VLW versie Korte beschrijving van de meest recente versie van het verkeersmodel VLW. A.T. Vermeulen ECN-E

Transcriptie

1 VLW versie 2.70 Korte beschrijving van de meest recente versie van het verkeersmodel VLW A.T. Vermeulen ECN-E

2 Verantwoording Dit rapport beschrijft de laatste veranderingen aan het VLW rekenhart om te voldoen aan het Meet- en rekenvoorschrift bevoegdheden luchtkwaliteit, rekenmethode 2 (MRV2), zoals beschreven in de Staatcourant 3 van november 2006, nr. 215, pag. 20 e.v. Abstract The VLW highway gaussian line-source dispersion model has been developed for diagnostic and prognostic calculations of the influence of high-way road traffic on air pollution. Recent developments in the air pollution law for The Netherlands lead to the adaptation of the model in order to comply with the legal procedure for calculation and measurement of air pollution due to stationary and non-stationary sources. In this report the current adapted version of the VLW model is described. Compared to previous versions the adaptations have a relatively large influence, lowering the calculated concentrations at high surface roughness. For surface roughness smaller than 1.0 meter the modifications have rather small impacts. Keywords Air pollution, Dispersion model, Line sources, Transport emissions, PM 10, NO x, Air Quality 2 ECN-E

3 Inhoud Lijst van tabellen 4 Lijst van figuren 4 Samenvatting 5 1. Inleiding 7 2. Opbouw van het VLW rekenhart 9 3. Modelbeschrijving Inleiding Emissieberekeningen Concentratieberekeningen Berekening van de verticale verspreidingscoëfficiënt (σ z) De bomenfactor F b Berekening van de emissie Ruwheidsafhankelijke correctiefactor Berekening van NO 2 concentraties Afstand bron-receptor: dweg Meteorologische gegevens Lange-termijn gemiddelde concentratie Berekening van de percentielwaarden Bijdragen van achtergrondconcentraties De overschrijdingskans Blootstellingsberekeningen Zeezoutcorrectie Invloed van congestie op emissies GCN dubbeltelling correctie Nauwkeurigheid Dubbeltelling De correctie in VLW 20 Referenties 21 ECN-E

4 Lijst van tabellen Tabel 3.1 Gefitte parameters voor de berekening van de verticale dispersiecoëfficiënt uit formule Tabel 3.2 Afhankelijkheid van L en C meteo van de ruwheidslengte Lijst van figuren Figuur 3.1 Schematisch overzicht van de standaard rekensituatie voor VLW Figuur 3.2 Gemiddelde zeezout correctie in een grid over Nederland (uit: Hoogerbrugge et al., 2005) ECN-E

5 Samenvatting Het VLW model is een gaussisch verspreidingsmodel voor lijnbronnen. Het wordt toegepast om diagnostische en prognostische berekeningen uit te voeren van de invloed van snelwegen op de luchtkwaliteit. De recente ontwikkelingen in de wetgeving rond Luchtkwaliteit in Nederland hebben geleid tot een aanpassing van de berekeningswijze van VLW, zodat voldaan wordt aan de voorgestelde rekenwijze zoals beschreven in het Meet- en rekenvoorschrift bevoegdheden luchtkwaliteit rekenmethode 2 (MRV2) (Staatscourant 3, november 2006, nr 215, pag 20 e.v.). Dit rapport beschrijft de rekenwijze van de aangepaste versie van het VLW model (versie 2.70). Ten opzichte van de vorige versie (versie 2.60) leidt de aanpassing tot relatief grote verschillen (doorgaans lagere concentraties dichtbij de weg) voor berekende concentraties bij grote terreinruwheid. De verschillen zijn echter vrij klein bij ruwheden beneden de 1 meter. ECN-E

