JP2015031636A - 降下煤塵量の推定方法、装置、プログラム及び記憶媒体 - Google Patents
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従来は、降下煤塵量は、発塵源と降下点の1次元距離に依存すると仮定して、発塵源と降下点間の距離、煤塵の発生速度、煤塵の粒度分布と煤塵の密度、有効発塵高さ、風向、風速の頻度分布を入力し、(1)式の計算結果に風向・風速の頻度分布を乗じて、降下煤塵量を推定する方法が提案されている(例えば非特許文献1を参照)。Qは発塵強度、Heは有効発塵高さ、wは粒子径で決定される終末沈降速度、xは発塵源と降下点の風下距離、uは風速、Γはガンマ関数、C(x)は降下煤塵量を表す。
また、(1)式はBosanquetが1950年に発表した実験式であるため、数式の精度は、実験式を導出したときの実験の環境に依存し、一般性に欠けるという問題があった。
即ち、迅速に煤塵降下予測を行う技術で、精度を落とすことなく降雨の影響を取り入れる技術の開示は無かった。例えば非特許文献5にあるように、降水量の降下煤塵量に対する影響を洗浄係数という量で表現する技術は開示されている。しかしながら、例えば特許文献1に開示された式に洗浄係数を単純に導入しようとしても、降雨で洗浄された煤塵を降下煤塵量に繋げる処理が自明でなく、単なる数理計算による演算では、解が発散したり、振動したり、不安定となる場合があり、解が得られたとしても、非常に長時間を要してしまい、実用に適しないことが分かった。
本発明の降下煤塵量の推定装置は、降雨量、風向及び風速の所定期間における時系列計測値に基づいて、降雨量の範囲をk個の分割範囲に分割し、前記k個の分割範囲毎に、風向及び風速の範囲を各々m、n個の分割範囲に分割し、前記風速の分割範囲毎に風速代表値を設定し、各々の前記分割範囲に含まれる前記時系列計測値の前記所定期間での頻度を求めることによってm×n行列の風向・風速頻度分布を各々l個作成し、前記風速代表値及び前記風向・風速頻度分布を風向・風速情報とする風向・風速情報入力手段と、発塵源の情報である発塵情報を入力する発塵情報入力手段と、降雨により大気中の煤塵が洗い流される程度を計算するのに用いられる洗浄係数を求める洗浄係数計算手段と、前記風向・風速情報と、前記発塵情報と、前記洗浄係数と、前記煤塵の地表での反射率とを用いて、任意の座標点における煤塵濃度を計算する煤塵濃度計算手段と、前記煤塵濃度に基づいて、任意の降下地点における降下煤塵量を計算する降下煤塵量計算手段とを備え、前記煤塵濃度計算手段では、降雨により大気中の煤塵が洗い流されて地表に降下する降下煤塵量を計算し、前記降下煤塵量の計算値に加算することを特徴とする。
本発明のプログラムは、降雨量、風向及び風速の所定期間における時系列計測値に基づいて、降雨量の範囲をk個の分割範囲に分割し、前記k個の分割範囲毎に、風向及び風速の範囲を各々m、n個の分割範囲に分割し、前記風速の分割範囲毎に風速代表値を設定し、各々の前記分割範囲に含まれる前記時系列計測値の前記所定期間での頻度を求めることによってm×n行列の風向・風速頻度分布を各々l個作成し、前記風速代表値及び前記風向・風速頻度分布を風向・風速情報とする風向・風速情報入力工程と、発塵源の情報である発塵情報を入力する発塵情報入力工程と、降雨により大気中の煤塵が洗い流される程度を計算するのに用いられる洗浄係数を求める洗浄係数計算工程と、前記風向・風速情報と、前記発塵情報と、前記洗浄係数と、前記煤塵の地表での反射率とを用いて、任意の座標点における煤塵濃度を計算する煤塵濃度計算工程と、前記煤塵濃度に基づいて、任意の降下地点における降下煤塵量を計算する降下煤塵量計算工程とをコンピュータに実行させ、前記煤塵濃度計算工程では、降雨により大気中の煤塵が洗い流されて地表に降下する降下煤塵量を計算し、前記降下煤塵量の計算値に加算することを特徴とする。
