Актуальность. Применение математического моделирования и основанных на нем программных пакетов в той или иной степени позволяет решать задачи расчета загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов. При описании загрязнения крупных городов и промышленных центров возникают значительные сложности, связанные с существенным вкладом в общее загрязнение локальных источников (автотранспорт, карьеры и т.п.). Это приводит к сильной неоднородности загрязнения атмосферного воздуха в пределах города, вследствие чего требуются особые (по сравнению с существующими) методы описания загрязнения атмосферного воздуха (необходимо высокое пространственное разрешение порядка 15 м).
Лучшим на данный момент пространственным разрешением обладает развивающийся метод описания загрязнения атмосферного воздуха - Land Use Regression (далее LUR). Метод заключается в построении математических моделей загрязнения воздуха на основе экспериментальных данных о загрязнении и данных геоинформационных систем (ГИС). На данный момент такие модели были построены для нескольких городов в Европе и Северной Америке, однако метод LUR до сих пор не стандартизирован, и способы его применения различаются в каждом исследовании. Это связано в первую очередь со значительными различиями исследуемых городов, особенности которых не позволяли создать унифицированный способ моделирования. Во-вторых, метод LUR продолжает развиваться: улучшается качество получаемых результатов и разрешаются трудности и проблемы моделирования. В России такой метод до настоящего исследования не применялся. Поэтому, разработка нового математического метода моделирования для получения подробной карты пространственного распределения загрязнения атмосферного воздуха мегаполиса и промышленной зоны, разрешение которой позволило бы проводить расчет экспозиции участников эпидемиологических исследований, является актуальной задачей.
Подробная картина пространственного распределения концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе необходима для решения многих задач: для идентификации конкретных источников загрязнения данной территории; для разработки мероприятий по эффективному сокращению выбросов; для количественной оценки влияния загрязнения воздуха на здоровье населения; для планирования строительства транспортных узлов и социально-значимых учреждений.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и анализ регрессионных картографических моделей для описания пространственного распределения загрязнителей атмосферного воздуха с высоким пространственным разрешением (~10 м) на основе экспериментальных данных о загрязнении воздуха и географической информации. Модели предназначены для построения карты загрязнения исследуемой территории и оценки токсической экспозиции для населения, что позволит в дальнейшем исследовать влияние загрязнения атмосферного воздуха на здоровье населения.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
1. Разработана новая методика построения моделей загрязнения атмосферы города с высоким пространственным разрешением (методика основана на идеологии Land Use Regression). Для этого:
-сформулирован алгоритм проведения измерений концентраций загрязняющих воздух веществ инструментальными методами;
-разработан способ обработки географических данных;
-предложены новые подходы к построению статистических регрессионных моделей описания экспериментальных данных о загрязнении атмосферного воздуха, -созданы новые алгоритмы и проведен ряд численных экспериментов для проверки адекватности полученных математических моделей.
2. Построена регрессионная модель загрязнения атмосферы г.Екатеринбург диоксидом азота.
3. Построена модель загрязнения атмосферы г.Сухой Лог (Свердловская область) взвешенными аэрозольными частицами.
4. Проведены расчеты экспозиции NO2для населения Екатеринбурга и экспозиции взвешенных частиц для населения Сухого Лога.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная методика моделирования загрязнения атмосферы для мегаполисов и промышленных центров является эффективным инструментом построения моделей высокого качества с малым числом (2-4) объясняющих переменных.
2. Линейные модели регрессионной картографии позволяют анализировать нелинейный профиль загрязнения около автотрассы, на основе чего возможен предметный выбор наиболее адекватной модели загрязнения.
3. Распределение поля концентрации NO2 в мегаполисе (например, в г.Екатеринбург) с пространственным разрешением порядка 15 м можно описать регрессионной моделью, включающей переменные Road (дороги города) и Veg (плотность застройки).
4. Для описания распределения поля концентрации взвешенных веществ в промышленном центре (например, г. Сухой Лог) с пространственным разрешением порядка 15 м и высоким (более 70%) коэффициентом детерминации требуется не менее четырех объясняющих переменных, построенных на векторной карте города OpenStreetMap - Road (дороги города), Buildings (плотность застройки), Industrial (промышленная зона) и Quarry (добывающие карьеры).
