水曜日、09月2011 15:34

大気汚染: 大気汚染物質の分散のモデル化

このアイテムを評価
(4票)

大気汚染モデリングの目的は、工業生産プロセス、偶発的な放出、交通などによって引き起こされる屋外汚染物質濃度を推定することです。 大気汚染モデリングは、汚染物質の総濃度を確認し、異常に高いレベルの原因を見つけるために使用されます。 計画段階のプロジェクトでは、既存の負担に対する追加の寄与を事前に見積もることができ、排出条件を最適化することができます。

図 1. 地球環境監視システム/大気汚染管理

EPC020F1

問題の汚染物質に対して定義された大気質基準に応じて、年間平均値または短期間のピーク濃度が重要です。 通常、濃度は人が活動している場所、つまり地上約 XNUMX メートルの高さの地表近くで測定する必要があります。

汚染物質の分散に影響を与えるパラメータ

汚染物質の分散に影響を与える 1992 種類のパラメーター: ソース パラメーターと気象パラメーターです。 ソースパラメータの場合、濃度は放出される汚染物質の量に比例します。 粉塵が懸念される場合、物質の沈降と堆積を決定するために、粒子の直径を知る必要があります (VDI 1985)。 スタックの高さが高くなるほど表面濃度が低くなるため、このパラメータも把握する必要があります。 さらに、濃度は排気ガスの総量だけでなく、その温度と速度にも依存します。 排気ガスの温度が周囲の空気の温度を超えると、ガスは熱浮力を受けます。 煙突の内側の直径と排気ガスの体積から計算できるその排気速度は、動的な運動量浮力を引き起こします。 これらの特徴を説明するために経験式を使用することができます (VDI 1988; Venkatram and Wyngaard XNUMX)。 問題の汚染物質の質量ではなく、熱的および動的な運動量浮力の原因となる全ガスの質量であることを強調する必要があります。

汚染物質の拡散に影響を与える気象パラメータは、風速と風向、および垂直温度成層です。 汚染物質濃度は風速の逆数に比例します。 これは主に輸送の加速によるものです。 さらに、乱流混合は風速の増加とともに増加します。 いわゆる反転 (すなわち、温度が高さとともに上昇する状況) が乱流混合を妨げるため、高度に安定した成層中に最大表面濃度が観察されます。 逆に、対流状況では垂直方向の混合が激しくなるため、最も低い濃度値が示されます。

大気質基準 (年間平均値や 98 パーセンタイルなど) は通常、統計に基づいています。 したがって、関連する気象パラメータの時系列データが必要です。 理想的には、統計は XNUMX 年間の観察に基づくべきです。 より短い時系列しか利用できない場合は、それらがより長い期間の代表であることを確認する必要があります。 これは、たとえば、他の観測サイトからのより長い時系列の分析によって行うことができます。

使用される気象時系列も、対象となるサイトを代表するものでなければなりません。つまり、地域の特性を反映している必要があります。 これは、98 パーセンタイルなど、分布のピーク部分に基づく大気質基準に関して特に重要です。 そのような時系列が手元にない場合は、以下に説明するように、気象フロー モデルを使用して、他のデータから XNUMX つを計算することができます。

 


 

国際監視プログラム

世界保健機関(WHO)、世界気象機関(WMO)、国連環境計画(UNEP)などの国際機関は、大気汚染に関する問題を明らかにし、防止策を推進するために、監視および研究プロジェクトを開始しました。公衆衛生、環境および気候条件のさらなる悪化。

Global Environmental Monitoring System GEMS/Air (WHO/ UNEP 1993) は、WHO と UNEP によって組織され、後援されており、合理的な大気汚染管理の手段を提供するための包括的なプログラムを開発しました (図 55.1 を参照してください。[EPC01FE] このプログラムの核心は、二酸化硫黄、浮遊粒子状物質、鉛、窒素酸化物、一酸化炭素、およびオゾンの都市大気汚染物質濃度のグローバル データベースです. ただし、このデータベースと同じくらい重要なのは、急速な排出目録、プログラムのガイドなどの管理ツールの提供です。分散モデリング、集団暴露推定、管理手段、および費用便益分析. この点で、GEMS/Air は方法論レビュー ハンドブック (WHO/UNEP 1994, 1995) を提供し、大気質のグローバル アセスメントを実施し、アセスメントのレビューと検証を促進します。 、データ/情報のブローカーとして機能し、大気質管理のあらゆる側面をサポートする技術文書を作成し、確立を促進します年次レビューを実施し、広く配布し、地域のニーズに応じて活動を調整およびサポートする地域協力センターおよび/または専門家を設立または特定します。 (WHO/UNEP 1992、1993、1995)

