Projekt zaliczeniowy:

Projekt zaliczeniowy:
Prognozowanie oddziaływania na środowisko -> częśćatmosferyczna
Wprowadzenie W przypadku ubiegania się o wydanie pozwolenia emisyjnego oprócz takich informacji jak położenie instalacji, tytuł prawny, typ instalacji i stosowane technologie organ ochrony środowiska ma obowiązek przeprowadzenia postępowania dotyczącego weryfikacji zakładanego poziomu emisji jak i jego oddziaływania na środowisko w przewidywanych warunkach funkcjonowania. Aby zapewnić rzetelny opis dla przewidywanych skutków podejmowanych działań niezbędne jest ​
rozpoznanie obecnych ​
warunków tła zanieczyszczeń atmosferycznych, warunków anemologicznych ​
oraz ​
klas stabilności atmosfery ​
decydujących o charakterystyce dyspersji zanieczyszczeń ​
w obrębie atmosferycznej warstwy granicznej. Realizacja ww. elementów powinna zostać wykonana na przykładzie archiwalnych danych dostarczonych dla jednej ze stacji monitoringu jakości powietrza Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska. W ostatnim zadaniu należy wykonać prostą symulację z wykorzystaniem dostarczonego gaussowskiego modelu smugi dla analizowanego studium przypadku z rozprzestrzenianiem smugi zanieczyszczeń. Wymagania techniczne: ●
●
●
●
●
●
2
Projekt końcowy powinien mieć charakter syntetycznego raportu przesłanego w formie pojedynczego​
pliku w jednym z poniższych formatów: ○ MS Word 97­2010 (DOC, DOCX) ○ Open/Libre Office (ODT), ○ Google Docs (link on­line) ○ PDF Projekt powinien zostać przesłany na adres: ​
[email protected]​
w nieprzekraczalnym terminie (ustalonym podczas ostatnich zajęć). Przekroczenie terminu wiąże się z odjęciem 5% punktacji za każdy dzień zwłoki Wielkość grup projektowych: max. 3 osoby, wielkość grup większych wymaga indywidualnego uzgodnienia Język programowania i sposób wykonania obliczeń do projektu końcowego jest ​
dowolny W razie wątpliwości przy korzystaniu z środowiska programistycznego R w pierwszej kolejności użyj załączonego systemu pomocy (?nazwafunkcji) oraz literatury przedmiotu (np. książki autorstwa P. Biecka [2013] dostępnej w bibliotece WNGiG oraz częściowo w wersji elektronicznej na stronie ​
http://www.biecek.pl/R/​
). Często odpowiedź można ●
znaleźć w portalach tematycznych (np. Google, Stackoverflow) po wprowadzeniu wyszukiwanej frazy (najlepiej w języku angielskim). Wszelkie wątpliwości dotyczące treści poleceń należy kierować mailowo (​
[email protected]​
) lub osobiście (pok. 354) Główne elementy oceny projektu końcowego: ●
●
●
●
Umiejętność samodzielnego i prawidłowego rozwiązywania zdefiniowanego problemu badawczego Poprawność obliczeń oraz spójność raportu i interpretacji uzyskanych wyników Kreatywne tworzenie zestawień tabelarycznych i graficznych ułatwiających interpretację przyczynowo­skutkową Forma prezentacji i poprawność prezentacji wyników obliczeń (etykiety osi, strona tytułowa, odniesienie do literatury przedmiotu, itd.)
