CC BY
23
УДК 621.673.47 Доктор техн. наук А.П. КАРТОШКИН
(СПбГАУ, akartoshkin@yandex.ru) Аспирант А.В. СЫСОЕВА
(СПбСВФУ, a.v.sysoeva@yandex.ru)
РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ ВОЗРАСТАЮЩЕГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В г. АРХАНГЕЛЬСКЕ
Экологическое давление, загрязняющие примеси, экспериментальные площадки, климатические особенности Севера, низкотемпературный фактор
Большую опасность для загрязнения атмосферы в городах Северо-Западного региона представляют неблагоприятные метеорологические условия: резко переменный ветер, повышенная влажность и пониженная температура воздуха. Анализ исследований ученых в этой области доказывает, что именно такие неблагоприятные условия способствуют ситуациям застоя воздуха в мегаполисах. Цель исследования направлена на выявление особенностей метеорологических условий и их влияние на экологическую обстановку г. Архангельска.
Экологические условия г. Архангельска являются неблагоприятными [1,2]. Это подтверждается многолетними наблюдениями специализированных учреждений города за экологической обстановкой города [3,4,5,6]. Ежегодное увеличение количества транспортных средств, неблагоприятные климатические условия и плотная застройка города приводит к ухудшению рассеивания загрязняющих примесей и нарастающему экологическому давлению на окружающую среду и население города [7,8,9,10]. Особую важность в таких случаях приобретает прогноз. Для прогнозирования неблагоприятных условий в исследовании применялись расчетно-теоретические и экспериментальные уравнения, полученные в результате многолетних наблюдений и тщательной обработки в математическом пакете STATISTICA.
Плотная застройка территории г. Архангельска промышленными и жилыми зданиями приводит к повышению температуры воздуха и появлению городского острова теплоты. Такое явление есть результат совмещения множества факторов: микроклиматические изменения, застройка зданиями с зеркальным остеклением, асфальтирование поверхности. Стоит отметить, что наличие островов тепла в городах играет немаловажную роль в ухудшении экологической обстановки городов. Также отмечается влияние низких температур на увеличение концентрации примесей загрязняющих веществ от автотранспортного комплекса, так как зимний период большой по продолжительности для г. Архангельска.
При оценке экологической ситуации необходимо обращать внимание на появление меньших скоростей ветрового потока, так как высокий уровень загрязнения отработавшими газами автомобилей возникает при штиле, когда скорость ветра близка к нулю. Особое внимание необходимо обращать на повторяемость таких явлений.
В ходе изучения материала было принято решение рассмотреть воздействие при магистральной застройки на условия рассеивания компонентов загрязняющих веществ от автотранспортных средств, так как, чем плотнее застройка, тем меньше воздуха она пропускает. В исследовании условий воздухообмена на улицах используется единая аэродинамическая характеристика фронтальной застройки, где учитывается этажность и композиция застройки.
Количество и степень влияния отработавших газов от автотранспортных средств на окружающую среду определяется приземной концентрацией в атмосферном воздухе. Создание и совершенствование различных моделей прогнозирования базируется на эмпирических зависимостях, которые были получены в результате статистической обработки натурных измерений и физического моделирования. Метод меченых газов [11], регрессионные уравнения Витца [12], метод Джонсона [11] основываются на многофакторном анализе различных метеорологических условий, количестве транспортных средств и застройке территории зданиями.
При исследовании на экспериментальных площадках были использованы зависимости между интенсивностью движения (авт/ч) и метеорологическими факторами. После математических преобразований и определения поправочных коэффициентов нами получены зависимости концентрации загрязняющих примесей ррт) от интенсивности и плотности транспортного потока, а также влияние скорости ветрового потока:
где и - скорость ветра, м/с; V - скорость транспортного потока, км/ч; К - поправочный коэффициент для экспериментальных площадок; N - количество транспортных средств на экспериментальных площадках г. Архангельска, авт/ч.