Global Atmospheric Watch (GAW) プログラム (Miller and Soudine 1994) は、大気組成の変化と地球環境の変化との関係を理解することを目的として、大気の化学組成と関連する物理的特性、およびそれらの傾向に関するデータとその他の情報を提供します。および地域の気候、陸域、淡水、および海洋の生態系にわたる潜在的に有害な物質の長距離大気輸送と沈着、および地球規模の大気/海洋/生物圏システムにおける化学元素の自然循環、およびそれらに対する人為的影響。 GAW プログラムは 3 つの活動分野で構成されています。 さまざまな時間と空間スケールでの陸と海での大気汚染物質の分散、輸送、化学変換、堆積。 大気と他の環境コンパートメントとの間の汚染物質の交換。 および統合モニタリング。 GAW の最も重要な側面の XNUMX つは、GAW の下で作成されたデータの品質を監督するための品質保証科学活動センターの設立です。


 

 

大気汚染モデリングの概念

前述のように、汚染物質の拡散は、排出条件、輸送、および乱流混合に依存します。 これらの特徴を記述する完全な方程式を使用することは、オイラー分散モデリングと呼ばれます (Pielke 1984)。 このアプローチにより、問題の汚染物質の増減を、架空の空間グリッド上のすべての点で、異なる時間ステップで決定する必要があります。 この方法は非常に複雑でコンピュータに時間がかかるため、通常は日常的に処理することはできません。 ただし、多くのアプリケーションでは、次の仮定を使用して単純化できます。

  • 排出条件の経時変化なし
  • 輸送中の気象条件の変化なし
  • 風速1m/s以上。

 

この場合、上記の方程式は解析的に解くことができます。 得られた式は、ガウス濃度分布を持つプルーム、いわゆるガウス プルーム モデル (VDI 1992) を表します。 分布パラメータは、気象条件と風下距離、および煙突の高さに依存します。 それらは経験的に決定されなければなりません (Venkatram and Wyngaard 1988)。 排出および/または気象パラメータが時間および/または空間でかなりの量だけ変化する状況は、ガウス パフ モデル (VDI 1994) によって記述される場合があります。 このアプローチでは、明確なパフが一定の時間ステップで放出され、それぞれが現在の気象条件に従って独自のパスをたどります。 その途中で、各パフは乱流混合に従って成長します。 この成長を説明するパラメータは、経験的なデータから決定する必要があります (Venkatram and Wyngaard 1988)。 ただし、この目的を達成するには、入力パラメータが時間および/または空間で必要な解像度で利用可能でなければならないことを強調する必要があります。

偶発的な放出または単一のケース スタディに関しては、ラグランジュ モデルまたは粒子モデル (VDI ガイドライン 3945、パート 3) をお勧めします。 その概念は、多くの粒子の経路を計算することであり、各粒子は問題の汚染物質の固定量を表します。 個々の経路は、平均風による輸送と確率的擾乱で構成されています。 確率的な部分のため、パスは完全には一致しませんが、乱気流による混合を示しています。 原則として、ラグランジュ モデルは複雑な気象条件、特に風と乱気流を考慮することができます。 以下で説明するフロー モデルによって計算されたフィールドは、ラグランジュ分散モデリングに使用できます。

複雑な地形における分散モデリング

構造化された地形で汚染物質の濃度を決定する必要がある場合は、モデリングに汚染物質の分散に対する地形効果を含める必要がある場合があります。 このような影響は、例えば、地形構造に沿った輸送、または XNUMX 日の間に風向を変える海風や山風などの熱風システムです。

このような影響がモデル地域よりもはるかに大きな規模で発生する場合は、その地域の特性を反映した気象データを使用してその影響を考慮することができます。 そのようなデータが利用できない場合は、対応する流れモデルを使用して、地形が流れに与える XNUMX 次元構造を取得できます。 これらのデータに基づいて、分散モデリング自体は、ガウス プルーム モデルの場合、前述のように水平方向の均一性を仮定して実行できます。 しかし、モデルエリア内で風況が大きく変化する状況では、分散モデリング自体が地形構造の影響を受けるXNUMX次元の流れを考慮する必要があります。 前述のように、これはガウス パフまたはラグランジュ モデルを使用して行うことができます。 もう XNUMX つの方法は、より複雑なオイラー モデルを実行することです。

