도로 공기 분산 모델링

Roadway air dispersion modeling
도로 공기 분산이 고속도로 세그먼트에 적용됨

도로 공기 분산 모델링은 도로 또는 기타 선형 이미터로부터의 대기 오염 물질 수송에 대한 연구입니다.차량 배기가스, 차량 속도, 기상학 및 지형 기하학 등 복잡한 변수 때문에 컴퓨터 모델이 이 분석을 수행해야 합니다.선원 분산은 미국의 규제 프레임워크가 주요 도로 및 공항 프로젝트의 대기오염 결과에 대한 정량적 분석을 요구하기 시작한 적어도 1960년대부터 연구되어 왔다.1970년대 초까지 이러한 대기 분산 모델의 하위 집합은 논란이 되고 있는 일부 법원 사례를 포함하여 실제 고속도로 계획 사례에 적용되었다.

모델의 구조

도로 공기 분산 모델의 기본 개념은 고속도로나 동맥 도로 주변의 대기 오염 수준을 라인 소스로 간주하여 계산하는 것입니다.이 모델은 교통량, 차량 속도, 트럭 혼합 및 비행대 배출 통제와 같은 원천 특성을 고려하며, 도로 형상, 주변 지형 및 국지 기상도 고려합니다.예를 들어 많은 대기질 표준에서는 최악의 경우에 가까운 특정 기상 조건을 적용해야 한다.

워크북 유형 매뉴얼은 선별 기법으로 개발되었지만 계산은 충분히 복잡하여 신뢰할 수 있는 결과에 도달하기 위해서는 컴퓨터 모델이 필수적이다.결과를 검토해야 하는 경우(법적 사례 등)에는 로컬 환경에서 현장 테스트 데이터를 사용하여 모델 검증이 필요할 수 있습니다.최적의 모델은 광범위한 입력 데이터 변수에 걸쳐 광범위하게 검증되었기 때문에 이 단계는 일반적으로 보증되지 않습니다.

계산 결과는 일반적으로 평면도 또는 단면도에서 등분선 집합 또는 매핑 등고선입니다.일반적으로 일산화탄소, 총반응성 탄화수소, 질소산화물, 미립자 또는 벤젠의 농도라고 할 수 있습니다.대기 품질 과학자는 모델을 연속적으로 실행하여 (예를 들어 도로 형상을 재설계하거나 속도 제어를 변경하거나 특정 유형의 트럭을 제한함으로써) 유해 대기 오염 물질 농도를 줄이는 기술을 연구할 수 있습니다.이 모델은 새로운 차량 통행을 유도하는 주요 도로 또는 토지 이용 변경과 관련된 환경 영향 보고서에 자주 사용됩니다.

역사

이 이론의 논리적 구성 요소는 포인트 선원에 [1][2]대한 가우스 대기 오염 물질 분산 방정식을 사용하는 것이었다.초기 지점 대기 오염 물질 플룸 분산 방정식 중 하나는 1936년 보산케와 피어슨에[3] 의해 도출되었다.그들의 방정식은 오염물질 플룸의 지면 반사 효과를 포함하지 않았다.Graham Sutton 경은 1947년에[4] 점원 대기 오염 물질 플룸 분산 방정식을 도출했는데, 여기에는 플룸의 수직 및 옆바람 분산에 대한 가우스 분포 가정이 포함되었고 플룸의 지면 반사 효과도 다루었다.G. A. Briggs와[5] D.B.는 모델 정제 및 검증에 있어 추가적인 발전을 이루었다.터너는[1] 컴퓨터를 필요로 하지 않는 계산을 스크리닝하는 것을 포함한 사용자 친화적인 워크북을 위해 일했다.

도로 대기 오염 연구에 접근하기 위해 라인 소스 모델을 개발할 필요성을 인식한 Michael Hogan과 Richard Venti는 일련의 출판물에 [6][7]점 소스 방정식을 통합하는 폐쇄형 솔루션을 개발했습니다.

사실상 모든 도로 대기 오염 배출의 원천은 배기 가스입니다.

ESL 수학 모델은 1970년까지 선원에 대해 완성되었지만, 모델 정교화는 "스트립 선원"을 만들어 도로 표면의 수평 범위를 모방했다.이 이론은 면적원 분산 모델의 선구자가 될 것이다.그러나 도로 시뮬레이션에 중점을 두고 대기물리학과 위성궤도 계산 분야의 컴퓨터 프로그래머인 레다 패트모어(Leda Patmore) 팀을 추가해 컴퓨터 모델 개발을 진행했다.1970년 말에 작동 중인 컴퓨터 모델이 생산되었고, 그 후 이 모델은 캘리포니아 서니베일에 있는 미국 101번 국도의 교통량을 대상으로 한 일산화탄소 현장 측정으로 교정되었습니다.