Для расчета влияния низкотемпературного фактора на экологическую обстановку в г. Архангельске использовались линейные регрессионные модели Витца между среднемесячными концентрациями загрязняющих веществ от автотранспорта: оксида углерода (ррт), окислов азота (ррт) и метеорологическими факторами. В результате преобразований и введения расчетного значения городского острова теплоты для г. Архангельска получена зависимость:
Ямох = 48,8 + 8,3-х - 0,447-[0,55-(у + ДТ) - 32] + 0,16^ - 4,06^;
Я со = 14,6 + 1,3-х - 0,14-[0,55-(у + ДТ) - 32] + 0,041^ - 0,9^, (2)
где х - инверсия температуры (приземная = 1, приподнятая < 1); у - температура окружающего воздуха (градусы Цельсия); г - количество суток (%) с преобладающими ветрами; ^ - среднесуточная скорость ветра (м/с). Расчетные значения концентраций загрязняющих примесей для основных направлений перекрестков с учетом неблагоприятной метеорологической обстановки г. Архангельска приведены в таблице.
Т а б л и ц а. Расчетные значения концентраций загрязняющих примесей для основных направлений перекрестков на экспериментальных площадках г. Архангельска
Экспериментальная площадка №1
Среднесуточная концентрация ОГ, ррт, Периоды
январь март июль сентябрь
Окислы углерода Ясо 2,04 1,84 1,77 1,82
Окислы азота яМОх 0,07 0,06 0,06 0,06
Экспериментальная площадка №2
Среднесуточная концентрация ОГ, ррт Периоды
январь март июль сентябрь
Окислы углерода Ясо 1,81 1,79 1,59 1,76
Окислы азота яМОх 0,05 0,04 0,04 0,05
Расчетно-теоретический анализ показал, что главенствующим фактором является аэродинамический фактор, присутствующий во всех расчетных формулах. Большое значение на увеличение примесей отработавших газов оказывает и температурный фактор, включающий городской остров теплоты, который составляет 7,580С. При расчетах наблюдалось превышение концентраций загрязняющих веществ в случаях, если температура воздуха была ниже -120С и когда температура воздуха была выше +200С, а также при ветрах малых скоростей ветрового потока.
Выявление основных метеорологических факторов, влияющих на экологическую обстановку в г. Архангельске, является главным в данном исследовании. При этом использован метод математического пакета STATISTICA для обработки статистических данных путем решения регрессионных уравнений и построения поверхностей отклика, диаграмм размаха, карт линий уровня в г. Архангельске с целью подтверждения или опровержения расчетно-теоретического анализа. Выявление корреляционных связей между метеофакторами (температура окружающего воздуха, скорость ветра, атмосферное давление, влажность воздуха) и примесями загрязняющих веществ (оксид углерода и окислы азота) необходимо для вычисления многофакторных регрессионных уравнений и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха при различных метеорологических условиях в г. Архангельске.
