Этот раздел описывает первую стадию применения EHIPS к данным города Ньюкастла, Новый Южный Уэльс, Австралия. Данные включают несколько индустриальных источников эмиссии, метеорологические измерения и концентрации загрязняющих веществ, полученные из трех мест: Ньюкастл, Воллсенд и Бересфилд. Разработчики EHIPS выражают благодарность за доступ к этим данным:
Профессору Говарду Бриджману, Ньюкастлский Университет
Оливеру Рей-Лескюру, Отдел Географии, Ньюкастлский Университет
Доктору Рхонду Бойла, Агентство по Охране Окружающей Среды, Штат Виктория.
Мы планируем следующую последовательность действий для применения EHIPS к Ньюкастлским данным.
Стадия 1: техническая - подключение и проверка баз данных, создание карт и ГИС, проверка единиц измерения и согласованности данных, получение первых кратких обзоров.
Стадия 2: концентрации - интегрирование модельных вычислений дисперсии от источников и фактических измерений. Выбор модели и установка параметров модели для использования на последующих стадиях. Определение основных паттернов концентрации по времени, месту, загрязнителю.
Стадия 3: риски - установление заметной локальной модели групп экспозиции и сценариев экспозиции. Определение основных паттернов риска, особенно горячих точек по времени, месту, группе экспозиции.
Стадия 4: здоровье - вычисление ожидаемых образцов заболеваемости / смертности, подтверждение их фактическими данными, поиск статистически значительных связей между здоровьем и паттернами риска, определение взаимосвязей горячих точек по загрязнению окружающей среды и горячих точек по здоровью.
Каждая ступень - необходимая предпосылка для последующей ступени. В настоящее время, мы заканчиваем 1 Стадию. По ее результатам, мы приводим ниже краткие обзоры имеющихся данных. Кроме того, были выполнены модельные вычисления в самой простой конфигурации:
Обе модели (американская модель Агентства по охране окружающей среды ISC3ST и российская модель ОНД-86) использовались с расширениями, сделанными специально для EHIPS;
Параметры ландшафта и зданий не учитывались;
Специальные явления, типа сухого или влажного осаждения, изменений высоты перемешивания и т.д. так же не учитывались;
Условия устойчивости атмосферы учитывались с помощью регионального коэффициента в ОНД, и через изменения скорости ветра сигма - тета в ISC;
Низкоуровневые и площадные источники были временно отброшены, потому что они не должны оказывать влияния на отдаленные станции, где фактически измеряются концентрации.
Эти вычисления годятся только для обзора данных и выявления ошибок. Кроме того, было важно оценить расхождение между модельными и измеряемыми концентрациями.
Наши планы для Стадии 2 включают:
Разработку системы пространственных ячеек с переменной детальностью для моделирования дисперсии. Она должна быть адаптирована к конфигурации карты, к расположению источников / датчиков, и к способу усреднения данных в отчетах (в нашем случае - по почтовым отделениям) . Все дальнейшие вычисления будут выполнены на этой системе ячеек.
Учет всех параметров, опущенных ранее (параметр стабильности обсуждается отдельно ниже).
Сравнение моделей ISC и ОНД и принятие решения об использовании одной из них или обеих одновременно, в рамках некоторой схемы совместного использования.
Выбор одного из существующих методов для вычисления параметра устойчивости атмосферы. Выбранный метод должен быть применим и к ISC и ОНД, если не будет решено отказаться от одной из этих моделей. Главным критерием выбора метода (так же, как и выбора модели) будет непротиворечивость между модельными и измеряемыми данными. Будут использоваться возможности EHIPS по подгонке моделей к измерениям.
Определение характерных паттернов концентрации для индустриальных выбросов и попытка выявления их в данных измерений. Используется для оценки неучтенных выбросов и улучшения количественного согласия между модельными и измерянными концентрациями.
В заключение, результаты моделирования и измерения должны быть объединены в одно поле концентраций на системе ячеек, упомянутой выше. Эти концентрации будут использоваться на дальнейших стадиях.
Далее следует краткий обзор данных. Мы разбили его на следующие разделы:
Рисунок 1 Географическое представление данных. Тонкие фиолетовые линии разграничивают почтовые отделения, а толстые линии - районы. Малые квадраты с зелеными изображениями - источники (только трубы) - приблизительно 100 штук. Малые квадраты с синими изображениями - станции наблюдения; верхняя точка - Бересфилд, правая нижняя часть - Ньюкастл, станция Воллсенд скрыта позади одной из ячеек. Большие квадраты с пересечениями - ячейки, для которых мы моделируем распространение загрязнений по территории. По техническим причинам некоторые из них не показаны. Рисунок 2 Типичный результат моделирования распространения загрязнений, наложенный на карту. Цветные коды - расчетные концентрации вещества. Их численные значения показаны наверху. Белый - обычно означает "нет данных", но может и означать, что превышен верхний предел (когда автоматическая нормализация не используется). Обратите внимание, что результаты получены и для ячейки и для станции (и те, и другие окрашены). Территории, соответствующие почтовым отделениям, заполнены цветом, соответствующим среднему значению ячеек, покрывающих их.