6 6 ECN-E

7 1. Inleiding Deze handleiding beschrijft de VLW-bibliotheek. Met behulp van deze bibliotheek is het mogelijk de volgende berekeningen uit te voeren: 1. emissies van motorvoertuigen op wegen, 2. eenvoudige verspreidingsberekeningen, 3. uitgebreide verspreidingsberekeningen, 4. percentielberekeningen. De berekeningen kunnen worden uitgevoerd voor alle inerte stoffen waarvan de gebruiker de benodigde achtergrondinformatie heeft; tevens kunnen berekeningen worden uitgevoerd voor stikstofoxiden, waarbij rekening wordt gehouden met het niet-conservatieve gedrag van deze stoffen. De software is enerzijds gebaseerd op het model Car Special dat is ontwikkeld door TNO in opdracht van het Ministerie van Volkshuisvesting, Ruimtelijke Ordening en Milieubeheer [Duijm & Melle, 1994a+b]. Anderzijds op aanwijzing van Rijkswaterstaat Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW). De ontwikkeling heeft plaatsgevonden onder verantwoording van Rijkswaterstaat Dienst Wegen Waterbouwkunde, door Resource Analysis BV. Enkele aanpassingen, verbeteringen en optimalisaties in het model en een conversie naar 32-bits zijn uitgevoerd in 1998 door ECN. De aanpassing in 2001 betreft het implementeren van de rekenwijze volgens de specificaties van het Nieuwe Nationale Model (uur-bij-uur methode), aanpassing van de behandeling van het NO/NO 2 evenwicht en enkele andere kleinere verbeteringen. De methode is nog niet gevalideerd en kan dus nog niet gebruikt worden. Wel kan gebruik gemaakt worden van de door deze aanpassingen mogelijk gemaakte toepassing van GCN achtergrondconcentraties, en automatische lokale ruwheden. Bij het volgen van de uur-bij-uur methode is het noodzakelijk om ook gegevens van de luchtconcentraties te hebben op uur-bij-uur basis voor de locatie van het receptorpunt. Door aanpassing van VLW is het nu mogelijk gebruik te maken van de GCN library van RIVM [RIVM, 2002], waardoor voor iedere positie in Nederland de concentraties van Fijn stof, Koolmonoxide, Ozon, Zwaveldioxide, Stikstofdioxide, Benzeen en Lood van uur tot uur te berekenen zijn voor de beschikbare jaren. In oktober 2003 is in opdracht van RWS-DWW een project gestart om het VLW rekenhart aan te passen, waarbij niet alleen gewerkt is aan de onderliggende verspreidingsberekeningen en VLW geharmoniseerd is met het de toenmalige versie van het TNO Verkeersmodel, maar ook de interne structuur van VLW is gemoderniseerd. Tevens zijn in 2004 twee projecten uitgevoerd die tot wijzigingen in het VLW rekenhart geleid hebben. Al deze wijzigingen worden beschreven aan de hand van versie 2.50 van het VLW rekenhart in Vermeulen [2004]. In een uitgebreide vergelijking van het VLW rekenhart met het KEMA NNM+ en het TNO Verkeersmodel kwamen enkele verschillen tussen de werkwijze van VLW en het TNO Verkeersmodel aan het licht, die hun oorsprong vonden in afwijkingen tussen de beschrijving van het TNO Car Special 4.5 model [Duijm & Melle, 1994a+b], waarop de VLW code gebaseerd is en het huidige TNO Verkeersmodel. In het VLW rekenhart versie 2.50 is hiervoor gecorrigeerd. Na de wijzigingen blijkt VLW 2.50 voor het type berekeningen zoals toegepast voor de rapportage in het kader van het Besluit Luchtkwaliteit in doorsnee minder dan 2% af te wijken van de concentratiewaarden zoals berekend door het TNO Verkeersmodel [Vermeulen et al, 2004]. ECN-E

8 In november 2005 is tenslotte wederom VLW aangepast naar aanleiding van enkele wensen van RWS-DWW verband houdend met de berekeningswijze voor het Besluit Luchtkwaliteit en de recente beleidswijzigingen. Deze wijzigingen hebben geleid tot versie 2.60 van het VLW rekenhart. De wijzigingen betreffende de inbouw van: desgewenst automatische zeezoutcorrectie, desgewenst correctie voor dubbeltelling snelwegen in GCN achtergrond concentraties, desgewenst verrekenen van de invloed van congestie op de verkeersemissies en resulterende concentraties. In versie 2.60 zijn tevens enkele wijzigingen aangebracht in aansluiting op de in ontwikkeling zijnde gebruikersschil rond het rekenhart. Het betreft hier voornamelijk een aanpassing van de interface naar de reken-dll voor gebruik door.net applicaties, enkele bug-fixes en herstel van de uitvoer naar een tabel in de database. In de meeste recente aanpassingen, leidend tot versie 2.70 van het VLW rekenhart zijn wijzingen opgenomen die het model doen aansluiten bij de laatste versie van het TNO Verkeersmodel (Versie 6.1). Tevens is de rekenwijze van VLW door deze wijzigingen conform het definitieve Meet en rekenvoorschrift, rekenmethode 2 van de wet Luchtkwaliteit [Staatscourant 3 november 2006, nr. 215 / pag. 20]. De nieuwe rekenwijze leidt ten opzichte van de vorige rekenwijze alleen tot significante verschillen bij hoge terreinruwheid en dichtbij de weg. Voor terrein ruwheden kleiner dan 1 meter zijn de verschillen zeer klein. Voor eventuele vragen met betrekking tot de softwaremodules kunt u terecht bij Rijkswaterstaat Dienst Weg en Waterbouwkunde: Dr. Paul Fortuin Postbus GA DELFT Vragen met betrekking tot de werking en implementatie van VLW kunnen worden gericht aan: Energieonderzoek Centrum Nederland Unit BK&M, Groep Luchtkwaliteit en Klimaatverandering Ir. A.T. Vermeulen Postbus ZG PETTEN 8 ECN-E

9 2. Opbouw van het VLW rekenhart De VLW-bibliotheek bestaat uit een softwaremodule in de vorm van een bibliotheek met routines voor 32 bits MS Windows tm applicaties: VLW270.DLL. De routines beschikbaar in deze module worden beschreven in de interface unit VLW.PAS. Deze twee bestanden worden ter beschikking gesteld aan alle gebruikers die door modeleigenaar RWS DWW aangemerkt worden als gebruiker. Daarnaast is er ten behoeve van ontwikkelaars een reeks programma's en units. Voorts wordt met de software meegeleverd de MS Access database die wordt gebruikt voor de opslag van gegevens. Bij levering bevatten deze tabellen de gegevens met betrekking tot een aantal testprojecten. Deze tabellen worden beschikbaar gesteld voor zowel gebruikers als ontwikkelaars. Voor het gebruik van de softwaremodules moet tenminste gebruik worden gemaakt van een Pentium III machine met 128 MB of meer RAM-geheugen en voldoende ruimte op de harde schijf (tenminste 100 Mb voor de rekenmodule) met daarop geïnstalleerd een versie van Windows XP of Windows NT. Ten behoeve van ontwikkelingsdoeleinden dient te worden beschikt over bijvoorbeeld Borland Delphi of een andere programmeertaal waarmee DLL's kunnen worden benaderd; bijvoorbeeld C ++ of Visual Basic. In dit geval moet de gebruiker er wel voor zorgen dat de in Pascal geschreven interface unit VLW.PAS wordt vertaald voor gebruik met de gekozen C of Basic omgeving. ECN-E