Научная новизна:
1. Предложен новый метод построения моделей загрязнения атмосферного воздуха выбросами автотранспорта и промышленных предприятий. Новизна заключается в разработке новых переменных для моделирования (Road, Veg, Carrier) и в новом способе статистического анализа полученных экспериментальных данных, что позволяет получить лучшие в сравнении со стандартным методом модели (коэффициент детерминации выше на 10%).
2. Построена новая модель загрязнения атмосферы мегаполиса (на примере г.Екатеринбург) диоксидом азота и выполнен анализ особенностей полученной карты загрязнения. Сравнение с известными методами интерполяции (Кригинг) показывает явные преимущества новой модели: полученная карта обладает лучшим пространственным разрешением и более точно отображает распределение загрязнения NO2 вдоль магистралей города.
3. Впервые проведен расчет персональной экспозиции диоксидом азота в атмосферном воздухе для большого числа детей-дошкольников Екатеринбурга. Новизна заключается в новой методике расчета персональной экспозиции, в которой используются новые данные о загрязнении в разных местах пребывания ребенка.
4. Построена новая модель загрязнения атмосферы промышленного центра (на примере г. Сухой Лог) взвешенными аэрозольными частицами. Сравнение с расчетными моделями (ПО «Эколог», ОНД-86) показывает явные преимущества новой модели: более точная картина пространственного распределения загрязнения, отражающая наблюдаемое в городе значительное вторичное пыление в местах жилищной застройки, особенно от грунтовых автомобильных дорог.
Практическая значимость работы. Выполненные измерения концентраций N02, созданная геоинформационная модель города, проведенный статистический анализ полученных на ее основе переменных-предикторов позволил построить карту загрязнения г.Екатеринбург диоксидом азота с высоким пространственным разрешением. Карта загрязнения города может быть использована органами городского управления для оценки экспозиции токсикантов атмосферного воздуха на население города и выделения мест, опасных для проживания, при планировании городской застройки и ее изменении. Аналогичная работа выполнена для г. Сухой Лог. Результаты моделирования загрязнения атмосферного воздуха используются: 1) в Екатеринбургском медицинском научном центре профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий Роспотребнадзора (имеется акт внедрения); 2) в Центре детской экопатологии г. Екатеринбург.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 07-04-96120 и программы Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», проект ФН-М № 09-П-2- 1027.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на 5-ой международной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон», Санкт- Петербург, 2009, на IV Съезде физиологов Урала с международным участием, Екатеринбург, 2009, на III Всероссийской научно-практической (заочной) конференции «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий», Москва, 2011.
Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 7 публикациях, из них 5 в журналах из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований, 3 приложений и содержит 139 страниц основного машинописного текста, 38 рисунков, 9 таблиц.
1. Разработан метод регрессионной картографии - новый метод построения математических моделей загрязнения атмосферного воздуха. Метод заключается в построении регрессионных моделей загрязнения воздуха на основе экспериментальных данных о загрязнении и доступной географической информации. Предложенный метод позволяет создавать модели для описания пространственного распределения загрязнения атмосферного воздуха мегаполиса (выбросы автотранспорта) и промышленного центра (выбросы автотранспорта и промышленных предприятий). Данные модели обладают высоким качеством: пространственное разрешение порядка 15м, коэффициент детерминации 70-80%.
2. Для построения моделей загрязнения атмосферного воздуха предложено использовать следующие открытые источники географических данных: 1- картографические данные «OpenStreetMap», 2-спутниковые снимки LandSat, 3- высотные данные SRTM. На их основе создан набор необходимых для моделирования географических переменных и разработан способ их обработки. Предложен новый тип исходной информации для моделирования - данные иных систем моделирования (расчетные модели и методы интерполяции). Использование предложенных переменных для описания загрязнения атмосферного воздуха позволяет получать модели загрязнения атмосферного воздуха высокого качества.
