет беспокойства боль-иинства горелая. Определяется основная цель выполненного исследования и дается краткое описание структуры диссертации. Здесь также. отмечается, что хотя исследованию загрязнения посвящен ряд работ таких известных авторов, как Лайхтман Л..Гекихсвич Е.Л.,Ьеэуглая Э.Ю..Марчук Г.К..Бйрлянд М.Е., загрязнение, выгваннсе автотранспортом, изучено недостаточно. Поэтому настоящая работа посвящена вопросам исследования и разработки методов регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом. С одной стороны, разработанная модель позволяет математическая! метода\'л вычислять интенсивность движения автотранспорта по городу и, на основе этого, рассчитывать (или прогнозировать) поля концентраций загрязнения от автомобильного транспорта при разных составах транспортных потоков. Варьирование эт параметров чрезвычайно важно, поскольку токсичность ^томобильного выхлопа напрямую связана с конструкцией двигателя и техническим состоянием автомобиля. С другой стороны, моделирование движения автотранспорта в пределах городз осуществляется с учетом рагличтч метеоусловий, что необходимо для анализа полученных полей в целях регулирование загрязнения, вызванного автомобильным транспортом.

В псргоЛ глазе рассмотрены различные характеристики вредных выбросов от автотранспорта. Отмечено, что на токсичность отработавших газов автомобильных двигателей влияет состав топлива, конструкция двигателя, а также режим движения автомашины. Детально рассмотрены суточные изменения основных соединений, составляющих автомобильный выхлоп.

Еалиое место в первой главе уделено анализу метеорологических условий, способствующих повышению уровня загрязнения атмосферы города вредными выбросами от автотранспорта.

Показано, что регулирование загрязнения городского воздуха выбросами от автотранспорта долано производиться с учетом всех возможных факторов, влияющих на величину и токсичность выброса.

На основе анализа источников, посвященных изучению степени токсичности выбрасываемых автомашиной веществ, в первой глзве обосновывается целесообразность разработки математической модели, позволяющей осуществлять регулирование загрязнения городского воздуха отработавшими газами автомашин и тем самым снижать риск для здоровья населения от загрязнения окружающей среды.

Бо вхорай глава, помимо существующих средств снижения загрязнения городского воздуха выбросами автотранспорта, предложены но-Еые пути решения проблемы загазованности городских улиц.

Первая часть гл'чы содержит описание разработанных общих теоретических основ моделирования движения автомашин. Начальным шагом такого моделирования явился выбор маршрутов. Для этого методом статистических испытаний генерируете0 ряд случайных величин. Плотность распределения системы этих случайных величин имеет вид:

'Г(х.у) - Мх)*Гв(У>. (1)

\ . ■

\ _' .

Здесь х и у - координаты начала (конца) маршрута некоей автомашины.

Кроме того, во второй главе на основе динамического програм-

i

шрования разработаны методы оптимизации сгенерированных маршрутов. Получено основное функциональное осотношение Ееллмана для мо-делиртекого процеооа:

(In - min (lnu + Hub u

s (2)

Это выражение отражает процесс оптимизации маршрутов на каждом шаге. С каждым узлом нерегулярной сетки, в виде которой представлены улицы города, связано две функции номера точки п:

tin - минимальная длина пути от пункта с номером п до пункта о номером и;

и - номер пункта, к которому следует перемениться, когда объект моделирования находится в пункте с номером п (иначе говоря -оптимальное упр^ление).

В третаей главе оценка количества поступающих от автотранспорта Ередных аецгств производилась пересчетом интенсивности дви-г.екия автомашин в интенсивность выброса загрязняющих веществ. Обосновано разделение транспортного потока в модели на группы по типу веществ, поступающих от .автомобилей с.равной конструкцией двигателей и, соответственно, разным составом топлива.

Распространение примесей,, входящих в состав автомобильного выхлопа, имеет различный характер в зависимости от имеющих место метеоусловий. Этим продиктовано построение метеорологического бло-кз, входящего в модель регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом. Учет метеоусловий в модели осуществлен введением таких метеопараметров, как параметр шероховатости подстилающей поверхности» параметр стратификации атмосферы, скорости и направление ветра, козффициея« турбулентности.

В основу расчетов концентрации загрязняющих веществ от автотранспорта положена атмосферная шделш турбулентной диффузии, где автотранспорт принят за линейный источник наземного типа. В соответствии с основными положениями модели расчет (прогноз) полей концентрации загрязнения, вызываемого автотранспортом, производят

по формулам (3) при условии. что ось х направлена по скорости ветра и составляет с автомагистралью угол <х, начало координат совпадает с серединой линейного источника, каковым является кавдый ив отрезков улицы.