10 3. Modelbeschrijving 3.1 Inleiding De ontwikkelde software is gebaseerd op het model Car Special dat door TNO is ontwikkeld [Duijm & Melle, 1994a+b]. In dit model wordt voorzien in de berekening van concentraties en percentielen voor de korte en lange termijn. Het model kan deze berekeningen uitvoeren voor inerte componenten en stikstofoxiden, vooropgesteld dat de benodigde achtergrondgegevens bekend zijn. De korte-termijnberekeningen zijn in de VLW-modules niet opgenomen. Dit heeft te maken met het feit dat de berekeningsresultaten van de korte-termijnberekening vooralsnog niet voldoende betrouwbaar worden geacht. Daardoor kunnen de VLW-modules de volgende berekeningen uitvoeren: Emissieberekeningen. Concentratieberekeningen: te onderscheiden in eenvoudig en uitgebreid. Percentielberekeningen. Een aantal berekeningen, dat nodig zijn om de blootstelling nabij wegvakranden en gevels te kunnen bepalen. Hieronder zal in kort bestek worden beschreven hoe het model is opgebouwd; voor een nauwkeurige beschrijving wordt verwezen naar het literatuuroverzicht. 3.2 Emissieberekeningen Emissies worden als volgt bepaald: de gebruiker specificeert de gegevens van wegvakken waarover de emissieberekeningen moeten worden uitgevoerd. Dit betekent dat de coördinaten worden opgegeven en tevens gegevens worden ingevoerd over voertuigintensiteiten, gemiddelde voertuigsnelheid, aandeel vrachtverkeer etc. Op basis van zogenaamde parkemissiefactoren die zijn vastgesteld door het CBS kan worden vastgesteld wat de emissie van een wegvak is. Hierbij wordt in rekening gebracht de verkeersprestaties van de diverse voertuigcategorieën op het wegvak. Voor toekomstige jaren wordt een emissiereductie in rekening gebracht. Deze emissie gegevens worden jaarlijks door TNO WT/AVV geproduceerd en gepubliceerd door RIVM/MNP. De emissiegegevens worden gebruikt om in een later stadium concentratieberekeningen mee uit te voeren. 3.3 Concentratieberekeningen Concentratieberekeningen worden als volgt uitgevoerd: binnen een bepaald studiegebied wordt een tracé gedefinieerd en dit tracé wordt onderverdeeld in wegvakken. Aan elk van die wegvakken wordt een aantal kenmerkende eigenschappen toegekend, zoals de hoogteligging, of er bebouwing rond de wegvakken staat, of er sprake is van geluidwerende voorzieningen en begroeiing, etc. 10 ECN-E

11 Wind B=bron R=rekenpunt B Figuur 3.1 Wegsegment R Schematisch overzicht van de standaard rekensituatie voor VLW Vervolgens worden de wegvakken verdeeld in kleine wegsegmenten. Op het midden van elk van zo'n wegsegment bevindt zich een bronpositie. Afhankelijk van de soort berekeningen die moeten worden uitgevoerd worden de receptorposities bepaald. Dit zijn plaatsen waarop men de concentratie wil berekenen. Vervolgens wordt voor iedere receptor bepaald wat de bijdrage is van een bron op het wegvak. Deze berekening verloopt als volgt: vanuit de bron wordt een lijn getrokken naar de receptor en op deze lijn wordt een Gaussische pluim verondersteld. Het gaat er nu om te bepalen wat de grootte van de concentratie op een receptor is. Deze benadering vindt plaats met behulp van vergelijking 1: C br 2 E. d weg 1 z..exp 2π F RB 2 bcσ zu π σ z = 2 (1) Hierin is: E = de emissie [kg.m -1.s -1 ] d weg = een wegsegment [m] RB = de afstand van de bron tot de receptor [m] σ z = de initiële, verticale dispersiecoëfficiënt [m] C = een ruwheidafhankelijke correctiefactor [-] = Bomenfactor, zie onder voor toelichting F b z u = de hoogte van de receptor [m] = de windsnelheid, geclassificeerd op basis van de meteo locaties Schiphol of Eindhoven [m/s]. Aan de hand van de richting van B naar R wordt bepaald tot welke windsector de bijdrage C br behoort. C br wordt toegekend aan de richting van B naar R. De berekeningsresultaten van elke bronpositie worden opgeteld in een windroos (over het algemeen is deze windroos verdeeld in 12 sectoren (NNM:36)). De bijdrage wordt vermenigvuldigd met het aantal sectoren, dat de windroos bevat. ECN-E