Эта типовая карта была получена для одного временного шага, равного одному часу. Рисунок 3 То же самое с удалением ячеек, чтобы концентрации для территорий были лучше видны. Для среднечасовых концентраций CO, усредненных за год. Все значения для цветных кодов приведены в мг/м3 - здесь и далее. Рисунок 4 То же самое для NOx. Общий рисунок подобен рисунку 3, но значения ниже, чем для СО, приблизительно в 5 раз. Также обратите внимание, что ширина шлейфа загрязнения несколько меньше.
Далее следуют несколько карт, характеризующих параметры источников выбросов. Рисунок 5 Ежегодный выброс СО, тонны Рисунок 6 Ежегодный выброс NOx, тонны Рисунок 7 Скорость выброса на срезе трубы, м/сек.
Преобладающий источник выброса и для СО и NOx - группа труб, принадлежащих предприятию, закодированному как N4. Ситуация для SO2 другая (см. графики ниже).
Графический модуль EHIPS показывает данные как временной ряд, или как ранжированный ряд, или как гистограмму. Ранжирование используется для выбора наиболее важных источников. Рисунок 8 Ранжирование труб по выбросу NOx. Первые две трубы преобладают, трубы от третьей до пятнадцатой более или менее важны, остальные отброшены для ускорения вычислений.
Мы даем эти рисунки как примеры интерфейса экрана графического модуля. Рисунок 9 Ранжирование труб по выбросу SO2. Снова, несколько труб являются доминирующими, но они не те же, что для NOx. Рисунок 10 Ранжирование труб по температуре. Это - важный индикатор размера территории, где сказывается воздействие труб (из-за расширения шлейфа при тепловом всплывании в атмосфере). Рисунок 11 Ранжирование труб по высоте. Это - индикатор степени опасности выброса, которая учтена при строительстве объекта. Обратите внимание на более равномерное распределение, чем для температуры.
Ниже следует краткий обзор измерений, сделанных на 3 станциях (почасовые данные, усредненные за месяц или за год). Рисунок 12 Годовые средние измерения озона на трех станциях. Обратите внимание на то, что значение в Ньюкастле так же низко как значение в Бересфилде, хотя Ньюкастл находится ближе к главным источникам выбросов. Это также справедливо для большинства других загрязняющих веществ. Вероятно, это результат специфической комбинации метеоусловий и положения. Это может быть проверено моделированием. Рисунок 13 График годовых средних для озона на трех станциях. В Ньюкастле опять такие же низкие значения, как и в Бересфилде.
На следующем рисунке приведены помесячные концентрации на каждой станции. (Обратите внимание, что вертикальный масштаб для Воллсенда вдвое выше чем для Ньюкастла, и втрое выше, чем для Бересфилда. Однако это происходит из-за одиночного 'плохого' месяца, и годовые данные в среднем такие же. Обратите внимание на явно выраженную сезонную структуру для Ньюкастла (в то время как среднегодовое значение оказывается таким же). Рисунок 14 Бересфилд: Ежемесячные концентрации NOx Рисунок 15 Воллсенд: Ежемесячные концентрации NOx Рисунок 16 Ньюкастл: Ежемесячные концентрации NOx
Теперь сравним структуры годовых средних концентраций по загрязняющим веществам. (Обратите внимание, что не все загрязняющие вещества измеряются на всех станциях. Обратите внимание, также на различия в вертикальном масштабе.) Загрязняющие вещества идут слева направо следующим образом: CO, NO, NO2, NOx, O3, PM10, SO2. Рисунок 17 Бересфилд: Годовые концентрации загрязняющих веществ Рисунок 18 Воллсенд: Годовые концентрации загрязняющих веществ Рисунок 19 Ньюкастл: Годовые концентрации загрязняющих веществ
На первый взгляд, структуры одинаковые. Поэтому, мы заключаем, что, чтобы найти характерные паттерны загрязнения, переменных 'вещество' и 'территория' может быть недостаточно, и поэтому нужно учитывать так же переменную 'время'.