3. Для описания вклада автотранспорта в загрязнение атмосферного воздуха городов предложен способ создания новой интегральной переменной Road,лучше всего с предметной точки зрения описывающей влияние дорог на концентрацию загрязнителей. Эта переменная формируется как взвешенная сумма нескольких первичных переменных (отобранных методом группового учета аргументов), описывающих дорожную сеть города, и, в дальнейшем, заменяет собой все эти переменные. Применение переменной Roadпозволяет не только повысить качество описания распределения загрязняющих веществ по территории мегаполиса, но также получить новые данные об объекте исследования, например, усредненный профиль загрязнения вокруг автомобильных дорог. В отличие от подобных описаний другими методами, предложенный способ соответствует реально наблюдаемой картине загрязнения.
4. Для проверки адекватности полученных математических моделей, в дополнение к традиционным способам проверки, предложены два новых элемента : проведение второй серии инструментальных измерений загрязняющих веществ и численные эксперименты с дополнительной инструментальной погрешностью.
Численные эксперименты заключались в искусственном внесении в исходные данные дополнительной погрешности и оценке влияния погрешности на качество модели загрязнения. Результаты позволяют прогнозировать качество модели при отсутствии инструментальных ошибок; побочный результат этих численных экспериментов - дополнительная проверка устойчивости модели.
5. Создана модель загрязнения воздуха мегаполиса - города с большой численностью населения, где преобладающим источником загрязнения является автотранспорт. Показано, что для построения модели загрязнения воздуха (любого) мегаполиса необходимо всего две объясняющие переменные: Roadи Veg. Наиболее значимой переменной модели является переменная Road,использование которой позволяет отобразить на карте загрязнения сложный профиль распределения загрязнения непосредственно вокруг загруженных автотранспортом дорог. Второй по значимости переменной модели является переменная Veg; эта переменная, созданная на основе спутниковых снимков LandSat как показатель распределения растительности, в нашей модели получила другой предметный смысл - переменная отражает зависимость концентрации загрязнителей от плотности городской застройки. С помощью данной модели была создана карта загрязнения г. Екатеринбург диоксидом азота (коэффициент детерминации около 70%).
6. Создана модель загрязнения промышленного центра, в котором значительный вклад в загрязнение воздуха вносят промышленные предприятия. Показано, что для описания поля концентраций загрязняющих веществ в промышленном центре необходимы объясняющие переменные, описывающие: 1- распределение автомобильных дорог города; 2-влияние плотности застройки города; 3-распределение промышленных предприятий; 4-карьеры открытого типа (для г.Сухой Лог). С помощью данной модели была создана карта загрязнения г. Сухой Лог взвешенными аэрозольными частицами (коэффициент детерминации более 70%).
7. Выполнено сравнение метода регрессионной картографии с другими методами описания загрязнения воздуха. Показаны явные преимущества нового метода по сравнению с расчетными моделями (ПО «Эколог», ОНД-86), с методом интерполяции (Кригинг) и с традиционным методом-прототипом Land Use Regression.
8. В результате анализа двух серий измерения концентраций NO2 в г.Екатеринбурге показано, что относительные величины концентраций одинаковы во время первой и второй серии измерений, проведенных с интервалом 3 месяца. Таким образом, установлено постоянство картины пространственного распределения NO2 в г. Екатеринбург во времени.
9. Для моделирования загрязнения воздуха методом регрессионной картографии создан комплекс программ, расширяющих возможности стандартного ПО данной области (программа StatSoft STATISTICA для статистической обработки данных, ERSI ArcGIS для обработки географической информации). Разработанный программный комплекс включает:
• Модуль автоматизированного расчета переменных модели для ПО ERSI ArcGIS.
• Программа формирования адекватной модели интегральной переменной Roadдля StatSoft STATISTICA. В программе реализован комбинаторный алгоритм метода группового учета аргументов (перебор всех вариантов).
• Программа автоматизированной проверки адекватности модели загрязнения атмосферного воздуха.
• Программа для создания карты загрязнения. Программа формирует пространственное распределение моделируемого вещества для всей территории исследуемого города по созданной регрессионной модели загрязнения воздуха. Полученная карта отражает влияние всех значимых источников загрязнения и обладает пространственным разрешением порядка 15 м.
10. Практический результат работы: на основе полученной математической модели загрязнения воздуха для участников эпидемиологического исследования рассчитан важнейший показатель, который определяет влияния загрязнения воздуха на здоровье населения - персональная экспозиция (для 25 детских дошкольных учреждений Екатеринбурга и для 1150 мест проживания участников исследования).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