12 De term σ z, de verticale dispersie coëfficiënt wordt in de NM-modus bepaald met behulp van de volgende vergelijkingen: σ = σ ( RB X 0) (2a) z z + σ = ( 0 ) (2b) z σ X 0 z Hierbij moet worden opgemerkt, dat de afstand RB wordt gecorrigeerd met de zogenaamde virtuele bronafstand X 0. De virtuele bronafstand brengt in rekening de initiële dispersiecoëfficiënt die behoort bij het wegvak. Deze initiële dispersiecoëfficiënt wordt bepaald door het type wegvak en heeft de waarde 1,5, in het geval van stedelijke wegen, 2 in het geval van provinciale wegen en 2,5 in het geval van autosnelwegen. De windsnelheid die wordt gebruikt moet worden gecorrigeerd voor de hoogte van de pluim op de plaats van de receptor Berekening van de verticale verspreidingscoëfficiënt (σ z) De verticale verspreidingscoëfficiënt zijn gefit aan de resultaten van berekeningen met het Nieuw Nationaal Model. De formules zijn als volgt: a RB σ z = + σ z0 (3) f ( R ) b b met een aanpassing voor grotere afstanden: 2 ( Rb / 2800) f ( R b ) = *(1 e ) (4) Parameters a en b zijn gefitte constanten die afhankelijk zijn van de lokale ruwheidslengte z 0. De waarden voor parameters a en b voor de vier klasses van ruwheidslengte worden gegeven in tabel 3.1. Tabel 3.1 Gefitte parameters voor de berekening van de verticale dispersiecoëfficiënt uit formule 3 Ruwheidslengte (m) a b De startwaarde voor de verticale dispersie σ z,0 hangt zogezegd af van het type omgeving: buiten de bebouwde kom, de weg is geen autosnelweg: σ z,0 = 2,0 [m], buiten de bebouwde kom, de weg is een autosnelweg: σ z,0 = 3 [m]. Op het moment dat het wegvak verhoogd of verdiept ligt ten opzichte van het maaiveld, wordt σ z,0 afhankelijk van het type verhoging of verdieping gecorrigeerd: talud: Er wordt een factor h/4 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h de hoogte van het talud is, viaduct: Er wordt een factor h bij σ z,0 opgeteld, waarbij h de hoogte van het viaduct is, dijk: Er wordt een factor h/2 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h de hoogte van de dijk is, tunnelbak: Er wordt een factor d/2 bij σ z,0 opgeteld, waarbij d de diepte van de tunnelbak is. 12 ECN-E

13 Op het moment dat er aan één of twee zijden op een afstand kleiner dan 50 meter van de wegrand een scherm of wal met een hoogte van tenminste 1 meter aanwezig is, wordt σ z,0 nogmaals gecorrigeerd, afhankelijk van de configuratie: aan de linker- of rechterzijde een scherm: Er wordt een factor h/2 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h de hoogte van het scherm is, aan de linker- en rechterzijde een scherm: Er wordt een factor (h1+h2)/2 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h1 en h2 de hoogten van de schermen zijn, aan de linker- of rechterzijde een wal: Er wordt een factor h/4 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h de hoogte van de wal is, aan de linker- en rechterzijde een wal: Er wordt een factor (h1+h2)/4 bij σ z,0 opgeteld, waarbij h1 en h2 de hoogten van de wallen zijn, aan de ene zijde een wal met hoogte h1, aan de andere zijde een scherm met hoogte h2: Er wordt een factor h1/4+h2/2 bij σ z,0 opgeteld. De maximale hoogte voor een wal of scherm is 6 meter De bomenfactor F b De bomenfactor is een maat voor de aanwezigheid van bomen. Er worden drie klassen onderscheiden: 1 hier en daar een boom of geheel niet. In dit geval is F b gelijk aan 1,00, 2 één of meer rijen bomen met een onderlinge afstand van minder dan 15 meter maar met openingen tussen de kronen, in dit geval is F b gelijk aan 1,25, 3 of één of meer rijen bomen waarvan de kronen elkaar raken, in dit geval is F b gelijk aan 1, Berekening van de emissie De emissie door het verkeer wordt voor zwaveldioxide, stikstofdioxide, stikstofoxiden, zwevende deeltjes (PM10), lood en koolmonoxide berekend met behulp van de volgende formule: 1000 E = N v ((1 ( f M + f Z )) EL + f MEM + f Z EZ ) (4) met: E = emissie [µg.m - 1.s-1]; N v = de verkeersintensiteit, zijnde het aantal voertuigen per etmaal; f M = fractie middelzware motorvoertuigen [-]; f Z = fractie zware motorvoertuigen [-]; E L = emissiefactor voor een licht motorvoertuig [µg/km]; E M = emissiefactor voor een middelzwaar motorvoertuig [µg/km]; E Z = emissiefactor voor zwaar motorvoertuig [µg/km] Ruwheidsafhankelijke correctiefactor De Correctiefactor C corrigeert voor een aantal effecten en wordt berekend met de volgende formule: C = C wind * C meteo * C etmaal (5) ECN-E

14 De correctie (C wind ) voor het snelheidsprofiel van de wind wordt berekend uit de hoogte van de pluim (z p ) en de gemiddelde stabiliteit van de atmosfeer. Voor de z p wordt aangenomen dat deze gelijk is aan 75% van de verticale pluimspreiding: z p = 0.75 σ z. C wind z p z p z ln( ) Ψ( ) + Ψ( 0 ) z0 L L = (6) z ln( 10 z ) ( 10 z Ψ ) + Ψ( 0 ) z L L 0 waarbij de correctie Ψ wordt gegeven door: 0.29z L ( 1 e ) z / Ψ ( ) = 17 (7) L De functie ψ is afhankelijk van de atmosferische stabiliteit door middel uitgedrukt in de zogenaamde Monin-Obukhov lengte (L). De factor C meteo corrigeert voor de effectieve omrekening van de ruwheid ter plaatse van Schiphol of Eindhoven naar de ruwheid waarbij wordt gerekend. De parameters zijn weergegeven in tabel 3.2. Tabel 3.2 Ruwheidslengte (m) Afhankelijkheid van L en C meteo van de ruwheidslengte L (m) C meteo SH (-) C meteo EH (-) ,7000 0, ,7050 0, ,6525 0, ,7400 0,7030 De correctiefactor voor verloop van de meteo over het etmaal corrigeert voor het feit dat een berekening over 24 individuele uurlijkse dispersies een ander resultaat geeft dan één enkele gemiddelde berekening voor die 24 uren. De waarde is in alle gevallen constant: C etmaal = Berekening van NO 2 concentraties De berekening van de jaargemiddelde concentratie voor NO 2 geschiedt met behulp van formule 1, echter de jaargemiddelde concentratiebijdrage van het verkeer voor stikstofdioxide is afhankelijk van: de jaargemiddelde bijdrage door het verkeer aan de concentratie stikstofoxiden (NO x ). Deze wordt berekend zoals de overige stoffen, met formule 1, en de chemische reacties in de atmosfeer, onder invloed van ozon, waardoor een deel van de NO wordt omgezet in NO ECN-E