本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、本発明のプログラムを記録したことを特徴とする。
本実施形態では、図2に示すように、発塵源の一例として、工場の煙突からの煤塵粒子の飛散を考える。煤塵粒子は、有効発塵高さHeから風下方向に設定したx軸を中心軸として飛散する。発塵源はx=0の位置に存在するとして、鉛直方向をz軸に、x軸と交差する水平面の軸をy軸とする。発塵源から風によって飛散する煤塵粒子の濃度(以下、「煤塵濃度」と称する)をc(x,y,z)とする。煤塵濃度c(x,y,z)について、物質収支をとると、(4)式で記述できる。
(4)式の左辺第1項は煤塵粒子が風の移流によって飛散する量を示す。また、(4)式の右辺第1項は煤塵粒子が乱流拡散によってy軸方向に飛散する量を示し、(4)式の右辺第2項は煤塵粒子が乱流拡散によってz軸方向に飛散する量を示し、(4)式の右辺第3項は煤塵粒子が重力によって沈降する量を示す。ここで、煤塵粒子が乱流拡散でx軸方向に飛散する量は、風の移流によりx軸方向に飛散する量と比較して小さいため、無視できると仮定した。Ky、Kzは各々y軸方向とz軸方向の乱流拡散係数を表す。また、(4)式の右辺第4項は降雨による洗浄効果を表す量を示し、洗浄係数pを乗じた煤塵濃度cの1次式で大気中の煤塵が洗浄されることを示す。
まず、ステップS1の降雨情報の入力ステップについて説明する。一定期間の降雨量の計測値に基づいて、降雨なしをレベル1として、降雨量の増加に伴い、レベル2、・・・、レベルkに分類するとともに、降雨レベル毎に風向データ及び風速データを収集する。このように、降雨レベル毎に風速データ及び風向データを入力するという方式を採用することによって、解の収束が速くなることが分かった。
例えばデータの入力を、まず風速についてレベルに分け、風速のレベル毎に降雨データ及び風向データを収集した場合や、まず風向についてレベルに分けて同様に、風向のレベル毎に降雨データ及び風速データを収集した場合、解が発散してしまったり、振動してしまったりして収束解が得られない場合がある。また、解が得られたとしても、降雨レベル毎に風向データ及び風速データを収集するのに比較して、数倍〜数十倍の時間がかかってしまい、実用的に用いることはできない。これは、洗浄係数が降雨量の関数として単純に与えられる訳でなく、降雨量から洗浄係数を決定するためには、さまざまな手続きを経ることが必要になるためである。
通常、風向データの分類は、1方位以上の何方位でも計算でき、入手できる方位データの数において設定すればよい。好ましくは気象庁のアメダスデータに対応させ、16方位を採用し、m=16とする。
また、風速データの分類は、風速の実測値を直接使用し計算できるが、好ましくは設定期間の最小風速及び最大風速の区間を、微風、弱風、通常風、強風や、微風、弱風、通常風、強風、超強風等の分類に4又は5分割し、n=4又はn=5とすればよい。nが6以上でも計算できるが、場合によっては計算が煩雑になる。分割した風速の範囲のそれぞれにおいて、代表値を選定する。代表値の選定に当たっては、分割区間の風速の発生頻度の最も大きい値を採用してもよいし、分割区間の風速の平均値を採用してもよい。
なお、風向計及び風速計は、周囲にある建物等の障害物の影響を受けない位置に設置することが好ましい。気象庁が近傍にある場合は、アメダス等の気象庁観測データを使用してもよい。
また、風向及び風速を計測する期間の設定は、降下煤塵量の計算期間と同一に設定する。そして、設定した期間において、風速、風向の頻度分布の統計量を決定できるように、風速、風向のサンプリング周期を決定する。例えばm=16、n=4の場合において、1ヶ月間の期間を設定する場合は、1時間周期の風速、風向データを採取すれば十分である。
ステップS5において、風向及び風速の各頻度分布bijにおける風速uiを計算に使用する風速uと定義する。風速uは、後述する(13)式による有効発塵高さHeの計算と、(7)式による降下点における煤塵濃度計算に使用される。