ESL 모델은 미국 환경보호청(EPA)으로부터 추적기 가스 육불화황 분산의 실제 도로 테스트를 사용하여 모델을 검증하는 대규모 보조금 형태로 승인을 받았습니다.이 가스는 자연 또는 차량 배기가스에서 발생하지 않으며 이러한 분산 연구에 고유한 트레이서를 제공하기 때문에 선택되었습니다.환경보호청의 동기의 일부는 이 모델을 공공영역에 도입하기 위한 것일 수 있다.EPA 연구를 통한 성공적인 검증 후, 이 모델은 도로 주변의 대기 오염 수준을 예측하기 위해 다양한 환경에서 곧 사용되었다.ESL 그룹은 이 모델을 캘리포니아 클로버데일의 미국 101번 도로 우회 프로젝트, 66번 고속도로의 버지니아주 알링턴 연장, 래리탄과 뉴저지주 이스트브런즈윅을 통한 뉴저지 턴파이크 확장, 보스턴의 여러 교통 프로젝트에 적용했다.

1970년대 초에는 매사추세츠 렉싱턴의 환경연구 및 기술 그룹과 캘리포니아 새크라멘토의 칼트 본사의 두 개의 다른 연구 그룹이 어떤 유형의 도로 공기 분산 모델을 적극적으로 개발하고 있는 것으로 알려져 있습니다.Caltrans의 Caline 모델은 ESL Inc. 그룹으로부터 테크놀로지의 일부를 차용했습니다.Caltrans는 Cloverdale 등의 초기 모델 어플리케이션 작업에 자금을 대어 모델의 일부를 사용할 수 있는 권리를 부여받았기 때문입니다.

이론

무한 회선 소스의 솔루션은 다음과 같습니다.

여기서:

x는 관찰자에서 차도까지의 거리입니다.

y는 관찰자의 높이입니다.

u는 평균 풍속입니다.

α는 기준 프레임에 대한 선원의 기울기 각도입니다.

c와 d는 각각 수평 및 수직 풍향(라디안 단위)의 표준 편차이다.

이 방정식은 오차함수(erf)를 사용하여 닫힌 형태 솔루션에 통합되었으며, 전체 무한 선, 선 세그먼트, 고가 선 또는 세그먼트로 만든 호를 포함하도록 지오메트리의 변화를 수행할 수 있습니다.어떤 경우에도 결과 대기오염물질 농도의 3차원 등고선을 계산하고 수학적 모델을 사용하여 대체 도로 설계, 최악의 경우 기상학 또는 다양한 교통 상황(예: 트럭 혼합, 비행대 배출 통제 또는 차량 속도)을 연구할 수 있다.

ESL 연구 그룹은 또한 수직 스트립의 면적 소스 개념을 도입하여 차량 난류로 인해 발생하는 고속도로의 혼합 구역을 시뮬레이션함으로써 모델을 확장했다.이 모델 역시 1971년에 검증되었으며 현장 시험 데이터와 좋은 상관관계를 보였다.

모델의 적용 예

도로 공기 분산 모델링은 곡선 도로에도 적용됩니다(말레이시아, 북남부 고속도로).

다소 극적인 경우에 이 모델의 초기 적용 사례가 몇 가지 있었다.1971년 알링턴 교통연합(ACT)은 버지니아주 알링턴을 경유하는 66번 고속도로 연장에 대한 버지니아 고속도로 위원회를 상대로 연방 지방 법원에 소송을 제기한 소송의 원고였다.ESL 모델은 제안된 고속도로 부근의 대기질 계산을 생성하는 데 사용되었다.ACT는 미국 제4순회항소법원의 판결로 승소했다.법원은 대기질 수준이 청정공기법에 명시된 연방 대기질 기준을 위반할 것이라는 원고의 전문가 계산과 증언에 특히 주의를 기울였다.

뉴저지 턴파이크 당국이 턴파이크의 대규모 확장을 계획했던 뉴저지 이스트브런즈윅에서 두 번째 논란이 되는 사건이 발생했다.도로 공기 분산 모델을 사용하여 턴파이크 인근 주택, 학교 및 공원의 대기 오염 수준을 예측했습니다.ESL 모델 결과가 제시된 상급법원에서 열린 첫 번째 심리가 끝난 후, 판사는 턴파이크 당국에 원고인 동브런즈윅의 우려 시민들과 협상하고 부작용에 대한 대기질 완화를 개발하라고 명령했다.Turnpike Authority는 ERT를 전문가로 고용했고, 두 연구팀은 새로 만든 도로 공기 분산 모델을 사용하여 이 사례의 해결을 협상했다.