Удобный метод для визуализации значений, изменяющихся во времени, это гистограмма. Ниже, приведены несколько годовых гистограмм почасовых измерений. Рисунок 20 Ньюкастл: NO2 Рисунок 21 Ньюкастл: NO
Обратите внимание на значительное отличие в гистограммах для двух аналогичных веществ, измеряемых на одной станции: NO имеют намного более длинный хвост чем NO2. Поскольку метеопараметры те же самые, это, вероятно, связано с разной временной динамикой выбросов.
При сравнении гистограмм на различных станциях важно учесть разницу метеорологических параметров. Они также могут быть представлены гистограммами. Ниже приведен пример для скорости ветра (почасовые годовые измерения). Горизонтальный масштаб был одинаковым для всех трех станций (приблизительно до 10 м/сек). Рисунок 22 Бересфилд: скорость ветра Рисунок 23 Воллсенд: скорость ветра Рисунок 24 Ньюкастл: скорость ветра
Обратите внимание, что высокоскоростные хвосты приблизительно одинаковые, но имеется значительное отличие в низкоскоростной части. Это важно для учета метеорологии в моделировании, особенно потому что низкоскоростной предел труден для моделирования и может порождать неожиданно высокие концентрации из менее важных труб.
Для временной развертки, более важным чем скорость ветра, является направление ветра. Сезонные изменения ветра могут определять основной паттерн сезонного изменения концентрации на данной станции. Ниже приведен пример для Бересфилда. Сначала показаны гистограммы направления ветра для каждого второго месяца (только для Ньюкастла - для других станций паттерн тот же самый). Затем следуют ежемесячные гистограммы почасовых измерений концентраций NO в Бересфилде. По нашему мнению, совершенно очевидно, что хвосты, соответствующие высоким концентрациям, коррелируют с гистограммами направлений ветра, смещенными вправо.
Достаточно взгляда на карту, чтобы увидеть, почему это должно быть так. Однако можно надеяться, что связи гистограмм будут работать также при отсутствии такого очевидного причинно-следственного механизма. Рисунок 25 Бересфилд: помесячная гистограмма скорости ветра. Обратите внимание на разность в преобладающих ветрах между зимой и летом. Факел направлен к Бересфилду, когда значение направления ветра близко к 300 (см. рисунок 2). Рисунок 26 Бересфилд: помесячная гистограмма ежечасных измерений концентрации NO. Цвета аналогичны рисунку 25. Обратите внимание на очевидное соответствие между направлением ветра и хвостом высоких значений на гистограмме концентраций.
Сравним гистограммы модельных концентраций, рассчитанных для трех станций. Рисунок 27 Бересфилд: Гистограмма почасовых модельных значений для CO Рисунок 28 Воллсенд: Гистограмма почасовых модельных значений для CO Рисунок 29 Ньюкастл: Гистограмма почасовых модельных значений для CO
Модельные концентрации на порядок величины выше для Бересфилда чем для Ньюкастла, и еще в несколько раз выше для Воллсенда. Измеренные значения для Нъюкастла лежат между модельными значениями для Воллсенда и Бересфилда. К сожалению, прямое сравнение невозможно, так как CO не измерялся для Воллсенда и Бересфилда.
Обратите также внимание на очень выразительные структуры гистограммы, они несут потенциальную информацию относительно взаимодействия между изменением параметра ветра и геометрией "источник - датчик".
Этот эффект теряется при усреднении. См. следующие ежемесячные средние расчетных значений NOx для трех станций. Сезонная структура нечувствительна к географическому расположению. Рисунок 30 Бересфилд: Ежемесячные модельные средние для NOx Рисунок 31 Воллсенд: Ежемесячные модельные средние для NOx Рисунок 32 Ньюкастл: Ежемесячные модельные средние для NOx
Абсолютные значения изменяются между станциями так же, как для CO.
Сравним модельные и измеренные значения. Для этого построим график их отношения для соответственных точек в пространстве и времени. Начнем с NOx. На следующих рисунках представлены годовые гистограммы почасовых значений этого отношения. Рисунок 33 Бересфилд: Годовая гистограмма отношения модельных значений к измеренным значениям для NOx Рисунок 34 Воллсенд: Годовая гистограмма отношения модельных значений к измеренным значениям для NOx Рисунок 35 Ньюкастл: Годовая гистограмма отношения модельных значений к измеренным значениям для NOx
Формы гистограмм похожи, и это означает, что механизмы вариаций метеорологических параметров были более или менее правильно учтены моделью. (Если бы это было не так, то были бы различия между гистограммами, как на рисунках 27 - 29). Однако средние значения много ниже в модельных расчетах, чем в измерениях, как показано на следующем рисунке.