p=π(D/2)2εvN・・・(12)
煤塵粒子径は、ローボリュームサンプラーで採取した煤塵粒子サンプルを、粒子径分布測定装置に投入し、粒度分布を計測する。計測した粒度分布に基づいて、最大頻度径等の定義を使い、平均粒径を決定する。また、粒子径の計測範囲を分割し、分割した各々の範囲における平均粒径を、煤塵粒子径としてもよい。この場合は、分割した粒子径の範囲に存在する煤塵粒子の重量比を予め求めておき、重量の総和が100%になるように、各平均粒子径毎に頻度分布を計算し、各平均粒子径毎の降下煤塵量に、前記の各平均粒子径毎に計算した頻度分布を乗じて、降下煤塵量の総量を求める。粒子径分布測定装置は、沈降法、光透過式等の方法がある(例えば非特許文献4を参照)。
C(x,y)=C(x,y)+bij・△C(x,y) ・・・(15)
ここで、右辺のC(x,y)は右辺第2項を加算するまえの降下煤塵量であり、左辺のC(x,y)は右辺第2項を加算した後の降下煤塵量を示す。即ち、ある風向き、風速、降雨レベルの時の煤塵濃度c(x、y)を求め、その風向き、風速、降雨レベルにおける頻度bijを重みとしてかけ、種々の風向き、風速、降雨レベルについて和をとることによって降下煤塵量C(x,y))を求める。
特に降雨による大気中煤塵の洗浄降下量を、煤塵の重力による沈降と地表における沈着効果が無視できない場合の煤塵の移流・拡散挙動の計算に組み込み、降下煤塵量を精度良くすることができる。
気象庁データに基づいて、降雨レベルを2段階、即ち「降雨レベル1:降雨無」と「降雨レベル2:降雨有」の2段階に分割し、表1及び表2に示す風向・風速頻度分布表を作成した。
(9)式により粒子の終末沈降速度wを計算するための情報として、煤塵粒子径dkは110μm、煤塵粒子の密度ρsは3770kg/m3を設定した。
降下地点の情報として、座標(x、y)を(0,0)に設定した。
雨滴濃度Nは、図4に示す雨滴密度分布nと雨滴直径Dの関係を示す特性図から、(16)式で計算する。図4は、降雨量4.7mm/Hrのときのグラフである。
入力装置21に、降下煤塵量の推定に必要な降雨量情報、風向・風速情報、発塵情報、降下地点情報、反射率β、洗浄係数pが入力される。CPU20では、入力装置21に入力された情報に基づいて、有効発塵高さHe、煤塵粒子の終末沈降速度w、乱流拡散係数Ky、Kzを決定し、降下地点における降下煤塵量が計算される。
表示装置22では、複数の降下地点においてCPU20で計算した降下煤塵量の計算値に基づいて、例えば図9に示すような降下煤塵量のコンター図を表示する。
記録装置23では、入力装置21に入力された全情報及びCPU20で計算した降下地点における降下煤塵量が記録される。記録装置23はROM、RAM、HD等により構成されており、降下煤塵量の推定装置100としての動作を制御するコンピュータプログラムが格納される。
CPU20がコンピュータプログラムを実行することによって降下煤塵量の推定装置100の機能及び処理を実現する。また、記録装置23にデータベースが格納される。
なお、本発明を適用した降下煤塵量の推定装置は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、一つの機器からなる装置に適用してもよい。
また、本発明の目的は、前述した機能を実現するコンピュータプログラムをシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(CPU若しくはMPU)が実行することによっても達成され、この場合、コンピュータプログラム自体が本発明を構成することになる。
以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
Claims (8)