Северное расположение Архангельской области характеризуется холодным климатом, когда в зимний период температура окружающего воздуха достигает -350С. Близость океана характеризует зимний период г. Архангельска как неустойчивый, в период с 2011 по 2013 гг. наблюдались переменчивые температуры, сильные морозы сменялись оттепелью, наблюдалось обильное количество осадков, часто мокрый снег сменяли сильные заморозки. В расчетно-теоретическом анализе сделано предположение о том, что низкие температуры воздуха будут оказывать влияние на концентрацию загрязняющих веществ. Для доказательства этого предположения нами выбран многофакторный регрессионный анализ, включающий в себя корреляционный анализ. Корреляционный анализ необходим для определения связей между независимой и зависимой переменными. Зависимой переменной выступают концентрации загрязняющих веществ (окислы азота и оксид углерода), а независимой переменной - температура воздуха и скорость ветра. Для установления регрессионной зависимости необходимо определить корреляцию переменных между собой. Используя математический пакет STATISTICA, был произведён анализ переменных в зимний период на двух экспериментальных площадках. В исследовании корреляция достигала как отрицательных, так и положительных значений, что существенно изменило интерпретацию регрессионных уравнений. Результаты анализа показали, что концентрация окислов азота возрастала при увеличении температуры воздуха (коэффициент корреляции г = 0,49, уровень значимости p<0,000). При этом наблюдается положительная корреляция и сильная связь между переменными. Но корреляция между концентрацией окислов азота и скоростью ветра была минимальной, что не подтвердило выполненный расчетно-теоретический анализ. Концентрация оксидов углерода возрастала как при низких (ниже -200С), так при высоких (от +200С) температурах. Для оксидов углерода отрицательная корреляция и сильная связь (ветер: г = - 0,41, температура: г = - 0,35) показали, что их концентрация увеличивалась при низких и высоких температурах воздуха и уменьшении скорости ветра. Описание корреляционных связей подтверждает расчетно-теоретические зависимости. Для г. Архангельска температура воздуха и скорость ветра являются показательными и должны применяться в прогнозах о возрастающем экологическом давлении.
Прогноз неблагоприятных экологических ситуаций в г. Архангельске необходимо проводить, учитывая все метеофакторы (атмосферное давление, влажность воздуха) в дополнение к уже известным. В данном случае было принято решение использовать регрессионные модели с построением поверхностей отклика и карт линий уровня для более качественного прогнозирования неблагоприятных условий в г. Архангельске. Используя корреляцию и многофакторный регрессионный анализ, учитывающий годовой ход концентрации исследуемых примесей, получены следующие расчетные уравнения:
цсо = -0,922 + 0,0028 • р - 0,1465 • V - 0,005 • Т;
= 0,092 - 0,00014 • w + 0,00032 • Т. (3)
где ^ - влажность воздуха (%); Т - температура окружающего воздуха, (0С); р - атмосферное давление (мм. рт. ст.); V - среднесуточная скорость ветра (м/с).
Для подтверждения регрессионных моделей выбран статистический метод построения поверхностей отклика и карт линий уровня в математическом пакете STATISTICA. Подобные статистические методы применяются для подтверждения области воздействия независимых (влажность воздуха, скорость ветра, температура воздуха, атмосферное давление) переменных на
зависимую переменную (концентрация примесей, ррт). При этом используется поверхность отклика, а для более детального рассмотрения области максимума строится контурный график (карта линий уровня) (рис. 1,2,3,4,5,6).
Используемый метод (рис.1) подтверждает регрессионное уравнение, что при понижении температуры в зимние месяцы приводит к увеличению концентрации оксида углерода. Концентрация окислов азота в зимние месяцы возрастает, когда температура воздуха повышается (рис.2).
Температура вмду*а, С
Рис.1. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации оксида углерода на экспериментальной площадке №2 (январь)
Рис.2. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации окислов азота
на экспериментальной площадке №1 (январь)
Приведенные выше поверхности отклика подтвердили расчетно-теоретические зависимости и регрессионные модели, которые были выполнены по результатам многолетних статистических данных. Установление влияния дополнительных метеофакторов, оказывающих влияние на распространение примесей, также приведены (рис. 3,4) на нескольких поверхностях отклика, когда концентрации примесей достигали высоких значений и приводили к усилению экологического давления в г. Архангельске. Для такого периода, как осень, выявились две зависимости, при различных скоростях ветра и влажности воздуха концентрация была достаточно высокой, это характеризовало экологическую ситуацию как неблагоприятную. Также при давлении от 720 - 760 мм. рт. ст. и низкой скорости ветра наблюдалось увеличение концентраций окислов азота.
