Modellierung der Luftausbreitung von Straßen - Roadway air dispersion modeling

Straßenluftverteilung wird auf Autobahnsegmente angewendet

Die Modellierung der Luftausbreitung auf der Straße ist die Untersuchung des Luftschadstofftransports von einer Straße oder einem anderen linearen Strahler. Computermodelle sind erforderlich , um diese Analyse durchzuführen, wegen der komplexen Variablen beteiligt, einschließlich Fahrzeug - Emissionen , Fahrzeuggeschwindigkeit, Meteorologie und Geländegeometrie. Die Ausbreitung von Linienquellen wurde mindestens seit den 1960er Jahren untersucht, als der Regulierungsrahmen in den Vereinigten Staaten begann, eine quantitative Analyse der Folgen der Luftverschmutzung durch große Straßen- und Flughafenprojekte zu verlangen. In den frühen 1970er Jahren wurde diese Teilmenge atmosphärischer Ausbreitungsmodelle auf reale Fälle der Autobahnplanung angewendet, sogar einschließlich einiger umstrittener Gerichtsfälle.

So funktioniert das Modell

Das Grundkonzept des Fahrbahn-Luftausbreitungsmodells besteht darin, Luftschadstoffgehalte in der Nähe einer Autobahn oder Ausfallstraße zu berechnen, indem sie als Linienquellen betrachtet werden. Das Modell berücksichtigt Quellenmerkmale wie Verkehrsaufkommen, Fahrzeuggeschwindigkeiten, Lkw-Mix und Flotten-Emissionskontrollen; Darüber hinaus werden die Fahrbahngeometrie, das umgebende Gelände und die lokale Meteorologie behandelt. Zum Beispiel verlangen viele Luftqualitätsnormen , dass bestimmte meteorologische Bedingungen, die dem schlimmsten Fall nahe kommen, angewendet werden.

Die Berechnungen sind so komplex, dass ein Computermodell unerlässlich ist, um zu verlässlichen Ergebnissen zu gelangen, obwohl Handbücher vom Typ Arbeitsbuch als Screening-Techniken entwickelt wurden. In einigen Fällen, in denen Ergebnisse überprüft werden müssen (z. B. in Rechtsfällen), kann eine Modellvalidierung mit Feldtestdaten in der lokalen Umgebung erforderlich sein; Dieser Schritt ist normalerweise nicht gerechtfertigt, da die besten Modelle umfassend über ein breites Spektrum von Eingangsdatenvariablen validiert wurden.

Das Produkt der Berechnungen ist normalerweise ein Satz von Isoplethen oder abgebildeten Höhenlinien entweder in der Draufsicht oder im Querschnitt . Typischerweise können diese als Konzentrationen von Kohlenmonoxid , gesamten reaktiven Kohlenwasserstoffen , Stickoxiden , Partikeln oder Benzol angegeben werden . Der Luftqualitätswissenschaftler kann das Modell sukzessive ausführen, um Techniken zur Reduzierung schädlicher Luftschadstoffkonzentrationen zu untersuchen (z. B. durch Neugestaltung der Fahrbahngeometrie, Änderung der Geschwindigkeitsregelung oder Begrenzung bestimmter Lkw-Typen). Das Modell wird häufig in einer Umweltverträglichkeitserklärung verwendet, die eine größere neue Fahrbahn oder eine Landnutzungsänderung beinhaltet, die zu neuem Fahrzeugverkehr führt.

Geschichte

Der logische Baustein dieser Theorie war die Verwendung der Gaußschen Luftschadstoffausbreitungsgleichung für Punktquellen . Einer der frühen Punktquelle Luftschadstoffwolke Dispersionsgleichungen durch Bosanquet und Pearson in 1936. Ihre Gleichung abgeleitet wurde nicht enthielt die Wirkung der Bodenreflexion der Schadstofffahne. Sir Graham Sutton leitete 1947 eine Punktquellen-Luftschadstoffwolken-Ausbreitungsgleichung ab, die die Annahme der Gaußschen Verteilung für die Vertikal- und Seitenwind- Ausbreitung der Plume beinhaltete und auch den Effekt der Bodenreflexion der Plume ansprach. Weitere Fortschritte wurden von GA Briggs in der Modellverfeinerung und -validierung und von DB Turner für sein benutzerfreundliches Arbeitsbuch gemacht, das Rasterberechnungen enthielt, die keinen Computer erfordern.

Da Michael Hogan und Richard Venti die Notwendigkeit sahen, ein Linienquellenmodell zu entwickeln, um sich der Untersuchung der Straßenluftverschmutzung zu nähern, entwickelten sie in einer Reihe von Veröffentlichungen eine geschlossene Lösung zur Integration der Punktquellengleichung.