Zadanie 1. Analiza warunków aerosanitarnych w Poznaniu w roku 20XX
Analiza warunków aerosanitarnych na podst. danych pochodzących ze stacji pomiarowej Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska przy ul. Polanka. Szczegółowej analizie należy poddać parametry: ​
PM​
oraz ​
SO​
10​
2​
. W tej części należy w formie tabelarycznej dla sezonów meteorologicznych (XII­II, III­V …) oraz dla całego roku przedstawić wybrane charakterystyki wartości ​
średnich dobowych​
: ­ kwantyli: 25%, 50%, 75%, 95%, 99,8% ­ średnią arytmetyczną ­ średnią liczbę dni z przekroczeniami dopuszczalnych stężeń progowych według aktualnych wartości zawartych w rozporządzeniu Ministerstwa Środowiska ­ liczbę dni z przekroczeniem wartości progowych Część tabelaryczną należy uzupełnić wnioskami dotyczącymi uzyskanych rezultatów (np. w jakich sezonach obserwuje się przekroczenia i dlaczego? np. “​
w sezonie zimowym średnio ​
występuje XX.X dni z przekroczeniem wartości progowej 50 ᵰg/m3​
​
i liczba ta wahała się od XX przypadków w roku XXXX do XX przypadków w roku XXXX.” )​
). Należy opisać także zmienność czasową (np. godzinową, tygodniową, miesięczną) analizowanych elementów aerosanitarnych i 3
prawdopodobne przyczyny tej zmienności. Analiza powinna być poparta niezbędnymi wykresami potwierdzającymi sformułowane wnioski przyczynowo­skutkowe. Proponowane kroki postępowania: 1. Wczytanie zbioru danych „polanka.csv” za pomocą komendy: dane=read.csv("polanka.csv")
(wcześniej należy pamiętać o wybraniu katalogu roboczego z górnego menu „Session”, następnie „Set Working Directory” i „Choose directory”; alternatywnie można użyć instrukcji ‘setwd’ podając w nawiasie jako argument tej funkcji ścieżkę do katalogu w którym przechowujemy dane) 2. Stworzenie dodatkowej kolumny dla strefy czasowej „UTC”: dane$date=ISOdatetime(dane$yy, dane$mm, dane$dd, dane$hh, 00, 00, tz="UTC")
3. Za pomocą funkcji ​
timeAverage ​
(z pakietu openair) należy przeliczyć „surowe” dane np. do wartości średnich dobowych. Jako wartość progową dla braku pomiarów sugeruję przyjąć ≥ 50%. Wynik polecenia najlepiej zapisać w postaci nowego obiektu nazwanego np. „dobowe”, czyli: library(openair)
dobowe=timeAverage(dane, … )​
, gdzie ​
„…”​
oznaczają opcje zawarte w opisie funkcji 4. Dzielimy nasz wstępny zbiór danych z wartościami dobowymi (obiekt „dobowe”) do wartości sezonowych, np. z wykorzystaniem funkcji which lub subset. Przykładowo dla zimy (XII­II) polecenie powinno mieć postać: zima=dobowe[which(dobowe$mm==12 | dobowe$mm==1 | dobowe$mm==2), ]
5. Obliczamy wartości kwantyli i wartości średnich PM​
i SO​
, np. dla zimy i kwantyla 99,8% 10​
2​
stężeń SO​
polecenie miało by następującą postać: 2​
quantile(zima$so2, 0.998, na.rm=T)
4
natomiast dla średniej arytmetycznej warto skorzystać z komendy ​
mean()​
​
z opcją​
​
na.rm=T
itd... 6. Do formułowania wniosków warto skorzystać z funkcji ​
timeVariation​
​
z pakietu „openair” dedykowanego dla języka programowania R. Schemat postępowania według kodu zawartego na slajdach do ćwiczeń na stronie ​
www.klimat.amu.edu.pl​
→ materiały do zajęć dydaktycznych. Proponowany końcowy format jednej z tabel poniżej: Tab.1 (dla PM​
) + Tab. 2 (dla SO​
)
10​
2​
Zima (XII­II) Wiosna (III­V) Lato (VI­VIII) Jesień (IX­XI) ROK kwantyl 50% kwantyl 75% kwantyl 95% kwantyl 99,8% Średnia (arytmetyczna) Średnia roczna/sezonowa liczba przekroczeń wartości progowej 2006 2007 2008 ... ... liczba przekroczeń dopuszczalnych wartości dobowych PM​
10 liczba przekroczeń dopuszczalnych wartości dobowych SO​
2 kwantyl 25%
Tab.3. Opis tabeli.