- 降雨量、風向及び風速の所定期間における時系列計測値に基づいて、降雨量の範囲をk個の分割範囲に分割し、前記k個の分割範囲毎に、風向及び風速の範囲を各々m、n個の分割範囲に分割し、前記風速の分割範囲毎に風速代表値を設定し、各々の前記分割範囲に含まれる前記時系列計測値の前記所定期間での頻度を求めることによってm×n行列の風向・風速頻度分布を各々l個作成し、前記風速代表値及び前記風向・風速頻度分布を風向・風速情報とする風向・風速情報入力工程と、
発塵源の情報である発塵情報を入力する発塵情報入力工程と、
降雨により大気中の煤塵が洗い流される程度を計算するのに用いられる洗浄係数を求める洗浄係数計算工程と、
前記風向・風速情報と、前記発塵情報と、前記洗浄係数と、前記煤塵の地表での反射率とを用いて、任意の座標点における煤塵濃度を計算する煤塵濃度計算工程と、
前記煤塵濃度に基づいて、任意の降下地点における降下煤塵量を計算する降下煤塵量計算工程とを有し、
前記煤塵濃度計算工程では、降雨により大気中の煤塵が洗い流されて地表に降下する降下煤塵量を計算し、前記降下煤塵量の計算値に加算することを特徴とする降下煤塵量の推定方法。 - 前記発塵情報入力工程では、前記発塵源の3次元空間上での座標と、発塵強度と、煤塵粒子径と、煤塵粒子密度と、発塵高さとが入力されることを特徴とする請求項1に記載の降下煤塵量の推定方法。
- 降雨量、風向及び風速の所定期間における時系列計測値に基づいて、降雨量の範囲をk個の分割範囲に分割し、前記k個の分割範囲毎に、風向及び風速の範囲を各々m、n個の分割範囲に分割し、前記風速の分割範囲毎に風速代表値を設定し、各々の前記分割範囲に含まれる前記時系列計測値の前記所定期間での頻度を求めることによってm×n行列の風向・風速頻度分布を各々l個作成し、前記風速代表値及び前記風向・風速頻度分布を風向・風速情報とする風向・風速情報入力手段と、
発塵源の情報である発塵情報を入力する発塵情報入力手段と、
降雨により大気中の煤塵が洗い流される程度を計算するのに用いられる洗浄係数を求める洗浄係数計算手段と、
前記風向・風速情報と、前記発塵情報と、前記洗浄係数と、前記煤塵の地表での反射率とを用いて、任意の座標点における煤塵濃度を計算する煤塵濃度計算手段と、
前記煤塵濃度に基づいて、任意の降下地点における降下煤塵量を計算する降下煤塵量計算手段とを備え、
前記煤塵濃度計算手段では、降雨により大気中の煤塵が洗い流されて地表に降下する降下煤塵量を計算し、前記降下煤塵量の計算値に加算することを特徴とする降下煤塵量の推定装置。 - 降雨量、風向及び風速の所定期間における時系列計測値に基づいて、降雨量の範囲をk個の分割範囲に分割し、前記k個の分割範囲毎に、風向及び風速の範囲を各々m、n個の分割範囲に分割し、前記風速の分割範囲毎に風速代表値を設定し、各々の前記分割範囲に含まれる前記時系列計測値の前記所定期間での頻度を求めることによってm×n行列の風向・風速頻度分布を各々l個作成し、前記風速代表値及び前記風向・風速頻度分布を風向・風速情報とする風向・風速情報入力工程と、
発塵源の情報である発塵情報を入力する発塵情報入力工程と、
降雨により大気中の煤塵が洗い流される程度を計算するのに用いられる洗浄係数を求める洗浄係数計算工程と、
前記風向・風速情報と、前記発塵情報と、前記洗浄係数と、前記煤塵の地表での反射率とを用いて、任意の座標点における煤塵濃度を計算する煤塵濃度計算工程と、
前記煤塵濃度に基づいて、任意の降下地点における降下煤塵量を計算する降下煤塵量計算工程とをコンピュータに実行させ、
前記煤塵濃度計算工程では、降雨により大気中の煤塵が洗い流されて地表に降下する降下煤塵量を計算し、前記降下煤塵量の計算値に加算することを特徴とするプログラム。 - 請求項7に記載のプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
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