地形的に構造化された地形と一致する風向を決定するために、質量の一致または診断フロー モデリングが使用される場合があります (Pielke 1984)。 このアプローチを使用すると、初期値をできるだけ小さく変更し、その質量を一定に保つことによって、流れが地形に適合します。 これは迅速な結果につながるアプローチであるため、観測が利用できない場合、特定のサイトの風の統計を計算するためにも使用できます。 これを行うために、地衡風の統計 (つまり、ローウィンゾンデからの高層大気データ) が使用されます。

ただし、熱風システムをより詳細に検討する必要がある場合は、いわゆる予後モデルを使用する必要があります。 モデル エリアの規模と勾配に応じて、静水圧、またはさらに複雑な非静水圧のアプローチが適しています (VDI 1981)。 このタイプのモデルには、多くのコンピュータ パワーとアプリケーションの経験が必要です。 年平均に基づく濃度の決定は、一般に、これらのモデルでは不可能です。 代わりに、XNUMX つの風向と、最高の表面濃度値をもたらす風速および成層パラメーターのみを考慮することによって、最悪のケースの研究を実行できます。 これらの最悪のケースの値が大気質基準を超えない場合、より詳細な調査は必要ありません。

図 2. モデル領域の地形構造

EPC30F1A

図 2、図 3、および図 4 は、表面および地衡風の頻度を考慮して導き出された地形と風の気候の影響との関係で、汚染物質の輸送と分配をどのように表すことができるかを示しています。

図 3. 地衡学的頻度分布から決定された表面頻度分布

EPC30F1B

図 4. 不均一な風場の地衡風度分布から計算された仮想地域の年平均汚染物質濃度

EPC30F1C

発生源が少ない場合の分散モデリング

低い発生源 (つまり、建物の高さのオーダの煙突の高さ、または道路交通の排出量) によって引き起こされる大気汚染を考慮すると、周囲の建物の影響を考慮する必要があります。 道路交通の排出物は、ストリート キャニオンに一定量閉じ込められます。 これを説明する経験的な定式化が発見されました (Yamartino and Wiegand 1986)。

建物に設置された低煙突から放出された汚染物質は、建物の風下側の循環で捕捉されます。 この風下循環の程度は、建物の高さと幅、および風速によって異なります。 したがって、建物の高さだけに基づいてこのような場合に汚染物質の拡散を説明する単純化されたアプローチは、一般的に有効ではありません。 風下循環の垂直および水平範囲は、風洞研究 (Hosker 1985) から取得されており、質量の一貫した診断モデルで実装できます。 流れ場が決定されるとすぐに、放出された汚染物質の輸送と乱流混合を計算するために使用できます。 これは、ラグランジュまたはオイラー分散モデリングによって行うことができます。

たとえば偶発的な放出に関するより詳細な研究は、診断アプローチの代わりに非静水圧流および分散モデルを使用することによってのみ実行できます。 これは、一般に高いコンピュータ能力を必要とするため、完全な統計モデリングの前に、上記の最悪の場合のアプローチをお勧めします。

 

戻る

読む 13347 <font style="vertical-align: inherit;">回数</font> 26:先週の火曜日、7月2022 22 01に行わ
このカテゴリの詳細: « 大気汚染管理 大気質モニタリング »

免責事項: ILO は、この Web ポータルに掲載されているコンテンツが英語以外の言語で提示されていることについて責任を負いません。英語は、オリジナル コンテンツの最初の制作およびピア レビューに使用される言語です。その後、特定の統計が更新されていません。百科事典の第 4 版 (1998 年) の作成。

内容

環境汚染防止に関する参考資料

アメリカ公衆衛生協会 (APHA)。 1995 年。水および廃水の検査のための標準的な方法。 バージニア州アレクサンドリア:水環境連盟。

ARET事務局。 1995. Environmental Leaders 1、ARET による有毒物質に対する行動への自主的コミットメント。 ケベック州ハル: カナダ環境省の公的調査局。

ビショップ、PL。 1983.海洋汚染とその制御。 ニューヨーク: マグロウヒル。

ブラウン、LC、TO バーンウェル。 1987. 強化河川水質モデル QUAL2E および QUAL2E-UNCAS: ドキュメンテーションおよびユーザー マニュアル。 ジョージア州アテネ: 米国 EPA、環境研究所。

ブラウン、RH。 1993. Pure Appl Chem 65(8):1859-1874.