15 De invloed van de chemische reacties dient te worden verdisconteerd voor een correcte berekening van de jaargemiddelde concentratie bijdrage. De jaargemiddelde concentratiebijdrage verkeer voor stikstofdioxide wordt bepaald aan de hand van de volgende formule: [ O3 ] Cb, jm [ NOx ] (1 [ NO ] (1 f ) + K B Ca, jm f NO ) 2 Cb jm [ NO ] = f NO Cb jm [ NOx ] + (5), 2 2, C b, jm x NO2 met: C b,jm [NO 2 ] = jaargemiddelde concentratiebijdrage verkeer aan NO 2 concentratie [µg/m 3 ] C b,jm [NO x ] = jaargemiddelde concentratiebijdrage verkeer aan NO X concentratie [µg/m 3 ] C a,jm [O 3 ] = jaargemiddelde grootschalige concentratie ozon (O 3 ) [µg/m 3 ] f NO2 = gewogen fractie direct uitgestoten NO 2 [-]. Deze factor is empirisch vastgesteld en bedraagt 0,05 B, K = empirisch bepaalde parameters voor de omzetting van NO naar NO 2. De parameters voor B en K zijn empirisch vastgesteld en bedragen B [-] = 1,0 K [µg/m3] = 100 Formule 5 wordt toegepast op de afzonderlijk berekende concentraties per windsector, waarbij ook de achtergrondconcentraties per windsector berekend worden. Minimaal worden 12 windsectoren onderscheiden. Na berekening van de concentraties per windsector wordt de gewogen gemiddelde concentratie berekend aan de hand van de frequentie van voorkomen van de windrichting per onderscheiden windsector voor de bijbehorende meteorologische periode. 3.5 Afstand bron-receptor: dweg Bij de berekening van de term dweg wordt de volgende methode gehanteerd. Eerst wordt de afstand van de bron naar de receptor bepaald en dweg wordt dan gelijk gesteld aan een kleine fractie van deze afstand (gebruikelijk is 1 %). dweg wordt nu afgepast op het wegvak, te beginnen bij de linkercoördinaat. Elke keer dat een stukje dweg is afgepast, wordt dweg opnieuw berekend, te beginnen bij de nieuwe linkercoördinaat. 3.6 Meteorologische gegevens Voor het berekenen van windsnelheden wordt in de NM-modus gebruik gemaakt van meteorologische gegevens met betrekking tot frequenties. In de NNM modus wordt simpelweg gebruik gemaakt van de aktuele windgegevens. In de NM modus wordt onderscheid gemaakt in drie windsnelheidsklassen. De gegevens worden opgeslagen in een windroos die in de meeste gevallen zal bestaan uit 12 sectoren. Aan de hand van de frequentiegegevens kan de potentiële snelheid worden bepaald. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de volgende vergelijking u pot f ( α,1) + f ( α,2) + f ( α,3) ( α) = (6) f ( α,1). c1 f ( α,2). c f (,3). c 2 α , α = de hoek van de windsector in de windroos [ ] f α,1 = frequentie van voorkomen van potentiële windsnelheid klasse 1 [h -1 ] f α,2 = frequentie van voorkomen van potentiële windsnelheid klasse 2 [h -1 ] f α,3 = frequentie van voorkomen van potentiële windsnelheid klasse 3 [h -1 ] ECN-E

