JP2008151694A - くぼ地における汚染環境予測装置、くぼ地における汚染環境予測方法および当該予測方法を実行させるためのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】くぼ地における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間で計算できるくぼ地における汚染環境予測装置、くぼ地における汚染環境予測方法および当該予測方法を実行させるためのプログラムを提供することにある。
【解決手段】
本発明では、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データ５１を、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割し、各詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する地理情報作成手段１０と、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）毎に発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を算出する発生量計算手段２０と、タンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）を算出し、移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）から基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を算出する放出量計算手段３０と、発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）に基づいて、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の濃度Ｃ_ｉを算出する移流拡散計算手段４０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、くぼ地の汚染物質の濃度分布を予測するくぼ地における汚染環境予測装置、くぼ地における汚染環境予測方法および当該予測方法を実行させるためのプログラムに関する。

従来、大気汚染物質の濃度分布などの環境濃度状況予測シミュレーションでは、風向、風速、安定度分類指標、混合層高度などの気象条件から気流自体の予測モデル（気象モデル）を求め、プルーム、パフおよび拡散式などの汚染物質の挙動を予測するモデル（拡散モデル）を適用することで、大気汚染物質の移流・拡散状況を解析している。１００ｋｍから２００ｋｍ程度の範囲にわたる広域的汚染をシミュレーションする場合には、広域的な発生源排出条件の把握、「滞留」などの気象条件をはじめとする拡散条件の非定常性や非一様性を考慮に入れる必要がある。広域的な気象モデルを解析するために、解析対象地域内の複数の気象観測データから予測する方法またはメソスケールモデルを用いて予測する方法が用いられている。一方、拡散モデルを解析するために、流跡線プルームモデルまたはオイラー型輸送・拡散モデルによる差分法が用いられている。

具体的には、広域的な汚染物質の濃度分布をシミュレートする場合、一辺１００ｋｍから２００ｋｍ程度の領域を２ｋｍから５ｋｍ程度のメッシュで分割して気象モデルおよび拡散モデルを計算する。そのため、数キロ程度の規模で大きく変化する特殊な地形の場合、従来の手法では適切に計算できない。例えば、鉱山のピットから発生する粉塵のシミュレーションなどの場合、幅数キロ程度のくぼ地から粉塵が大量に発生する。図１は、くぼ地周辺の粉塵濃度の時間変化を示すグラフである。図１では、くぼ地の外側においた粉塵センサーで測定した粉塵の濃度の時間別変化を示している。図１に示すように、夜間に放射冷却でくぼ地内に溜まった粉塵が、日射による上昇気流でくぼ地外に大量に放出されている様子が読み取れる。上記のように、くぼ地内の粉塵がくぼ地外に放出されることにより、粉塵が丘陵・山岳を越える場合、安定条件と不安定条件では、プルーム（煙流）の挙動が全く異なることが知られている。すなわち、不安定条件ではプルームが地形に沿って上昇し、下降する挙動を示すが、安定条件ではプルームはむしろ丘陵地を取り巻き、地形に沿って上昇しようとしない。中立条件では、ポテンシャル流の数値計算でおおよその気流の動きを推定することができるが、一般に、山裾から山頂に向かう気流中では、流線間隔の縮小が見られ、山頂から山裾に向かう気流中では拡大が見られる。

従って、くぼ地のような特殊な地形について、適切にシミュレートするためには、くぼ地内およびくぼ地周辺の複雑な気象条件を適切に解析する必要がある。しかし、上述した従来のメソスケールモデルを用いて予測する方法では、数キロ以上のメッシュを対象としたモデルであるため、幅数キロ程度のくぼ地の解析には不十分である。そこで、従来のくぼ地における汚染環境予測装置では、くぼ地内およびくぼ地周辺の気象条件を正確に解析するため、流体方程式を設定し、３次元の風況場計算モデルと放射冷却や日射による斜面温度の上昇などの複雑なモデルを計算して気象モデルを解析する。次に、各メッシュ内に存在する各種の発生源における発生量を加算して、各メッシュ内の汚染物質の発生量を求める。その後、当該気象モデルの解析結果および各メッシュ内の汚染物質の発生量を用いて移流・拡散方程式を数値解析的に解くことで、拡散モデルを解析し、汚染物質の濃度分布を予測している。
浮遊粒子状物質汚染予測マニュアル（環境庁大気保全局大気規制課 監修 東洋館出版社、１９９７年発行、PP.95,185-243).