최신 모델 개선

CALINE3 모델은 비교적 복잡한 지형에 위치한 고속도로의 바람 아래 수용체 위치에서 대기 오염 농도를 측정하도록 설계된 정상 상태 가우스 분산 모델이다.CALINE3는 보다 정교한 CAL3에 통합되어 있습니다.QHC 및 CAL3QHCR 모델.CALINE3는 사용자 친화적인 성격과 정부 내 홍보로 널리 사용되고 있지만, 원래의 Hogan-Venti 모델에서 다루는 사례의 복잡성 분석에는 미치지 못한다.CAL3QHC 및 CAL3QHCR 모델은 Fortran 프로그래밍 언어로 제공됩니다.여기에는 입자상 물질이나 일산화탄소를 모델링할 수 있는 옵션이 있으며 신호화된 교차로에서 대기 중인 트래픽을 시뮬레이션하기 위한 알고리즘이 포함됩니다 [1].

또한, 비정상 상태의 라그랑지안 퍼프 알고리즘을 사용하는 몇 가지 최신 모델이 개발되었습니다.HYROAD 분산 모델은 ROADWAY-2 모델 퍼프와 정상 상태 플룸 알고리즘을 통합한 미국 고속도로 협력 연구 프로그램의 프로젝트 25-06을 통해 개발되었습니다(Rao 등,[dead link] 2002).

TRAQSIM 모델은 Ph.의 일부로 2004년에 개발되었습니다.미국 교통부 Volpe National Transportation Systems Center 대기질 시설의 지원을 받아 D 학위 논문.이 모델은 비정상 상태의 가우스 퍼프 알고리즘과 동적 차량 거동을 통합합니다.HYROAD와 달리 TRAQSIM은 트래픽 시뮬레이션, 초당 모달 배출 및 가우스 퍼프 분산을 개별 차량을 개별 이동 소스로 모델링하는 완전 통합 시스템(진정한 시뮬레이션)으로 결합합니다.TRAQSIM은 현재 CALINE3 및 CAL3QHC 규제 모델의 후속 모델이 될 차세대 모델로 개발되었습니다.TRAQ 개발의 다음 단계SIM은 미립자 물질(PM)과 유해 대기 오염 물질(HAP)의 분산을 모델링하는 방법을 통합합니다.

도시 협곡과 고속도로 구성에 따른 복잡한 도시 기상학을 다루는 여러 모델이 개발되었습니다.최초의 그러한 모델 개발(1968년-1970년)은 미국 EPA의 대기 오염 제어 사무소가 뉴욕시와 [8]함께 개발한 것이다.이 모델은 뉴욕시 항공자원부의 잭 펜스터스톡에 의해 토론토의 스파디나 고속도로에 성공적으로 적용되었다.[9][10]다른 예는 Turner-Fairbank 도로 연구 Center's[11]캐년 매연 박스 포함한다 model,[12]에 버전 3(CPB-3), 국립 환경 연구소의 덴마크의 운전 거리 오염 모델(OSPM), 그리고 MICRO-CALGRID 모델 포함된다 광화학, 허용하기 위해 둘 다 초등 학교, 중, 고등 생물 종에겔 모델로 하여 만들었습니다..난류 반응 흐름 모델을 사용하여 차량 유도 난류(VIT), 도로 유도 난류(RIT),[13] 화학적 변환 및 대기 오염 물질의 에어로졸 역학을 해결하는 코넬 대학의 CTAG 모델.CTAG 모델은 또한 고속도로 건설 환경을 특성화하고 식생 장벽이 도로 주변 공기 오염에 미치는 영향을 연구하기 위해 적용되었다.

최근 법적 사건에서의 적용

주요 도로 근처의 거주자들이 여러 부정적인 건강 결과의 높은 비율에 직면해 있음을 나타내는 최근 건강 문헌은 새로운 도로, 확장 도로, 버스 터미널, 트럭 정류장 및 기타 소스의 영향을 특징짓기 위해 도로 공기 분산 모델을 사용하는 교통 기관의 책임에 대한 법적 논쟁을 촉발시켰다.