Рисунок 36 Паттерны расчетных концентраций загрязняющих веществ для различных территорий со станциями и почтовыми отделениями. В то время как все паттерны качественно схожи, есть значительные количественные различия между территориями. Загрязняющие вещества идут вдоль абсциссы в следующей последовательности слева направо: CO, NO, NO2, NOx, O3, PM10, SO2, бензол, толуол, формальдегид, ксилол, Cd, Ni, и последние четыре - метеопараметры.
Следующие гистограммы должны сравниться построчно. Для характерных загрязняющих веществ типа CO и NOx (а также SO2, PM10 и т.д.), гистограммы длиннохвостые, и это означает, что необходимо учитывать кратковременные интенсивные опасности. Для металлов (Cd и Ni взяты для примера), гистограммы намного ближе к нормальным распределениям, так что среднее, например, годовое значение, является допустимым приближением первого порядка. Это связано с известным среднедозовым механизмом воздействия тяжелых металлов на здоровье, в отличие от важности острых экспозиций для CO, SO2 и т.д.
В обоих случаях, самый длинный хвост имеет место для территории PO2304, на которой находится большинство труб. Рисунок 37 Гистограммы расчетных концентраций CO по территориям. Рисунок 38 Гистограммы расчетных концентраций NOx по территориям. Рисунок 39 Гистограммы расчетных концентраций Ni по территориям. Рисунок 40 Гистограммы расчетных концентраций Cd по территориям. Рисунок 41 Отношение CO к NOx Рисунок 42 Отношение PM10 к Nox Рисунок 43 Отношение SO2 к Nox Рисунок 44 Формальдегид к NOx Рисунок 45 Бензол к NOx Рисунок 46 Толуол к NOx Рисунок 47 Ксилол к NOx Рисунок 48 Cd к NOx
Представлены пространственные структуры отношения каждой концентрации загрязняющего вещества к концентрации NOx для той же самой области (принимаемой как референтное значение). Цвета нормализованы так, чтобы почтовое отделение с максимальным значением было красным. Паттерн, наблюдаемый для CO2, уникален и наиболее размазан территориально (см., например, цвета крайней правой и левой верхней областей). Все паттерны имеют ядро областей с наивысшими значениями отношения концентраций. Это следствие того, что эти области имеют малые значения рассчитанной концентрации для NOx, принимаемой как раферентное значение. Это более характерно для толуола и ксилола. В первом приближении, все показанные карты могут считаться одним и тем же паттерном. Рисунок 49 Отношение CO к Ni Рисунок 50 Отношение PM10 к Ni Рисунок 51 Отношение NOx к Ni Рисунок 52 Формальдегид к Ni Рисунок 53 Бензол к Ni Рисунок 54 Толуол к Ni Рисунок 55 Ксилол к Ni Рисунок 56 Cd к Ni
Те же самые данные, с концентрациями Ni, взятыми в качестве референтного значения. По нашему мнению, паттерны явно распадаются на несколько групп. Первая - CO, PM10 и NOx. Вторая состоит только из формальдегида. Третья включает бензол, толуол и ксилол. Четвертая - Cd. Очевидно, эта группировка имеет отношение к химическому составу загрязняющего вещества. Дело в том, что родственные химические вещества выбрасываются отдельными группами труб. Обратите внимание, что группировка паттернов зависит от выбора референтного значения.
Рисунок 57 Отношение расчетных значений по модели ОНД к измеренным значениям для NOx. Годовое среднее для каждой станции. (Нулевые столбцы - метеорология - в вычислениях не участуют.)
Расхождение расчетных и измеренных значений может быть отнесено частично на счет неучтенных источников выброса (например, подвижных источников), и частично - к упрощениям моделирования, описанным в начале. Главная задача для следующей стадии состоит в разделении этих двух факторов. Важность первого фактора иллюстрируется показанными на следующих рисунках гистограммами отношения модельных значений к измеренным для SO2 (в Ньюкастле ничего не измерялось). Рисунок 58 Бересфилд: Годовая гистограмма значений, рассчитанных по модели ОНД, к измеренным значениям для SO2 Рисунок 59 Воллсенд: Годовая гистограмма значений, рассчитанных по модели ОНД, к измеренным значениям для SO2
Различие в форме иллюзорно, оно связано, главным образом, с разницей в горизонтальном масштабе. Что касается средних, они намного ближе к желаемой цели - то есть единице - чем для NOx (см. рисунок 60). Возможно, дело в том, что SO2 - более специфический загрязнитель для промышленности, чем NOx, так что его источники более или менее полностью учтены в модели. Рисунок 60 Отношение значений, рассчитанных по ОНД модели, к измеренным значениям для SO2. Годовое среднее для каждой станции. (В Ньюкастле ничего не измерялось.)