しかしながら、上述した従来のくぼ地における汚染環境予測装置では、流体方程式を設定し、３次元の風況場計算モデルと放射冷却や日射による斜面温度の上昇などの複雑なモデルを計算しているため、計算時間が膨大になるといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、くぼ地における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間で計算できるくぼ地における汚染環境予測装置、くぼ地における汚染環境予測方法および当該予測方法を実行させるためのプログラムを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係るくぼ地における汚染環境予測装置では、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割し、前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する地理情報作成手段と、前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算する発生量計算手段と、前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算し、少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算する放出量計算手段と、前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析する移流拡散計算手段とを備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の本発明に係るくぼ地における汚染環境予測装置では、前記放出量計算手段は、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記放出量を、前記くぼ地として仮想したタンク内の前記汚染物質の濃度から計算し、前記タンク内に流入する流入量と前記タンク外へ流出する流出量との差から前記濃度を計算し、前記流入量を、前記詳細メッシュ毎の前記発生量が前記くぼ地外部に放出される割合である放出係数αを用いて算出することを特徴としている。

また、請求項３に記載のように、請求項２に記載の本発明に係るくぼ地における汚染環境予測装置では、前記放出量計算手段は、前記タンク外へ流出する前記流出量を、前記くぼ地外部へ放出される速度である放出速度βを用いて算出することを特徴としている。

また、請求項４に記載のように、請求項１乃至３のいずれかに記載の本発明に係るくぼ地における汚染環境予測装置では、前記放出量計算手段は、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の偏りを表す偏在係数γを用いて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記放出量から、前記基本メッシュ毎の前記発生量を計算することを特徴としている。

また、請求項５に記載のように、本発明に係るくぼ地における汚染環境予測方法では、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割し、前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定し、前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算し、前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算し、少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算し、前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析することを特徴としている。

また、請求項６に記載のように、本発明に係るくぼ地における汚染環境予測方法を実行させるためのプログラムでは、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割する手順と、前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する手順と、前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算する手順と、前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算する手順と、少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算する手順と、前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析する手順とをコンピュータに実行させることを特徴としている。

本発明により、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割し、各詳細メッシュがくぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定し、詳細メッシュ毎に計算された汚染物質の発生量に基づいて、くぼ地から解析対象領域に放出される汚染物質の放出量を計算し、上記放出量から計算して得られた基本メッシュ毎の汚染物質の発生量に基づいて、基本メッシュ間の汚染物質の移流・拡散状況を解析することで、くぼ地という特殊な地形における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間で計算することができる。

以下に、本発明の実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置の一例について、図２乃至図４を参照して説明する。図２は、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置１の内部構成図、図３は解析対象領域の一部、くぼ地および基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の概略を示した図、図４は解析対象領域の一部、くぼ地および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の概略を示した図である。ここで、図３に示す基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）は、解析対象領域を分割した格子の内、Ｉ行、Ｊ列の格子を示している。同様に、図４に示す詳細メッシュ（ｉ，ｊ）は、解析対象領域を分割した格子の内、ｉ行、ｊ列の格子を示している。本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置１は、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データ５１を、解析対象領域より細かい格子状の基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）で分割するとともに基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）より細かい格子状の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割し、各詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する地理情報作成手段１０と、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）毎に汚染物質の発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）（数２参照）を算出する発生量計算手段２０と、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）毎の発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）に基づいて、くぼ地から解析対象領域に放出される汚染物質の放出量である時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）（数４参照）を算出し、少なくとも時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）から基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の汚染物質の発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）（数５参照）を算出する放出量計算手段３０と、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）に基づいて、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）間の汚染物質の移流・拡散状況を解析する移流拡散計算手段４０とを備えている。