16 c 1 = correctie factor potentiële windsnelheid klasse 1 voor de nachtelijke uren [-]. (= 0,8) c 2 = correctie factor potentiële windsnelheid klasse 2 voor de nachtelijke uren [-]. (= 1,0) c 3 = correctie factor potentiële windsnelheid klasse 3 voor de nachtelijke uren [-]. (= 1,1) De termen c 1,2,3 zijn correctiefactoren voor nachtelijke uren. f (α, ) is hierbij de frequentie van één van de drie windsnelheidsklassen voor de hoek α. Gebruikmakend van de meteofrequenties kan een middeling plaatsvinden van de concentratiebijdragen aan de sectoren in de windroos die gevuld is met directe bijdragen en recirculatiebijdragen. De drie windsnelheidklassen zijn: 1. windsnelheden van 0 tot en met 2,75 m/s; 2. windsnelheden van 2,75 tot en met 5,75 m/s; 3. windsnelheden groter dan 5,75 m/s. 3.7 Lange-termijn gemiddelde concentratie De lange-termijn gemiddelde concentratie wordt berekend door de directe bijdrage in rekening te brengen. Dit gebeurt door de concentratiebijdragen, die zijn vermenigvuldigd met het aantal sectoren, te vermenigvuldigen met de overeenstemmende meteofrequenties. Voor de recirculatiebijdrage kan dit door het gemiddelde per sector te bepalen. Overigens moet deze middeling voor recirculatiebijdragen plaatsvinden over alle sectoren en over alle wegvakken. Dit betekent dat bij het bepalen van recirculatie bijdragen moet worden gecontroleerd uit welke wegvakken de bijdragen afkomstig zijn. De gemiddelde waarden per wegvak worden dan opgeteld. De totale jaargemiddelde concentratie kan nu worden berekend met behulp van de volgende vergelijking: nb ( conc ( i, j) = weegfactor( k). Csec ( j + k) ) (7) rtot Waarbij: k = nb gem 2 8 = k weegfactor ( k) exp (8) nhk 2 nhk 3.8 Berekening van de percentielwaarden In een aantal gevallen is het noodzakelijk niet alleen de gemiddelde concentratie te berekenen maar om ook een of meer percentielwaardes vast te stellen. De berekening van deze percentielwaarde kan in de NM modus plaatsvinden op basis van de gegevens zoals deze zijn gevonden bij de concentratieberekeningen en die zich nog steeds in de windroos bevinden. Voor het berekenen van percentielwaarden moeten de achtergrondconcentraties bekend zijn, omdat anders geen goed beeld van de percentielwaarde kan worden verkregen. De eerste stap in de NMmodus bij het berekenen van percentielwaarden is het omzetten van de windroos die de concentratiegegevens bevat, in een windroos die concentraties voor percentielberekeningen bevat. Hiervoor wordt vergelijking 9 gebruikt φ exp 1 r, R k c( jr ) = +. c ( ) 2 2 sec gem j R + k nhk πσ φ σ ϕ (9) 16 ECN-E

17 Het aantal sectoren van de concentratieroos voor de percentielberekeningen is veel groter dan het aantal sectoren ten behoeve van concentratieberekeningen, meestal 36 of 72. Dit is noodzakelijk om met voldoende nauwkeurigheid de percentielwaarde te kunnen vinden. In vergelijking 10 is de term ϕ de hoek tussen de smalle sector van een percentielroos en de grote sector van een concentratieroos. De grootte van deze hoek zal dus wijzigen, afhankelijk voor welke sector de concentratiewaarden worden bepaald. De term σ φ is een maat voor de openingshoek van een Gaussische pluim, deze is afhankelijk van de middelingstijd. Dat betekent indien percentielwaarden worden bepaald voor alle middelingstijden van 1 uur, dat σ φ met behulp van vergelijking 10 opnieuw moet worden bepaald. n σ ϕ ( t uur) = σ ϕ (1 uur). t (10) 3.9 Bijdragen van achtergrondconcentraties Niet alleen de berekende bijdragen moeten in rekening worden gebracht, ook de invloed van de achtergrond moet worden verdisconteerd. Hiervoor moet worden beschikt over een set van achtergrondgegevens, die moet worden vertaald naar reële bijdragen, waarbij rekening wordt gehouden met de voorkomende meteofrequenties. Deze waarden moeten door middel van interpolatie worden bepaald. Dit verloopt als volgt. In de percentielroos wordt een sector gekozen. In het midden van deze sector wordt de hoek bepaald en vervolgens wordt in de roos met achtergrondconcentraties gekeken welke twee sectoren het best bij deze hoek aansluiten. In het midden van deze twee sectoren worden de meteofrequenties bepaald en deze meteofrequenties worden vermenigvuldigd met de bij die sectoren behorende achtergrondconcentraties. Aan de hand van de hoek van de percentielroos wordt geïnterpoleerd tussen de twee zojuist berekende produkten. Deze waarde wordt vervolgens gedeeld door de meteofrequentie die behoort bij de gezochte hoek. Dit leidt dan tot de achtergrondconcentratie van de te berekenen sector De overschrijdingskans Nu de achtergrondbijdragen en de percentielbijdragen zijn berekend kan de totale lange-termijn gemiddelde concentratie voor de percentielsectoren worden bepaald door deze waarden op te tellen. Vervolgens moet de overschrijdingskans voor een zekere concentratie C1 worden berekend, waarbij C1 wordt berekend met behulp van de volgende vergelijking: P c = p( jr ) PC ( jr ) (11) 1 1 r De term PC1 is beschreven in bijlage I (bijlage berekening PC1 uit Car Special 2). De gezochte percentielwaarde is die concentratie C1 waarbij de term PC1 gelijk is aan het gewenste percentiel. Dit betekent dus dat C1 iteratief moet worden bepaald. Dit wordt in VLW opgelost met behulp van de Regula Falsi methode (Panofski et al, 1992) Blootstellingsberekeningen In het algemeen worden receptorposities gekozen volgens de zogenaamde traversebenadering, dit wil zeggen dat ter linker en ter rechterzijde van het wegvak op afstanden van 5, 10, 20, 50, 100 en 500 m receptorposities worden gekozen. In het geval dat blootstellingsberekeningen moeten worden uitgevoerd zijn er twee mogelijkheden; of de berekeningen moeten plaatsvinden op afstanden van plus of min 20 m van het wegvak; of er moeten receptorposities worden gekozen op gevellijnen. Dit zal in een aantal gevallen als consequentie hebben dat de randvoorwaarden zoals die zijn geformuleerd niet altijd meer van toepassing kunnen zijn. Gevels, geluidwerende voorzieningen etc. zullen onder die omstandigheden worden genegeeerd. Bij blootstelling ECN-E