Cel podpunktu: 5
Analizę warunków aerosanitarnych wykonujemy do określenia częstości przekroczeń norm określonych w rozporządzeniach. Pewną informację o rozkładzie statystycznym i częstości przekroczeń otrzymujemy poprzez obliczenie wartości kwantyli. Przykładowo kwantyl 95% wskazuje na wartość poniżej której znajduje się określony procent obserwacji. Jeśli przekroczenia występują i są stosunkowo częste wówczas uzyskanie pozwolenia emisyjnego jest możliwe, ale wiąże się z poniesieniem dodatkowych kosztów i stworzeniem dodatkowej dokumentacji, natomiast obszar którego dotyczy monitoring powinien być objętym programem ochrony powietrza (typowa sytuacja np. w woj. śląskim, ale także w aglomeracji poznańskiej). Dla niektórych miast można spotkać zestawienia podobnego typu wraz z oceną przyczyn/skutków powstałych przekroczeń: (​
http://www.zm.org.pl/?a=pm10­warszawa­2010)​
Łączna suma punktów możliwa do uzyskania za zadanie: 10 punktów Zadanie 2. Klasy stabilności atmosferycznej Kompleksowa analiza warunków meteorologicznych warunkujących procesy dyspersji zanieczyszczeń w obrębie warstwy granicznej atmosfery (PBL) w latach 2005­2013. Parametryzację warunków meteorologicznych należy wykonać na podstawie klasyfikacji stanów stabilności atmosfery Pasquilla (1961). Dodatkowo, kolejną część zadania należy uzupełnić o analizę częstości napływu mas powietrza z poszczególnych sektorów. Zadanie 2.1. Oblicz klasy stabilnośc atmosfery w ujęciu sezonowym oraz rocznym. Następnie wykonaj zestawienie tabelaryczne uzyskanych wyników obliczeń (lub analogicznie w formie wykresów słupkowych lub skumulowanych). Wyniki podaj biorąc pod uwagę ​
procentowy udział występowania poszczególnych klas. Wcześniej przedstaw uzyskane wyniki w postaci wartości bezwzględnych (tj. sumarycznej liczby godzin) dla wszystkich warunków według zmodyfikowanej metody delimitacji Pasquilla, oddzielnie dla dnia i nocy (tylko w ujęciu rocznym, [tj. dla wszystkich posiadanych danych]): Tab. X. Opis Dzień: Prędkość wiatru na 6
2​
Intensywność promieniowania słonecznego (W/m​
) wysokości 10 m n.p.t. Silna (> 600) Umiarkowana <300, 600> Mała (<300) Zachmurzenie całkowite <= 2.0 m/s A A­B B C 2,1­3,0 m/s A­B B C C 3,1­5,0 m/s B B­C C C 5,1­6,0 m/s C C­D D D > 6,0 m/s C D D D Noc: Stopień zachmurzenia nieba (w oktantach) Prędkość wiatru na wysokości 10 m n.p.t. Godzina w trakcie wschodu lub zachodu słońca 0­3 4­7 Zachmurzenie całkowite <= 2.0 m/s D F F D 2,1­3,0 m/s D F E D 3,1­5,0 m/s D E D D 5,1­6,0 m/s D D D D > 6,0 m/s D D D D oraz sumarycznie w rozdzieleniu na dane sezonowe oraz roczne: Tab.X. Nazwa tabeli dla zestawienia podsumowującego (w ujęciu rocznym i sezonowym). Zima (XII­II) Wiosna (III­V) Lato (VI­VIII) Jesień (IX­XI) ROK klasa A 0% klasa B 15% klasa C ... 7
klasa D ... klasa E ... klasa F ... Wskazówka: W przypadku klas pośrednich (np. B­C) liczebność klas należy podzielić proporcjonalnie do obu przypadków (czyli 50% do klasy B i 50% do klasy C). Zadanie 2.2. Na podstawie dostarczonych danych należy wykonać róże kierunkowo­prędkościowe w ujęciu sezonowym oraz rocznym. Należy dopasować odpowiednio kolorystykę, podpisy osi oraz legendę na stworzonych wykresach. Na wykresach lub w formie tabelarycznej należy także zamieścić informację o średniej prędkości wiatru w analizowanych sezonach oraz częstości cisz wiatrowych. Przykładowe rozwiązanie zawarte jest w slajdach do ćwiczeń na stronie klimat.amu.edu.pl → materiały do zajęć dydaktycznych. Róża wiatru powinna uwzględniać (1) podział na 16 głównych kierunków świata, (2) z zaznaczonymi interwałami prędkości wiatru: 0.1­2.0, 2.1­3.0, 3.1­5.0, 5.1­6.0 oraz powyżej 6 m/s. Stwórz opis zawierający najważniejsze wnioski uzyskane na podstawie rezultatów obliczonych w podpunktach 2.1. oraz 2.2. Skorzystaj z instrukcji do ćwiczenia, w którym były przedstawione kształty smug kominowych odpowiadających poszczególnym klasom stabilności atmosferycznej. Cel podpunktu: Znajomość najczęściej występujących stanów atmosfery jest przydatna w przypadku modelowania procesów dyspersji zanieczyszczeń atmosferycznych (w związku z silną korelacją procesów transportu i warunków panujących w obrębie warstwy granicznej). Na podstawie wykonanych obliczeń możemy wnioskować o występujących kształtach smugi kominowej i procesach depozycji zanieczyszczeń. Utworzenie róży wiatrów z kolei informuje nas o najczęstszych kierunkach adwekcji mas powietrza, które możemy wykorzystać do optymalizacji położenia planowanej inwestycji. Łączna suma punktów możliwa do uzyskania za zadanie: 10 punktów Zadanie 3. Gaussowski model smugi 8
Na podstawie dostarczonego (uproszczonego) kodu źródłowego dla Gaussowskiego modelu smugi (​
http://rpubs.com/bczernecki/146807​
) należy obliczyć i zwizualizować stężenia zanieczyszczeń z kambrysjkiej elektrowni atomowej, która uległa awarii. Wprowadź poniższe ustawienia dla wykonywanej symulacji: ­
Emisja zanieczyszczeń ze strefy źródłowej (tj. lokalizacji elektrowni) wynosi 10000ng (nanogramów) na metr kwadratowy ­
parametr beta (β ­ współczynnik odległości) należy ustalić dla analizowanych warunków atmosferycznych jako: β=450 ­
kierunek propagacji smugi zanieczysczeń powinien odpowiadać najczęściej zdiagnozowanemu kierunkowi występowania wiatru w sezonie zimowym (zad. 2.2). Parametrem (pośrednio) odpowiedzialnym za kąt dyspersji zanieczyszczeń jest ϕ ­
κ ­ ekscentryczność (mimośródowość) = 4.5 Jako warstwy wejściowe GIS do obliczeń wykorzystaj zbiory danych analogiczne do stosowanych w trakcie ćwiczeń (ćwiczenie nr 4). ­
mapa administracyjna ­ cumbria.shp, ­
punktowe źródło emisji (elektrownia) ­ nuclear.shp, ­
miasta ­ ukgaz.shp ! Pamiętaj o ponownym ustaleniu ​
katalogu roboczego​
dla katalogu, w którym znajdują się ww. warstwy 1. Wykonaj i dołącz do projektu mapę dyspersji zanieczyszczeń atmosferycznych. Prawidłowo wykonana mapa powinna zawierać: a. wynik symulacji z naniosionymi granicami administracyjnymi prowincji/hrabstwa, punktowym źródłem emisji oraz warstwą miast (3 pkt); przynajmniej w jednej z dołączanych warstw zmień domyślnie stosowane symbole lub ustawienia rysowanych linii (1 pkt) b. skalę barwną (1 pkt) c. sprawdź czy istnieje opis dla siatki współrzędnych (np. na ramce mapy) (1pkt) 9
2. Wymień 5 miast z liczbą mieszkańców przekraczającą 300 osób, dla których prognozowane jest największe zagrożenie związane z pojawieniem się chmury radioaktywnej (przy zadanym kierunku napływu mas powietrza). (2 pkt) 3. Jaka jest łączna liczba mieszkańców w miastach, w których stężenie zanieczyszczeń przekroczy 5000 nanogram? Jaka jest łączna liczba mieszkańców w hrabstwie? (2 pkt) Łączna suma punktów możliwa do uzyskania za zadanie: 10 punktów LITERATURA: Przemysław Biecek, Przewodnik po pakiecie R, Oficyna Wydawnicza GIS, 2008 (i nowsze). Maria Markiewicz, ​
Podstawy modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym​
, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2004. Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (z późniejszym zmianami) 10