更に、くぼ地における汚染環境予測装置１は、主に地形データ５１、予測式データ５２、換算式データ５３、気象データ５４および拡散式データ５５を格納する記憶手段５０も備える。ここで、地形データ５１は、例えば、解析対象領域、くぼ地および汚染物質の発生源における緯度、経度、高度などである。予測式データ５２は、汚染物質の各発生源の発生量を予測する予測式（数１参照）をまとめたデータである。発生量計算手段２０における発生量の算出に用いられる。換算式データ５３は、放出量計算手段３０において、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）が算出される計算式（数２乃至数５参照）をまとめたデータである。気象データ５４は、風速、風向き、日射量、地上気温、安定度分類指標および混合層高度などの気象条件である。拡散式データ５５は、移流拡散計算手段４０において用いられる移流・拡散方程式（数６参照）をまとめたデータである。

以降、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置１を構成する地理情報作成手段１０、発生量計算手段２０、放出量計算手段３０および移流拡散計算手段４０について詳細に説明する。

（地理情報作成手段）
地理情報作成手段１０は、上述したように、くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データ５１を、解析対象領域より細かい格子状の基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）で分割し、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）より細かい格子状の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割している。一般に、広域的な汚染物質の濃度分布をシミュレートする場合、解析対象領域を一辺１００ｋｍ乃至２００ｋｍの領域に設定し、２ｋｍ乃至５ｋｍ程度の基本メッシュで分割する。図１に示したように、幅数キロ程度のくぼ地では特徴的な汚染物質の濃度分布が現れる。このため、上記の基本メッシュでは、図１に示した特徴的な濃度分布を再現することは難しいため、より細かな詳細メッシュに分割することが必要である。そこで、本実施形態では、解析対象領域を一辺１００ｋｍの領域とし、当該解析対象領域を一辺２ｋｍの基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）で分割している。すなわち、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）は従来のメッシュと変わらない。更に、本実施形態では、当該解析対象領域を一辺２００ｍの詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割している。

また、地理情報作成手段１０は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について、くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する。上記の判定は、放射冷却などの影響で、くぼ地内に貯留する汚染物質とくぼ地外部に流出する汚染物質とを区別するために必要である。具体的には、例えば、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の平均高度がある閾値以下の場合、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）はくぼ地の内部にあると判定する。上記の判定の結果、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあると判定した場合、地理情報作成手段１０は詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）（数２参照）を１にする。一方、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の外部にあると判定した場合、地理情報作成手段１０は詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）を０にする。ここで、９個の基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）で分割された解析対象領域の一部およびくぼ地の概略が図３に示され、５００個の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割された解析対象領域の一部およびくぼ地の概略が図４に示されている。なお、図３および図４において、くぼ地は楕円で現されている。

（発生量計算手段）
発生量計算手段２０は、解析対象領域から発生する汚染物質の発生量を詳細メッシュ単位で計算する。例えば、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）内に石炭火力発電所の開放コンベアがある場合、当該開放コンベアも汚染物質（粉塵）の発生源になる。具体的には、式（１−１）に示す、予測式データ５２に含まれた予測式を取得する。その後、気象データ５４（風速Ｕ）から、開放コンベアの発じん量Ｑ_ｃを算出する。そして、開放コンベアの発じん量Ｑ_ｃを詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）（数２参照）とする。なお、石炭火力発電所では、開放コンベア以外にも、堆積場はもちろんのこと、燃料炭の揚炭、パイルへの積み上げ（スタッカー）、パイルからの切り出し（リクレーマー）などが発生源になりうる。そのため、上記の各発生源の発生量を予測する予測式も予測式データ５２に含まれている。なお、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）内に複数の発生源がある場合には、各発生源の発生量を積算して、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を算出する。