18 nabij gevels zullen de receptorposities worden berekend op een afstand van 1 m van de gegvellijn (in het midden van de gevellijn) Zeezoutcorrectie In het nieuwe besluit luchtkwaliteit 2005 staat in artikel 5 dat concentraties die zich van nature in de lucht bevinden en die niet schadelijk zijn voor de gezondheid van de mens, worden bij het beoordelen van de luchtkwaliteit voor zwevende deeltjes (PM 10 ) buiten beschouwing gelaten. Een component van de zwevende deeltjes die voor deze uitsluiting in aanmerking komt is het zeezout. Met inachtneming van een vrij grote onnauwkeurigheid is door RIVM/TNO een schatting gemaakt van het effect van de correctie voor zeezout op zowel de jaargemiddelde PM 10 concentraties als op het aantal dagen met een concentratie boven 50 µg.m -3. Deze voorlopige analyse zal op een termijn van 1-2 jaar vervangen moeten worden door een meer nauwkeurige schatting. De jaargemiddelde concentratie zeezout verloopt naar schatting vanaf de kust van 7 µg/m3 naar ongeveer 3 µg.m -3 aan de oostgrens. De correctie voor zeezout wordt uitgevoerd door dit jaargemiddelde zeezoutconcentratie af te trekken van de al uitgerekende jaargemiddelde achtergrondconcentratie. De zeezoutconcentratie wordt voor VLW beschikbaar gesteld in de vorm van een grid voor Nederland. Indien VLW wordt aangegeven via de configuratie tabel CONVLW, variabele ZEEZOUTCORR, dat zeezoutcorrecties op de PM 10 achtergrondconcentraties uit de GCN database moeten worden uitgevoerd zal VLW een bestand laden (zeezout.asc) met de vergridde schattingen van de zeezoutconcentraties. Vervolgens wordt voor ieder receptorpunt de zeezoutcorrectiewaarde van de GCN PM 10 achtergrondconcentratie afgetrokken. Figuur 3.2 Gemiddelde zeezout correctie in een grid over Nederland (uit: Hoogerbrugge et al., 2005) 18 ECN-E

19 3.11 Invloed van congestie op emissies In het geval van congestie en het optreden van zware spitsdrukte of zelfs files is sprake van een toename van de emissies van het verkeer ten opzichte van een situatie met vrije doorstroming van het verkeer. In VLW is de invloed van congestie op de emissies en de resulterende concentraties langs de snelweg te benaderen met behulp van zogenaamde congestiefactoren. In de wegvak tabel kan aangegeven worden welke wegvakken eventueel beïnvloed zijn door congestie door te verwijzen naar een record in de CONGESTIE tabel. De CONGESTIE tabel bevat records die een bepaald type congestie beschrijven waardoor het aantal auto s en vrachtauto s in de file en/of spits te definiëren is. Een of meer wegvakken kunnen verwijzen naar gelijke records in de CONGESTIE tabel. Tevens kan opgegeven worden wat de gemiddelde snelheid van het verkeer is in de spitssituatie of in de file. Indien deze snelheden kleiner of gelijk aan 0 gegeven zijn, dan worden vervolgens de congestiefactoren gebruikt uit de tabel CONGFACTOREN. Deze tabel bevat per voertuigtype en component voor de congestietypes de relatieve veranderingen in de emissies ten opzichte van de standaard berekende emissies. Zijn de snelheden gegeven in de CONGESTIE tabel niet nul, dan worden deze snelheden gebruikt in plaats van de standaard snelheden om de emissies te bepalen van de fractie van het verkeer dat in de file cq. spits passeert GCN dubbeltelling correctie Het MNP produceert jaarlijks kaarten met generieke concentraties voor diverse luchtverontreinigende stoffen in Nederland (GCN) op basis van metingen en modelberekeningen voor een bepaald verleden jaar en op basis van toekomstscenario s en modellen voor komende jaren. Deze kaarten zijn bedoeld voor het geven van een grootschalig beeld van de luchtkwaliteit in Nederland. Het MNP gebruikt deze kaarten bij evaluerende studies. Ten behoeve van rapportageverplichtingen in het kader van het Besluit Luchtkwaliteit worden de kaarten beschikbaar gesteld als achtergrondconcentraties in modelberekeningen CAR II en het Nieuwe Nationale Model (NNM) (Hoogerbrugge et al, 2005) Nauwkeurigheid De GCN kaarten zijn gebaseerd op de best beschikbare informatie, zoals die door het MNP wordt gebruikt bij zijn evaluaties en verkenningen. De nauwkeurigheid van de informatie in de kaarten wordt door een aantal factoren beïnvloed. Naast de nauwkeurigheid van het gebruikte model zijn er nog enkele andere bronnen van onzekerheid te noemen. Het detailniveau van de gebruikte informatie over emissiebronnen in binnen- en buitenland kent om praktische redenen zijn beperkingen. Hetzelfde geldt voor meteorologische en omgevingsfactoren die van invloed zijn op de verspreiding van luchtverontreiniging. Binnen een gridcel is bovendien de werkelijke concentratie niet overal gelijk. Een onzekerheidsmarge rond de weergegeven waarden is het gevolg. De onzekerheid bedraagt, afhankelijk van stof en jaar, van 15 tot 55% voor concentraties Dubbeltelling Bij de bepaling van de luchtkwaliteit in een lokale situatie, bijvoorbeeld rond een verkeersweg, wordt de lokale bijdrage van de weg berekend en opgeteld bij de achtergrondconcentratie. De achtergrondconcentratie is de concentratie die op de betreffende locatie optreedt zonder bijdrage van de verkeersweg. Grootschalige concentraties worden toegepast als benadering van de achtergrondconcentratie. Dit is het geval in onder meer CAR II en het Nieuw Nationaal Model (NNM) en in VLW. Zeer grote bronnen, zoals drukke rijkswegen, kunnen een significante bijdrage in de grootschalige concentratie hebben. Bij gebruik van de grootschalige concentratie als achtergrondconcen- ECN-E