Die Quelle praktisch aller Emissionen der Straßenluftverschmutzung sind Abgase

Während das mathematische ESL- Modell 1970 für eine Linienquelle fertiggestellt war, führte die Modellverfeinerung zu einer „Streifenquelle“, die die horizontale Ausdehnung der Fahrbahnoberfläche emuliert. Diese Theorie wäre der Vorläufer von Flächenquellen- Dispersionsmodellen. Ihr Schwerpunkt lag jedoch auf der Fahrbahnsimulation, und so fuhren sie mit der Entwicklung eines Computermodells fort und ergänzten das Team um Leda Patmore, eine Computerprogrammiererin auf dem Gebiet der Atmosphärenphysik und Satellitenflugbahnberechnungen. Ein funktionierendes Computermodell wurde Ende 1970 hergestellt; dann wurde das Modell mit Kohlenmonoxid-Feldmessungen kalibriert, die auf den Verkehr auf der US-Route 101 in Sunnyvale, Kalifornien, abzielten .

Das ESL-Modell wurde von der US- Umweltschutzbehörde (EPA) in Form eines großen Zuschusses gebilligt, um das Modell mit tatsächlichen Fahrbahntests der Tracergas- Schwefelhexafluorid-Dispersion zu validieren . Dieses Gas wurde gewählt, da es weder in der Natur noch in Fahrzeugemissionen vorkommt und einen einzigartigen Tracer für solche Ausbreitungsstudien bietet. Ein Teil der Motive der Environmental Protection Agency könnte darin bestanden haben, das Modell gemeinfrei zu machen . Nach einer erfolgreichen Validierung durch die EPA-Forschung wurde das Modell bald in verschiedenen Umgebungen zur Vorhersage der Luftverschmutzung in der Nähe von Straßen eingesetzt. Die ESL-Gruppe wendete das Modell auf das US- Umgehungsprojekt Route 101 in Cloverdale, Kalifornien , die Verlängerung der Interstate 66 durch Arlington, Virginia , die Verbreiterung der New Jersey Turnpike durch Raritan und East Brunswick, New Jersey , und mehrere Verkehrsprojekte in Boston an für die Boston Transportation Planning Review.

In den frühen 1970er Jahren war bekannt, dass mindestens zwei andere Forschungsgruppen aktiv an der Entwicklung eines Modells für die Luftverteilung auf der Straße arbeiteten: die Umweltforschungs- und Technologiegruppe in Lexington, Massachusetts, und die Caltrans- Zentrale in Sacramento, Kalifornien . Das Caline-Modell von Caltrans hat einen Teil der Technologie von der ESL Inc.-Gruppe ausgeliehen, da Caltrans einen Teil der frühen Modellanwendungsarbeiten in Cloverdale und anderen Standorten finanzierte und Rechte zur Nutzung von Teilen ihres Modells erhielt.

Die Theorie

Die resultierende Lösung für eine unendliche Linienquelle ist:

wo:

x ist der Abstand vom Beobachter zur Fahrbahn

y ist die Höhe des Beobachters

u ist die mittlere Windgeschwindigkeit

α ist der Neigungswinkel der Linienquelle relativ zum Bezugssystem

c und d sind die Standardabweichung der horizontalen und vertikalen Windrichtungen (gemessen in Radiant).

Diese Gleichung wurde unter Verwendung der Fehlerfunktion (erf) in eine geschlossene Lösung integriert, und es können Variationen in der Geometrie durchgeführt werden, um die vollständige unendliche Linie, das Liniensegment, die erhöhte Linie oder den aus Segmenten bestehenden Bogen einzuschließen. In jedem Fall kann man dreidimensionale Konturen der resultierenden Luftschadstoffkonzentrationen berechnen und mit dem mathematischen Modell alternative Fahrbahnkonstruktionen, verschiedene Annahmen der Worst-Case-Meteorologie oder unterschiedliche Verkehrsbedingungen (z Fahrzeuggeschwindigkeit).

Die ESL - Forschungsgruppe erweiterte auch ihr Modell durch die Flächenquelle Konzept eines vertikalen Streifens der Einführung in die Mischzone auf der Autobahn mit dem Fahrzeug erzeugt zu simulieren Turbulenz . Auch dieses Modell wurde 1971 validiert und zeigte eine gute Korrelation mit Feldversuchsdaten.