（放出量計算手段）
放出量計算手段３０は、地理情報作成手段１０で作成された詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）、記憶手段５０に格納された換算式データ５３および発生量計算手段２０で計算された詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）（数２参照）から、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）（数５参照）を算出している。具体的には、まず、所定の容量Ｖ（数２参照）、所定の面積Ａ（数３参照）の仮想的なタンクを設定する。そして、くぼ地内に留まる汚染物質は仮想的なタンクに一時的に貯留するものとする。次に、式（２−３）に示すように、単位時間当たりのタンク内への流入量、すなわち、時刻ｔのタンク内への流入量Ｐ_ｉｎ（ｔ）を算出する。ここで、くぼ地の地表面、すなわち、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）から発生する汚染物質の発生量である詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）は、一部はくぼ地の内部に留まり、一部はくぼ地の外部に飛散する。そこで、本実施形態では、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）がくぼ地外部に放出される時刻ｔの割合を、時刻ｔの放出係数α（ｔ）とし、時刻ｔのタンク内への流入量Ｐ_ｉｎ（ｔ）を時刻ｔの放出係数α（ｔ）を用いて算出している。なお、当該放出係数α（ｔ）はくぼ地の温度や日射量、風速などの気象データ５４に基づいて設定される。

次に、タンク内の汚染物質の濃度である時刻ｔのタンク内の濃度Ｃ（ｔ）を算出する。ここで、濃度Ｃ（ｔ）、タンクの容量Ｖおよび時刻ｔのタンク内の汚染物質量Ｔ（ｔ）は式（２−１）に示す関係がある。また、時刻ｔのタンク内の汚染物質量Ｔ（ｔ）は、式（２−２）に示すように、時刻ｔのタンク内への流入量Ｐ_ｉｎ（ｔ）と時刻ｔのタンク外への流出量Ｐ_ｏｕｔ（ｔ）の差に等しくなる。また、時刻ｔのタンク外への流出量Ｐ_ｏｕｔ（ｔ）は、式（３−１）に示すように、汚染物質が沈降して地表面に付着することによってタンク外へ流出する量である時刻ｔのタンク外への沈降量Ｐ_ｓ（ｔ）と、汚染物質がタンク外に飛散することによってタンク外に流出する量である時刻ｔのタンク外への放出量Ｐ_ｅ（ｔ）の和に等しくなる。くぼ地の内部に留まっている汚染物質は、一部はくぼ地の内部に留まり、一部はくぼ地の外部に飛散する。そこで、本実施形態では、くぼ地の内部に留まっていた汚染物質がくぼ地の外部に飛散する時刻ｔにおける速度を放出速度β（ｔ）とし、時刻ｔのタンク外への放出量Ｐ_ｅ（ｔ）を時刻ｔの放出速度β（ｔ）を用いて算出している。なお、当該放出速度β（ｔ）はくぼ地の温度や日射量、風速などの気象データ５４に基づいて設定される。上述した式（２−１）、式（２−２）、式（３−１）乃至式（３−３）から、時刻ｔのタンク内の濃度Ｃ（ｔ）を算出する。その後、算出した時刻ｔのタンク内の濃度Ｃ（ｔ）から時刻ｔのタンク外への沈降量Ｐ_ｓ（ｔ）と、時刻ｔのタンク外への放出量Ｐ_ｅ（ｔ）を算出する。

次に、式（４−１）に示すように、時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）を算出する。その後、式（５−１）に示すように、時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）、くぼ地内の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）からタンクに入らずに直接基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）に移動する量（式（５−１）の右辺第２項）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地外から発生する量（式（５−１）の右辺第３項）から基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を算出する。ここで、くぼ地から移動する汚染物質の量は、風速や風向きなどの影響により、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）間に偏りができる。そこで、本実施形態では、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）間の汚染物質の偏りを表す係数を偏在係数γ（Ｉ，Ｊ）とし、偏在係数γ（Ｉ，Ｊ）を用いて、時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）を換算している。なお、太陽の高度とくぼ地の形状の関係で暖まりやすい斜面に近い場所から多くの汚染物質が飛散することから、当該偏在係数γ（Ｉ，Ｊ）は、風速や風向きなどの気象データ５４の他、くぼ地の形状などを表す地形データ５１に基づいて設定される。これにより、現実に近い予測が可能となる。