최근 네바다의 시에라 클럽은 라스베이거스에 있는 95번 국도의 확장이 인근 공기의 질에 미치는 영향을 평가하지 못한 것에 대해 네바다 교통부와 연방 고속도로 관리국을 고소했다.[2] 시에라 클럽은 새로운 자동차 교통에서 발생하는 유해 대기 오염 물질과 입자 물질의 배출을 다루기 위해 추가 환경 영향 보고서를 발표해야 한다고 주장했다.원고는 환경보호청의 MOBILE6.2 모델, CALINE3 분산 모델 및 기타 관련 모델을 포함한 모델링 도구를 사용할 수 있다고 주장했다.피고는 필립 프로 판사가 이끄는 미국 지방법원에서 승소했다.필립 프로 판사는 교통기관들이 이용 가능한 모델링 도구의 부족에 대한 기술적 주장에도 불구하고 "임의적이고 변덕스럽지 않은 방식으로 행동했다"고 판결했다.rnals(예: Korenstein and Piazza, Journal of Environmental Health, 2002).항소법원은 미국 제9서킷에 대한 항소심에서 법원의 최종 결정이 내려질 때까지 고속도로 공사를 계속했다.시에라 클럽과 피고인들은 법정 밖에서 합의를 보고 95번 국도가 인근 학교에 미치는 대기 질 영향에 대한 연구 프로그램을 수립했다.

많은 다른 유명한 사례들은 환경 단체들이 인근 지역사회에 대한 새로운 교통 프로젝트의 대기 질 영향을 평가하기 위해 분산 모델링을 사용할 것을 요구하도록 촉구했지만, 현재까지 주 교통 기관과 연방 고속도로청은 모델과 가이드라에도 불구하고 도구를 사용할 수 없다고 주장했다.nce는 EPA의 규제 공기 모델 지원 센터(SRAM)를 통해 입수할 수 있다[3].

디트로이트 인터모달 화물 터미널과 디트로이트 리버 인터내셔널 크로싱(미치건, 미국) 및 덴버(콜로라도, 미국)의 70번 주간 고속도로 확장 사례 중 가장 논란이 많은 사례 중 하나이다.

이러한 모든 경우에, 지역사회 기반 조직들은 모델링 도구를 이용할 수 있다고 주장했지만, 교통 계획 기관들은 모든 단계에서 너무 많은 불확실성이 존재한다고 주장했습니다.지역사회 기반 조직의 주요 관심사는 운송 기관이 대기질 분석에서 기꺼이 허용할 수 있는 불확실성의 수준을 정의하는 것을 꺼리는 것이다. 이는 모델 사용의 불확실성과 정확성을 다루는 대기질 모델에 대한 환경 보호청의 지침과 비교된다.[4]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Turner, D.B. (1994). Workbook of atmospheric dispersion estimates: an introduction to dispersion modeling (2nd ed.). CRC Press. ISBN 978-1-56670-023-8.www.crcpress.com 2007년 11월 5일 Wayback Machine에서 아카이브 완료
  2. ^ Beychok, M.R. (2005). Fundamentals Of Stack Gas Dispersion (4th ed.). author-published. ISBN 978-0-9644588-0-2. www.air-dispersion.com Wayback Machine에서 2014년 12월 16일 아카이브 완료
  3. ^ C.H. Bosanquet와 J.L. Pearson, "굴뚝에서 연기와 가스가 퍼지고 있다.", 트랜스포트.패러데이 사회부, 1936년, 32:1249
  4. ^ O.G. Sutton, "공장 굴뚝에서 발생하는 공기 오염의 이론적 분포", QJRMS, 73:426, 1947
  5. ^ G.A. Briggs, 관측치와 비교한 플룸 상승 모델, JAPCA, 15:433-438, 1965
  6. ^ 마이클 호건, 선형 선원에서 대기 확산에 대한 이론적 근거, ESL Inc, 환경 시스템 연구소, 간행물 IR-29, 캘리포니아 서니베일, 1968년 5월 4일
  7. ^ Richard J. Venti, 도로 공급원을 위한 대기 확산 모델, ESL Inc, Environmental Systems Laboratory, Publication ET-22, Ca., Sunnyvale, 1970년 10월 5일.
  8. ^ Fensterstock, J.C. et al, "환경계획을 통한 대기오염 잠재력 감소", JAPCA, Vol.21, No.7, 1971.
  9. ^ The Globe and Mail, 1971-01-21, James McKenzie, 토론토, "공해는 뉴욕보다 더 심각할 것으로 예측됩니다."
  10. ^ The Globe and Mail, 1971-01-22, James MacKenzie, "Monoxide level safe on present Spadina, expert tell OMB," 토론토.
  11. ^ Turner-Fairbank Highway Research Center 2010년 12월 18일 Wayback
  12. ^ 2010년 5월 27일 Wayback Machine에서 보관된 Canyon Flume Box 모델
  13. ^ Y. Wang과 Zhang, K.M, "CFD(Computer Fluid Dynamics) 모델을 사용한 근접도로 공기질 모델링", ES&T, 43:7778-7783, 2009

외부 링크