Anwendungsbeispiele des Modells

Fahrbahn-Luftverteilungsmodellierung wird auch für gekrümmte Fahrbahnen durchgeführt – North-South Express Highway, Malaysia

Es gab mehrere frühe Anwendungen des Modells in etwas dramatischen Fällen. 1971 war die Arlington Coalition on Transportation (ACT) Klägerin in einer Klage gegen die Virginia Highway Commission wegen der Verlängerung der Interstate 66 durch Arlington, Virginia , nachdem sie eine Klage beim Bundesbezirksgericht eingereicht hatte . Das ESL-Modell wurde verwendet, um Berechnungen der Luftqualität in der Nähe der geplanten Autobahn zu erstellen. ACT gewann diesen Fall nach einer Entscheidung des vierten US-Berufungsgerichts. Besondere Aufmerksamkeit widmete das Gericht den sachverständigen Berechnungen und Aussagen des Klägers, wonach die Luftqualitätsnormen gegen die im Luftreinhaltegesetz festgelegten Bundesluftqualitätsnormen verstoßen würden .

Ein zweiter strittiger Fall ereignete sich in East Brunswick, New Jersey, wo die New Jersey Turnpike Authority eine größere Erweiterung des Turnpike plante. Auch hier wurde das Straßenluftverteilungsmodell verwendet, um den Grad der Luftverschmutzung für Wohnhäuser, Schulen und Parks in der Nähe des Turnpike vorherzusagen. Nach einer ersten Anhörung vor dem Superior Court, in der die Ergebnisse des ESL-Modells dargelegt wurden, ordnete der Richter die Turnpike Authority an, mit dem Kläger, den Concerned Citizens of East Brunswick, zu verhandeln und eine Minderung der Luftqualität für die negativen Auswirkungen zu entwickeln. Die Turnpike Authority beauftragte ERT als ihren Experten, und die beiden Forschungsteams verhandelten eine Einigung in diesem Fall unter Verwendung der neu erstellten Luftverteilungsmodelle für Straßen.

Neuere Modellverfeinerungen

Das CALINE3-Modell ist ein stationäres Gaußsches Ausbreitungsmodell, das entwickelt wurde, um Luftverschmutzungskonzentrationen an Rezeptorstandorten in Windrichtung von Autobahnen in relativ unkompliziertem Gelände zu bestimmen. CALINE3 ist in die aufwendigeren Modelle CAL3QHC und CAL3QHCR integriert. CALINE3 ist aufgrund seiner benutzerfreundlichen Natur und der Werbung in Regierungskreisen weit verbreitet, kann jedoch die Komplexität der Fälle nicht analysieren, die das ursprüngliche Hogan-Venti-Modell behandelt. Die Modelle CAL3QHC und CAL3QHCR sind in der Programmiersprache Fortran verfügbar . Sie haben Optionen, um entweder Feinstaub oder Kohlenmonoxid zu modellieren und enthalten Algorithmen zur Simulation von Staus an signalisierten Kreuzungen [1] .

Darüber hinaus wurden mehrere neuere Modelle entwickelt, die instationäre Lagrange-Puffalgorithmen verwenden. Das HYROAD Ausbreitungsmodell wird durch das entwickelten Nationale Genossenschaft Autobahn Research Program ‚s 25-06 Projekt , ROADWAY-2 - Modell puff Einbeziehung und Steady-State - plume Algorithmen (Rao et al., 2002) .

Das TRAQSIM Modell wurde im Jahr 2004 als Teil einer Ph.D Dissertation mit Unterstützung der entwickelten US Department of Transportation ‚s Volpe National Transportation Systems Center Luftqualität der Einrichtung . Das Modell beinhaltet dynamisches Fahrzeugverhalten mit einem nicht-stationären Gaußschen Puff-Algorithmus. Im Gegensatz zu HYROAD kombiniert TRAQSIM Verkehrssimulation, sekundenschnelle modale Emissionen und Gauss'sche Zugdispersion zu einem vollständig integrierten System (einer echten Simulation), das einzelne Fahrzeuge als diskrete Bewegungsquellen modelliert. TRAQSIM wurde als Modell der nächsten Generation als Nachfolger der aktuellen Regulierungsmodelle CALINE3 und CAL3QHC entwickelt. Der nächste Schritt in der Entwicklung von TRAQSIM besteht darin, Methoden zur Modellierung der Ausbreitung von Feinstaub (PM) und gefährlichen Luftschadstoffen (HAPs) einzubeziehen.