（移流拡散計算手段）
移流拡散計算手段４０は、地形データ５１、気象データ５４および放出量計算手段３０で算出された基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）に基づいて、拡散式データ５５に含まれる移流・拡散方程式を数値解析的に解くことで、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）間の汚染物質の移流・拡散状況を解析する。具体的には、拡散式データ５５に含まれる式（６−１）乃至式（６−４）に示すオイラー型輸送・拡散・反応変質・沈着モデルの方程式を用いて、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を汚染物質発生量Ｓ_ｉに代入して、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の汚染物質の濃度Ｃ_ｉを算出する。なお、地面の標高Ｚ_Ｇは地形データ５１を参照する。ｘ方向の速度成分ｕ、ｙ方向の速度成分ｖおよびσ方向の速度成分Ｗは気象データ５４を参照する。すなわち、従来のように、流体方程式を設定し、３次元の風況場計算モデルと放射冷却や日射による斜面温度の上昇などの複雑なモデルを計算して気象モデルを解析する必要がなくなる。

以上のように、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置１に示す構成にすることにより、従来のように、流体方程式を設定し、３次元の風況場計算モデルと放射冷却や日射による斜面温度の上昇などの複雑なモデルを計算して気象モデルを解析する必要がなくなることから、くぼ地という特殊な地形における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間で計算することができる。

次に、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測方法をコンピュータで実行する汚染環境予測制御処理の一例について図５乃至図９を参照して説明する。図５は本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測方法を実行する汚染環境予測制御処理のフローチャート、図６は図５に示したくぼ地内外判定処理のフローチャート、図７は図５に示した詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理のフローチャート、図８は図５に示した基本メッシュの汚染物質発生量算出処理のフローチャート、図９は図５に示した移流拡散計算処理のフローチャートである。以降、汚染環境予測制御処理、くぼ地内外判定処理、詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理、基本メッシュの汚染物質発生量算出処理および移流拡散計算処理について詳細に説明する。

（汚染環境予測制御処理）
汚染環境予測制御処理は、図５に示すように、地理情報作成手段１０で実行されるくぼ地内外判定処理（ステップＳ１００）、発生量計算手段２０で実行される詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理（ステップＳ２００）、放出量計算手段３０で実行される基本メッシュの汚染物質発生量算出処理（ステップＳ３００）および移流拡散計算手段４０で実行される移流拡散計算処理（ステップＳ４００）を備えている。本汚染環境予測制御処理を実行することで、くぼ地という特殊な地形における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間で計算している。

（くぼ地内外判定処理）
くぼ地内外判定処理（ステップＳ１００）は、解析対象領域を基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）で分割し、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する制御処理である。具体的には、まず、地理情報作成手段１０は、汚染物質の濃度分布をシミュレートする範囲である、くぼ地を含む解析対象領域の一辺の長さを設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０１）。次に、地理情報作成手段１０は、解析対象領域より細かい格子状の基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の一辺の長さを設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０２）。次に、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）より細かい格子状の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺の長さを設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０３）。なお、本実施形態では、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の一辺の長さを全て等しくしている。同様に、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺の長さを全て等しくしている。次に、地理情報作成手段１０は、解析対象領域を基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の一辺の長さ毎に分割し、当該分割された解析対象領域と基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）を関連付けて記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０４）。更に、地理情報作成手段１０は、解析対象領域を詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺の長さ毎に分割し、当該分割された解析対象領域と詳細メッシュ（ｉ，ｊ）を関連付けて記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０５）。

次に、地理情報作成手段１０は、記憶手段５０に格納された詳細メッシュ（ｉ，ｊ）を取得して、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあるか外部にあるか判定する（ステップＳ１０６）。具体的には、例えば、上述したように詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の平均高度がある閾値以下の場合、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）はくぼ地の内部にあると判定する。ステップＳ１０６における判定の結果、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあると判定した場合（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）を１にする（ステップＳ１０７）。その後、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）を当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）と関連付けて記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０７）。一方、ステップＳ１０６における判定の結果、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の外部にあると判定した場合（ステップＳ１０６でＮｏ）、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）を０にする（ステップＳ１０８）。その後、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地内外判定フラグｐ（ｉ，ｊ）を当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）と関連付けて記憶手段５０に格納する（ステップＳ１０８）。次に、地理情報作成手段１０は、ステップＳ１０６における判定を全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行したか否か判定する（ステップＳ１０９）。ステップＳ１０６における判定が全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行されていないと判定した場合（ステップＳ１０９でＮｏ）、ステップＳ１０６に戻り、ステップＳ１０６乃至Ｓ１０９の制御処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ１０６における判定が全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行されたと判定した場合（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、本制御処理を終了する。これにより、ステップＳ１０６における判定を全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行するまで、くぼ地内外判定処理は繰り返し実行される。

（詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理）
詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理（ステップＳ２００）は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）内にある汚染物質の発生源から発生する詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を算出する制御処理である。具体的には、まず、発生量計算手段２０は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）内にある汚染物質の発生源の種類を設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ２０１）。次に、発生量計算手段２０は、設定された発生源の種類に関連した予測式データ５２を記憶手段５０から取得する（ステップＳ２０２）。次に、発生量計算手段２０は、予測式データ５２から汚染物質の発生量を算出する（ステップＳ２０３）。本実施形態の汚染物質の発生源は、上述したように、石炭火力発電所の開閉コンベアであることから、式（１−１）で示した予測式およびを気象データ５４（風速Ｕ）を用いて発じん量Ｑ_ｃを算出している。次に、発生量計算手段２０は、ステップＳ２０３で算出した発生量を詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）に積算する（ステップＳ２０４）。なお、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）の初期値は０である。

次に、発生量計算手段２０は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）内にある全発生源について汚染物質の発生量を算出したか否か判定する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０５における判定が全発生源について実行されていないと判定した場合（ステップＳ２０５でＮｏ）、ステップＳ２０１に戻り、ステップＳ２０１乃至Ｓ２０５の制御処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ２０５における判定が全発生源について実行されたと判定した場合（ステップＳ２０５でＹｅｓ）、積算された詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を詳細メッシュ（ｉ，ｊ）と関連付けて記憶手段５０に格納する（ステップＳ２０６）。次に、発生量計算手段２０は、全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を記憶手段５０に格納したか否か判定する（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０７における判定が全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行されていないと判定した場合（ステップＳ２０７でＮｏ）、ステップＳ２０１に戻り、ステップＳ２０１乃至Ｓ２０７の制御処理を繰り返し実行する。一方、ステップＳ２０７における判定が全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について実行されたと判定した場合（ステップＳ２０７でＹｅｓ）、本制御処理を終了する。これにより、全詳細メッシュ（ｉ，ｊ）について、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を記憶手段５０に格納するまで、本制御処理は繰り返し実行される。

（基本メッシュの汚染物質発生量算出処理）
基本メッシュの汚染物質発生量算出処理（ステップＳ３００）は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）から時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）を算出し、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を算出する制御処理である。具体的には、まず、放出量計算手段３０は、仮想的なタンクを設定させる（ステップＳ３０１）。具体的には、所定の容量Ｖおよび所定の面積Ａを設定させ、記憶手段５０に格納する。次に、放出量計算手段３０は、沈降速度Ｄを設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０２）。次に、放出係数α（ｔ）、放出速度β（ｔ）および偏在係数γ（Ｉ，Ｊ）も設定させ、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０３）。次に、放出量計算手段３０は、ステップＳ１０３で格納された詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺の長さから、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の面積ａを算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０４）。次に、ステップＳ１０２で格納された基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の一辺の長さから、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の面積Ｓを算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０５）。次に、式（２−３）に示したように、放出量計算手段３０は、時刻ｔのタンク内への流入量Ｐ_ｉｎ（ｔ）を算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０６）。次に、放出量計算手段３０は、上述したように、式（２−１）、式（２−２）、式（３−１）乃至式（３−３）から、時刻ｔのタンク内の濃度Ｃ（ｔ）を算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０７）。