カラブレーゼ、EJ、EM ケニヨン。 1991. 空気毒性とリスク評価。 ミシガン州チェルシー:ルイス。

カナダとオンタリオ。 1994. 五大湖の生態系を尊重するカナダ・オンタリオ協定。 ケベック州ハル: カナダ環境省の公的調査局。

ディロン、PJ。 1974 年。Vollenweider の栄養収支モデルおよびその他の関連モデルの批判的レビュー。 Water Resour Bull 10(5):969-989.

エッケンフェルダー、WW. 1989 年。工業用水汚染管理。 ニューヨーク: マグロウヒル。

エコノモプロス、AP。 1993. 大気水と土地汚染の発生源の評価。 環境制御戦略の策定における迅速なソースインベントリ技術とその使用に関するガイド。 パート 93.1: 環境汚染における迅速な目録技術。 第 XNUMX 部:環境管理戦略の策定における考慮事項のアプローチ。 (未公開文書 WHO/YEP/XNUMX。) ジュネーブ: WHO。

環境保護庁 (EPA)。 1987 年。坑口保護区域の描写に関するガイドライン。 ニュージャージー州イングルウッドクリフ:EPA。

環境カナダ。 1995a。 汚染防止 - 行動のための連邦戦略。 オタワ: 環境カナダ。

—。 1995b. 汚染防止 - 行動のための連邦戦略。 オタワ: 環境カナダ。

フリーズ、RA、JAチェリー。 1987年。地下水。 ニュージャージー州エングルウッドクリフ:プレンティスホール。

地球環境モニタリングシステム (GEMS/Air)。 1993. 都市大気質の監視と評価のためのグローバル プログラム。 ジュネーブ: UNEP。

ホスカー、RP. 1985.孤立した構造物と建物群の周りの流れ、レビュー。 ASHRAE トランス 91。

国際合同委員会 (IJC)。 1993. 持続性有毒物質の事実上の排除のための戦略。 巻。 1、2、オンタリオ州ウィンザー:IJC。

Kanarek, A. 1994. 都市排水による地下水涵養、涵養盆地 Soreq、Yavneh 1 & Yavneh 2. イスラエル: Mekoroth Water Co.

Lee, N. 1993. ヨーロッパにおける EIA の概要と新連邦州におけるその適用。 UVPで

V Kleinschmidt が編集した Leitfaden。 ドルトムント。

Metcalf と Eddy、I. 1991 年。廃水工学の処理、廃棄、および再利用。 ニューヨーク: マグロウヒル。

ミラー、JM、A スーディン。 1994 年。WMO 地球大気監視システム。 Hvratski meteorolski casopsis 29:81-84。

ウムヴェルト省。 1993. Raumordnung Und Landwirtschaft Des Landes Nordrhein-Westfalen、Luftreinhalteplan
Ruhrgebiet West [Clean Air Implementation Plan West-Ruhr Area]。

Parkhurst, B. 1995. リスク管理方法、水環境および技術。 ワシントンDC:水環境連盟。

Pecor、CH。 1973年。ホートン湖の年間窒素およびリン予算。 ミシガン州ランシング:天然資源局。

Pielke、RA。 1984年。メソスケール気象モデリング。 オーランド:アカデミックプレス。

Preul、HC。 1964. 土壌中の窒素化合物の移動。 博士号論文、ミネソタ大学、ミネアポリス、ミネソタ州。

—。 1967. 窒素の地下移動。 巻。 1. ロンドン:国際水質協会。

—。 1972. 地下汚染の分析と制御。 水の研究。 J Int Assoc Water Quality (1141 月):1154-XNUMX。

—。 1974 年。Sunapee 湖流域における地下廃棄物処理の影響。 ニューハンプシャー州のスナピー湖保護協会の研究と報告、未発表。

—。 1981. 皮なめし工場廃水のリサイクル計画。 国際水資源協会。

—。 1991. 米国の水資源中の硝酸塩。 :水資源協会。

Preul、HC、および GJ Schroepfer。 1968年。土壌中の窒素化合物の移動。 J Water Pollut Contr Fed (XNUMX 月)。