Рис.3. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации окислов азота на экспериментальной площадке №1 (сентябрь)
Рис.4. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации окислов азота
на экспериментальной площадке №1 (сентябрь)
Для летних месяцев характерно превышение концентрации загрязняющих веществ в г. Архангельске на обеих экспериментальных площадках. Это связано с увеличением температуры и повышенной влажностью (характерная особенность климата города, по многолетним наблюдениям, влажность в летний период достигала от 80 - 100%). Представленные поверхности отклика (рис.5,6) подтверждают в очередной раз регрессионные уравнения и предположения, сделанные в расчетно-теоретической части исследования.
30 40 50 60 70 80 90 100
Влажность воздуха, ж
Рис.5. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации оксида углерода
на экспериментальной площадке №2 (июль)
Рис.6. Поверхность отклика и карта линий уровня для прогнозирования концентрации окислов азота
на экспериментальной площадке №2 (июль)
Что касается весеннего периода, то экологически неблагоприятная ситуация складывалась в холодные месяцы (март, апрель), продолжительная зима - это характерная особенность г. Архангельска. Погода в весенние месяцы неустойчива, зимний период часто увеличивается до апреля месяца, количество осадков возрастает, увеличивается влажность воздуха, что оказывает неблагоприятное воздействие на экологическую ситуацию на экспериментальных площадках г. Архангельска.
В результате обработки больших массивов данных, которые были получены в ходе эксперимента [3,4], удалось найти основные метеорологические факторы, оказывающие влияние на увеличение концентрации примесей загрязняющих веществ (оксид углерода, окислы азота). Результаты, полученные в ходе решения регрессионных уравнений, подтвердили расчетно-теоретический анализ. Для более качественной прогнозной оценки будет создан программный продукт, который основан на полученных регрессионных моделях. Компьютерная программа поможет составлять прогнозы о состоянии экологической обстановки в г. Архангельске на несколько дней, основываясь на метеорологических особенностях климата города.
Л и т е р а т у р а
1. Доклад «Состояние и охрана окружающей среды в Архангельской области в 2012, 2013 гг. Режим доступа: http://www.dvinaland.ru
2. Материалы сайта г.Архангельска. Режим доступа: http://dvinaland.ru/ Дата обращения: 12.09.2014.
3. Официальный сайт государственного казенного учреждения Архангельской области «Центр природопользования и охраны окружающей среды». Режим доступа: http://eco29.ru/ Дата обращения: 13.09.2014.
4. Официальный сайт Северного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Режим доступа: http://www.sevmeteo.ru/ Дата обращения: 13.09.2014.
5. Отдел экологии и природопользования г.Архангельска. Режим доступа: http://www.arhcity.ru Дата обращения: 13.09.2014.
6. Центр гигиены и эпидемиологии Архангельской области. Режим доступа: http ://fbuz29.fmf. ru/ Дата обращения: 12.09.2014.
7. Дуброва А.В. (Сысоева А.В.), Родионов Ю.В. Распространение и трансформация автомобильных выбросов в г.Архангельске / А.В.Дуброва (Сысоева А.В.), Ю.В. Родионов: Сб.статей IV междунар.науч.-практ.конф. / ПГУАС. - Пенза, 2011. - С.171-174.
8. Дуброва А.В. (Сысоева А.В.), Марушкей М.Ю Анализ отработавших газов от автомобилей в г. Архангельске // Наука 21 века: Сб. науч. тр. по мат. 2 науч.-практ. конф. «Проблемы академической мобильности исследователя и методологии исследования». 16-18 мая 2012г. Вып.2/ САФУ. - Архангельск, 2012. - С 444-446.
9. Картошкин А.П., Сысоева А.В. Экологический мониторинг по исследованию влияния выбросов отработавших газов от транспортных средств в г. Архангельске за 2012г. // Известия МААО. - 2013. -№16. - С.106-109.
10. Картошкин А.П., Сысоева А.В. Методы и методики исследования экологической обстановки г. Архангельске. - СПб., 2013.