= О при х < — cos а. 2

0.63Ч (erf U - erf t3) L

<7д = - при х > - Cos а,

2ki!v*cos а - x*sin al 2

0.8SM [i- slgrtiy - хкЬ? a) erf t4)3

Ял *= -—-;- при

2k 1 \y*cos a - x*sin tx|

L L

-- cos a < x < - cos a , (3)

2 2

У - L/2*sin <x у + L/2*sln c,

где t3 ---- , t4 --^r- ,

- L/2*cos а) фотх + L/2*sin a)

x,y - координаты точки наблюдения;

if - мощность выброса единицы- длины линейного источника; Jci - коэффициент турбулентности;

9о - среднеквадратическое отклонение направления ветра; L - длина линейного источника;

i3, t4 - верхний предел определенного интеграла, входящего в

функцию Лапласа; erf t4, erf t3 - значение функции Лалласз. Известно, что функция Лапласа имеет вид:

®(b) nf/k1 I exp(-xz)dx. (4)

Интеграл тачого типа не выражается через элементарные фукк-

го

ции, поэтому jj модели для его расчета использован метод трапеций.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена описанию численной реализации построенной модели регулирования загрязнения городского воздуха вредными выбросами автотранспорта и анализу полученных на основе этого полей концентраций загрязнения городского воздуха токсичными выбросами автотранспорта. Приведено описание разработанного алгоритма модели и входящих в него блоков.

Первым блоком, входящим в алгоритм построенной модели, является блок имитационного моделирования, позволяющий генерировать маршруты движения автомашин в предела", города.

Еторым блс.-'ом алгоритма является блок оптимизации сгенерированных маршрутов методами динамического программирования.

Следукшу.блок обеспечивает расчет интенсивности движения автотранспорта в модели и разделение транспортного потока на группы по типу выбрасываемых вредных веществ.

Ка основе первые, трех блоков работает блок расчета абсолютной интенсивности выбросов вредных веществ от автотранспорта.

Логическим продолжением алгоритма является блок расчета полей концентраций загрязнения от автотранспорта.

Завершает алгоритм блок анализа полученных полей концентраций загрязнения с последующим регулированием уровня загрязнения в тех районах городь, где значения концентраций превьшзат ПДК.

Для практической реализации модели регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автомобильным транспортом, на основе алгоритма составлена программа нз языке Фортран для IEM PS-39B, разворачивающая процесс регулирования загрязнения в достаточно короткий период времени и обеспечивающая представление результатов в хорошо читаемом виде. Текст программы "TOWN" прилагается к диссертации.

Б качестве входных параметров, определяющих тип выбрасываемо-

//

го вредного вещества, в программе использованы значения коэффициентов, определяющих выброс вредных веществ от автотранспорта. Уо-лоеия распространения примеси учтены введением метеорологических параметров.

Помимо описания численной реализации построечной модели, в четвертая главе приведен анализ особенностей распределения загрязнения, рассчитанного при помощи программы "TOWN".

Анализ результатов численного эксперимента показал:

1) 1юличество выбрасываемого автомобильным транспортом вредного вещества имеет сильно выраженную еазисимость от интенсивности двютенга автомашин, что подтверждается структурой полей концентраций загрязнения автотранспортом до произведенного регулирования и после;

2) удельная масса выброса у автомобилей с карбюраторными двигателями меньше, чем у автомобилей с дизельными двигателями, о чем говорят максимальные значения концентраций при разном составе транспортных потоков;

3) выброс от автомазин с карбюраторными двигателями Солее токсичен» поскольку, даже незначительные концентрации загрязнения (при создании определенных метеорологических условий), представляют риск для здоровья населения;

4) при неустойчивой и нейтральной страткфикациях атмосферы происходит интенсивное рассеяние примеси. Поэтому концентраций загрязнения, представляющих опасность для здоровья горожан, ке возникает.

Б) имеющиеся очаги загрязнения расположены над районами с большим количеством перекрестков при любом направлении ветра. Скоплению примесей в этом случае способствует смена режимов движения автомашин. (Известно, что при разгоне и торможении выброс вредных веществ больше, чем при установившемся движении).

6) как и следовало ожидать, при устойчивой стратификации атмосферы возникла ситуация, когда уровень загрязнения превышает ПДК. После регулирования уровень загрязнения существенно снизился и обстановка нормализовалась.

7) проводимое регулирование имеет высокую эффективность, что говорит о необходимости проведения подобных мероприятий.

В заилюче!2С1 приводятся основные выводы, составляющие предмет защиты диссертационной работы. Отмечается, что построенная при помощи методов имитационного моделирования и динамического программирования модель регулирования загрязнения городского воздуха, вызванного автомобильным транспортом, позволяет о высокой эффективностью снижать загазованность городских улиц до уровня, когда концентрация ¡загрязняющих веществ в воздухе не превышает ПДК.

ПО TEUS ДПССЕРТАЩШ СПУВЯЖОЗЛШ СДНДУЩЖ РАБОТ!):

1. Ефремов Р.Н.,■ Нуман Н.Л. Моделирование и нормативный прогноз (регулирование уровня)• загрязнения воздушного бассейна ropo-да//Труды РГГМИ.-1995.- Вып.118.- С.72-78

2.- Ефремов Р.Н., Нуман Н.Л. Регулирование загрязнения городского воздуха, вызванного автотранспортом// Вестник МАНЕБ.- СПб, 1995.-а о.