リード、G、R ウッド。 1976.内陸水域と河口の生態学。 ニューヨーク:ヴァン・ノストランド。

Reish, D. 1979. 海洋および河口の汚染。 J Water Pollut Contr Fed 51(6):1477-1517。

ソーヤー、CN。 1947. 農業排水と都市排水による湖の肥沃化。 J New Engl Waterworks Assoc 51:109-127。

Schwela、DH、I Köth-Jahr。 1994. Leitfaden für die Aufstellung von Luftreinhalteplänen [クリーン エアー実施計画の実施に関するガイドライン]。 Landesumweltamt des Landes Nordrhein Westfalen。

オハイオ州。 1995 年。水質基準。 章で。 行政コードの 3745-1。 オハイオ州コロンバス: オハイオ州 EPA。

テイラー、ST。 1995. OMNI 日周モデルを使用して、根を張った植生が流入栄養素と溶存酸素のダイナミクスに与える影響のシミュレーション。 WEF年次会議の議事録。 バージニア州アレクサンドリア:水環境連盟。

米国とカナダ。 1987. 1978 年 18 月 1987 日に署名された議定書により修正された XNUMX 年の五大湖水質協定の改訂。ケベック州ハル: カナダ環境省の公的調査局。

ヴェンカットラム、A アンド J ウィンガード。 1988. 大気汚染モデリングに関する講義。 マサチューセッツ州ボストン:アメリカ気象学会。

ヴェンツィア、RA。 1977年。土地利用と交通計画。 ACスターンが編集した大気汚染。 ニューヨーク:アカデミックプレス。

Verein Deutscher Ingenieure (VDI) 1981. ガイドライン 3783、パート 6: 複雑な列車を介した汚染物質の地域分散。
風場のシミュレーション。 デュッセルドルフ: VDI.

—。 1985. ガイドライン 3781、パート 3: プルーム上昇の決定。 デュッセルドルフ: VDI.

—。 1992. ガイドライン 3782、パート 1: 大気質管理のためのガウス分散モデル。 デュッセルドルフ: VDI.

—。 1994. ガイドライン 3945、パート 1 (ドラフト): ガウス パフ モデル。 デュッセルドルフ: VDI.

—。 nd ガイドライン 3945、パート 3 (準備中): 粒子モデル。 デュッセルドルフ: VDI.

Viessman、W、GL Lewis、および JW Knapp。 1989年。水文学入門。 ニューヨーク:ハーパー&ロウ。

フォレンヴァイダー、RA。 1968. 湖と流れる水の富栄養化の科学的基礎、特に
富栄養化における窒素およびリン因子への言及。 パリ:OECD。

—。 1969. Möglichkeiten と Grenzen エレメンタラー Modelle der Stoffbilanz von Seen. Arch Hydrobiol 66:1-36。

ウォルシュ議員。 1992 年。自動車の排気ガス規制対策とその有効性の見直し。 D Mage と O Zali が編集した、自動車の大気汚染、公衆衛生への影響と対策。 ジュネーブ共和国および州: WHO-Ecotoxicology Service、公衆衛生局。

水環境連盟。 1995 年。公害防止と廃棄物最小化ダイジェスト。 バージニア州アレクサンドリア:水環境連盟。

世界保健機関 (WHO)。 1980. 大気汚染に関する用語集。 ヨーロピアン シリーズ、No. 9。コペンハーゲン: WHO 地域刊行物。

—。 1987年。ヨーロッパの大気質ガイドライン。 ヨーロピアン シリーズ、No. 23。コペンハーゲン: WHO 地域刊行物。

世界保健機関 (WHO) および国連環境計画 (UNEP)。 1994. GEMS/AIR 方法論レビュー ハンドブック シリーズ。 巻。 1-4. 都市大気質モニタリングにおける品質保険、ジュネーブ:WHO。

—。 1995a。 都市の大気質の傾向。 巻。 1-3. ジュネーブ: WHO.

—。 1995b. GEMS/AIR 方法論レビュー ハンドブック シリーズ。 巻。 5. GEMS/AIR 共同レビューのガイドライン。 ジュネーブ: WHO.

ヤマルティーノ、RJ、G ウィーガンド。 1986. 都市のストリート キャニオン内の流れ、乱流、および汚染物質濃度フィールドの単純なモデルの開発と評価。 アトモス エンビロン 20(11):S2137-S2156。