20 tratie is dan sprake van dubbeltelling. Indien normoverschrijding in het geding is, kan correctie voor dubbeltelling wenselijk zijn. Bij nieuwe bronnen is dubbeltelling niet aan de orde, omdat bij de berekening van de grootschalige concentraties alleen rekening wordt gehouden met bestaande bronnen De correctie in VLW De correctie van deze dubbeltelling in VLW vindt plaats volgens de aanbevelingen in Hoogerbrugge (2005). Indien aangegeven in de tabel CONVLW, variabele GCNDUBBELCORR zal in het geval van transectberekeningen (user defined of standaard) voor iedere receptorpunt op een transect deze correctie plaatsvinden voor alle berekende stoffen. De rekenwijze die hierbij gevolgd wordt is dat voor ieder transect ter weerszijden van de weg extra receptorpunten worden neergelegd op exact 25 meter loodrecht op het midden van het beschouwde weggedeelte. De bijdrage van de weg op de concentraties voor de relevante stoffen (C 25 ) wordt gebruikt voor het berekenen van de vermindering op de GCN achtergrondswaarde ( ) als functie van de afstand ( x ) tot de weg. Daarvoor worden de volgende formules gebruikt voor alle stoffen behalve NO2: 5000 x = p * C 25 m * (x >500m) 4500 = (x <500m) p * C25m De factor p is afhankelijk van de beschouwde component maar ligt gemiddeld op 0,08. Voor NO 2 is de berekening iets gecompliceerder. Hierbij speelt tevens de berekende GCN achtergrond concentratie voor NO 2 (C GCN ) een rol: ( 0.53* C * C ) GCN m 5000 x = C25m (x >500m) ( 0.53* C * C ) GCN m = C25m (x <500m) 100 De nauwkeurigheid van de aldus berekende correcties ligt in de orde van grootte van 50%. Voor een snelweg met redelijk hoge verkeersintensiteiten ligt de correctie voor NO 2 in de orde van grootte van 1-5 µg.m -3. Voor PM 10 ligt de correctie in de orde van grootte van 0,1-0,3 µg.m ECN-E

21 Referenties Boeft, J. den (1992): Beschrijving van de Rekenprocedure ten behoeve van de geautomatiseerde versie van het Voorspellingssysteem Luchtkwaliteit Wegtracevarianten (VLW-systeem). IMW-TNO-rapport R92/267. Duijm, N.J. en A. van Melle (1992): Ontwikkeling van CAR-Special, deel 1, Evaluatie van het TNO-Verkeersmodel. IMET-TNO-rapport Duijm, N.J. en A. van Melle (1992): Ontwikkeling van CAR-Special, deel 2, Modelbeschrijving van CAR-Special. IMET-TNO-rapport ECN TSC (2002): VLWPrepare handleiding. Haan, M. de, E. Scheper en J. Aben (2002): GCN-Lib versie 1.0; Functionele en technische documentatie. Update van 14 maart Bilthoven, RIVM. Hoogerbrugge, R. (2005): Het effect van dubbeltelling bij luchtkwaliteits berekeningen in de buurt van bestaande snelwegen. RIVM-MEV, juli Hoogerbrugge, R, J Matthijsen, H van Jaarsveld, M Schaap en H. Denier van der Gon (2005): Aanbeveling voor een voorlopige regeling voor de correctie van fijn stof (PM10) concentraties voor de bijdrage van zeezout. RIVM-MEV juli 2005 notitie. Infomil/CE (2001): Handreiking Besluit Luchtkwaliteit. KEMA (2001): Documentatie Stacks 4.1; Nieuw Nationaal Model, een gedetailleerde beschrijving. Arnhem, KEMA. Press, W.H., B.P. Flannery, S.A. Teukolsky and W.T. Vetterling (1992): Secant Method, False Position Method, and Ridders' Method. 9.2 in Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp Projectgroep Revisie Nationaal model (1998): Model voor de verspreiding van luchtverontreiniging uit bronnen over korte afstanden; rapportage over het onderzoek Revisie Nationaal Model en de besluitvorming daarover in de begeleidingscommissie. Den Haag, Infomil, ISBN Vermeulen, A.T. (2000): Verkennend onderzoek modernisering VLW. Petten, ECN rapport ECN-C Vermeulen, A.T. (1999): VLW Rekenmodule V1.20; Vergelijkingsrapport. Delft, RWS-DWW. Vermeulen, A.T., G.J. de Groot, J.P. Wesselink, J.J. Erbrink en K. Hollander (2004): Het VLW model - Vergelijking en afstemming van het VLW met het Kema-Verkeersmodel NNM+ en het TNO-Verkeersmodel. ECN, rapport ECN-C Vermeulen, A.T., N. Domburg, P. Seignette en D. van Dok (2004): Update VLW Rekenhart versie Petten, ECN, rapport ECN-C Vermeulen A.T. (2005): Handleiding systeembeheer VLW versie Petten, ECN, intern rapport. ECN-E