次に、放出量計算手段３０は、式（３−２）に示したように、時刻ｔのタンク外への沈降量Ｐ_ｓ（ｔ）を算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０８）。次に、放出量計算手段３０は、式（３−３）に示したように、時刻ｔのタンク外への放出量Ｐ_ｅ（ｔ）を算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３０９）。次に、放出量計算手段３０は、式（４−１）に示したように、時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）を算出し、記憶手段５０に格納する（ステップＳ３１０）。最後に、式（５−１）に示したように、時刻ｔ＋Δｔのタンクから解析対象領域への移動量Ｐ_ｅ（ｔ＋Δｔ）、くぼ地内の詳細メッシュ（ｉ，ｊ）からタンクに入らずに直接基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）に移動する量（式（５−１）の右辺第２項）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）のくぼ地外から発生する量（式（５−１）の右辺第３項）から基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を算出する（ステップＳ３１１）。その後、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の時刻ｔにおける汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）と関連付けて記憶手段５０に格納し、本制御処理を終了する。

（移流拡散計算処理）
移流拡散計算処理（ステップＳ４００）は、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）から基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の濃度Ｃ_ｉを算出する制御処理である。具体的には、まず、移流拡散計算手段４０は、各種パラメータを取得する（ステップＳ４０１）。例えば、地面の標高Ｚ_Ｇは地形データ５１から取得する。また、例えば、ｘ方向の速度成分ｕ、ｙ方向の速度成分ｖおよびσ方向の速度成分Ｗは気象データ５４から取得する。更に、工場等からの汚染物質発生量Ｓ_ｉとして、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の汚染物質発生量Ｅ（Ｉ，Ｊ，ｔ＋１）を取得する。次に、移流拡散計算手段４０は、式（６−１）乃至式（６−４）に示されたオイラー型輸送・拡散・反応変質・沈着モデルの方程式をまとめた拡散式データ５５を取得する（ステップＳ４０２）。最後に、移流拡散計算手段４０は、拡散式データ５５を用いて、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）毎の汚染物質の濃度Ｃ_ｉを算出し、記憶手段５０に格納して（ステップＳ４０３）、本制御処理を終了する。

以上のように、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測方法をコンピュータで実行する汚染環境予測制御処理をプログラムすることで、従来のように、流体方程式を設定し、３次元の風況場計算モデルと放射冷却や日射による斜面温度の上昇などの複雑なモデルを計算して気象モデルを解析する必要がなくなることから、くぼ地という特殊な地形における汚染物質の濃度分布を少ない計算時間でかつ、容易に計算することができる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、本実施形態では、解析対象領域の一辺を２００ｋｍとし、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の一辺を２ｋｍとし、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺を２００ｍとしているが、特にこれに限定されるものでない。同様に、解析対象領域、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）を正方形としているが、特にこれに限定されるものでなく、長方形としても良い。

また、本実施形態では、図３に解析対象領域の一部を分割した９個の基本メッシュを示し、図４に解析対象領域の一部を分割した５００個の詳細メッシュを示しているが、特にこれに限定されるものでなく、何個に分割しても良い。

また、本実施形態の地形データ５１は、解析対象領域、くぼ地および汚染物質の発生源における緯度、経度、高度などであるが、特にこれに限定されるものでなく、解析対象領域、くぼ地および汚染物質の発生源の位置が特定できれば、他の方法、例えば、基準点からの距離で表されたデータでも良い。同様に、本実施形態の気象データ５４は、風速、風向き、日射量、地上気温、安定度分類指標および混合層高度などの気象条件であるが、特にこれに限定されるものでなく、他のパラメータを含んでいても良い。

また、本実施形態の発生量計算手段２０では、石炭火力発電所の開放コンベアについて、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量ｅ（ｉ，ｊ，ｔ）を算出しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の発生源についても適用可能である。また、開放コンベアの発生量を、白倉（１９８７）の予測式から計算しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の予測式を用いてもよい。

また、本実施形態の地理情報作成手段１０は、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）がくぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する場合、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の平均高度がある閾値以下の場合、当該詳細メッシュ（ｉ，ｊ）はくぼ地の内部にあると判定しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の方法でも良い。