Es wurden mehrere Modelle entwickelt, die komplexe städtische Meteorologie behandeln, die sich aus städtischen Schluchten und Autobahnkonfigurationen ergibt . Die früheste Entwicklung eines solchen Modells (1968-1970) erfolgte durch das Air Pollution Control Office der US EPA in Zusammenarbeit mit New York City. Das Modell wurde von Jack Fensterstock vom New York City Department of Air Resources erfolgreich auf den Spadina Expressway in Toronto angewendet . Weitere Beispiele sind das Canyon Plume Box-Modell des Turner-Fairbank Highway Research Center , jetzt in Version 3 (CPB-3), das Operational Street Pollution Model (OSPM) des National Environmental Research Institute of Denmark und das MICRO-CALGRID- Modell, das model umfasst die Photochemie, wodurch sowohl primäre als auch sekundäre Spezies modelliert werden können. Das CTAG- Modell der Cornell University , das fahrzeuginduzierte Turbulenz (VIT), straßeninduzierte Turbulenz (RIT) , chemische Umwandlung und Aerosoldynamik von Luftschadstoffen unter Verwendung von auf Turbulenz reagierenden Strömungsmodellen auflöst . Das CTAG-Modell wurde auch verwendet, um Umgebungen für den Straßenbau zu charakterisieren und die Auswirkungen von Vegetationsbarrieren auf die Luftverschmutzung in der Nähe von Straßen zu untersuchen.

Aktuelle Anträge in Rechtsfällen

Jüngste Gesundheitsliteratur, die darauf hinweist, dass Anwohner in der Nähe von Hauptverkehrsstraßen mit erhöhten Raten verschiedener gesundheitlicher Folgen konfrontiert sind, hat zu Rechtsstreitigkeiten über die Verantwortung von Verkehrsbehörden geführt, Modelle zur Luftverteilung auf Straßen zu verwenden, um die Auswirkungen neuer und erweiterter Straßen, Busbahnhöfe, Autohöfe usw. zu charakterisieren andere Quellen.

Kürzlich verklagte der Sierra Club von Nevada das Nevada Department of Transportation und die Federal Highway Administration, weil sie es versäumt hatten, die Auswirkungen des Ausbaus der US Route 95 in Las Vegas auf die Luftqualität in der Nachbarschaft zu beurteilen . [2] Der Sierra Club behauptete, dass eine ergänzende Umweltverträglichkeitserklärung herausgegeben werden sollte, um die Emissionen gefährlicher Luftschadstoffe und Feinstaub aus dem neuen Kraftfahrzeugverkehr zu behandeln. Die Kläger behaupteten, dass Modellierungswerkzeuge verfügbar seien, darunter das MOBILE6.2-Modell der Environmental Protection Agency , das CALINE3-Ausbreitungsmodell und andere relevante Modelle. Die Angeklagten gewannen vor dem US-Bezirksgericht unter Richter Philip Pro, der entschied, dass die Verkehrsbehörden nicht "willkürlich und kapriziös" gehandelt hätten, obwohl die technischen Argumente der Behörden bezüglich des Mangels an verfügbaren Modellierungswerkzeugen von a contradict widerlegt wurden Anzahl der von Experten begutachteten Studien, die in wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht wurden (zB Korenstein und Piazza, Journal of Environmental Health, 2002). In Berufung auf den Neunten Bezirk der USA hat das Berufungsgericht den Neubau der Autobahn bis zur endgültigen Entscheidung des Gerichts ausgesetzt. Der Sierra Club und die Angeklagten haben sich außergerichtlich geeinigt und ein Forschungsprogramm zu den Auswirkungen der US-Route 95 auf die Luftqualität auf nahe gelegene Schulen aufgelegt.

Eine Reihe anderer hochkarätiger Fälle haben Umweltgruppen dazu veranlasst, die Verwendung von Ausbreitungsmodellen zu fordern, um die Auswirkungen neuer Verkehrsprojekte auf die umliegenden Gemeinden auf die Luftqualität zu bewerten, aber bis heute haben staatliche Verkehrsbehörden und die Bundesstraßenverwaltung behauptet, dass keine Werkzeuge verfügbar sind, obwohl Modelle und Anleitungen über das Support Center for Regulatory Air Models (SCRAM) der EPA erhältlich sind. [3]

Zu den strittigeren Fällen zählen das Detroit Intermodal Freight Terminal und Detroit River International Crossing (Michigan, USA) sowie der Ausbau der Interstate 70 East in Denver (Colorado, USA).

In all diesen Fällen haben gemeindebasierte Organisationen behauptet, dass Modellierungswerkzeuge verfügbar sind, aber Verkehrsplanungsagenturen haben behauptet, dass bei allen Schritten zu viel Unsicherheit besteht. Ein Hauptanliegen gemeindebasierter Organisationen war die mangelnde Bereitschaft der Verkehrsbehörden, den Grad an Unsicherheit zu definieren, den sie in Luftqualitätsanalysen tolerieren möchten, und wie dies im Vergleich zu den Richtlinien der Umweltschutzbehörde zu Luftqualitätsmodellen ist, die Unsicherheiten adressieren und Genauigkeit im Modelleinsatz. [4]

Siehe auch

Verweise

Externe Links