また、本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測方法を実行する汚染環境予測制御処理のフローチャートを図５乃至図９に示しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の制御処理が含まれていても適用可能である。更に、図５乃至図９に示したフローチャートの全制御処理が必要なわけではない。

また、本実施形態では、くぼ地内外判定処理内で、解析対象領域、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）および詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の一辺の長さを設定しているが、特にこれに限定されるものでなく、予め設定し、記憶手段５０に格納させても良い。同様に、詳細メッシュ（ｉ，ｊ）の汚染物質発生量算出処理内で、発生源の種類を設定しているが、予め設定し、記憶手段５０に格納させても良い。同様に、基本メッシュ（Ｉ，Ｊ）の汚染物質発生量算出処理内で、仮想的なタンク、放出係数α（ｔ）、放出速度β（ｔ）、偏在係数γ（Ｉ，Ｊ）および沈降速度Ｄを設定しているが、予め設定し、記憶手段５０に格納させても良い。

くぼ地周辺の粉塵濃度の時間変化を示すグラフである。 本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測装置の内部構成図である。 解析対象領域の一部、くぼ地および基本メッシュの概略を示した図である。 解析対象領域の一部、くぼ地および詳細メッシュの概略を示した図である。 本実施形態に係るくぼ地における汚染環境予測方法を実行する汚染環境予測制御処理のフローチャートである。 図５に示したくぼ地内外判定処理のフローチャートである。 図５に示した詳細メッシュの汚染物質発生量算出処理のフローチャートである。 図５に示した基本メッシュの汚染物質発生量算出処理のフローチャートである。 図５に示した移流拡散計算処理のフローチャートである。

符号の説明

１ くぼ地における汚染環境予測装置、１０ 地理情報作成手段、
２０ 発生量計算手段、３０ 放出量計算手段、４０ 移流拡散計算手段、
５０ 記憶手段、５１ 地形データ、５２ 予測式データ、
５３ 換算式データ、５４ 気象データ、５５ 拡散式データ

Claims (6)

1. くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割し、前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する地理情報作成手段と、
   前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算する発生量計算手段と、
   前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算し、少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算する放出量計算手段と、
   前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析する移流拡散計算手段とを備えることを特徴とするくぼ地における汚染環境予測装置。
2. 前記放出量計算手段は、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記放出量を、前記くぼ地として仮想したタンク内の前記汚染物質の濃度から計算し、
   前記タンク内に流入する流入量と前記タンク外へ流出する流出量との差から前記濃度を計算し、
   前記流入量を、前記詳細メッシュ毎の前記発生量が前記くぼ地外部に放出される割合である放出係数αを用いて算出することを特徴とする請求項１に記載のくぼ地における汚染環境予測装置。
3. 前記放出量計算手段は、前記タンク外へ流出する前記流出量を、前記くぼ地外部へ放出される速度である放出速度βを用いて算出することを特徴とする請求項２に記載のくぼ地における汚染環境予測装置。
4. 前記放出量計算手段は、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の偏りを表す偏在係数γを用いて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記放出量から、前記基本メッシュ毎の前記発生量を計算することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のくぼ地における汚染環境予測装置。
5. くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割し、
   前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定し、
   前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算し、
   前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算し、
   少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算し、
   前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析することを特徴とするくぼ地における汚染環境予測方法。
6. くぼ地を含む解析対象領域を表す地形データを、前記解析対象領域より細かい基本メッシュで分割するとともに前記基本メッシュより細かい詳細メッシュで分割する手順と、
   前記各詳細メッシュが前記くぼ地の内部にあるか外部にあるかを判定する手順と、
   前記詳細メッシュ毎に汚染物質の発生量を計算する手順と、
   前記詳細メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記くぼ地から前記解析対象領域に放出される前記汚染物質の放出量を計算する手順と、
   少なくとも前記放出量から前記基本メッシュ毎の前記汚染物質の発生量を計算する手順と、
   前記基本メッシュ毎の前記発生量に基づいて、前記基本メッシュ間の前記汚染物質の移流・拡散状況を解析する手順とをコンピュータに実行させることを特徴とするくぼ地における汚染環境予測方法を実行させるためのプログラム。

Images