پایان نامه تعیین تغییرات مکانی آلودگی های منواکسیدکربن و ذرات معلق در شهر تهران با استفاده از تکنیکهای درون‌یابی در محیط GIS

نویسنده:  ایمان بهارلو قره بلطاقی
استاد راهنما: دکتر علی اکبر متکان- دکتر علیرضا شکیبا
استاد مشاور: مهندس سید حسین پور علی
تاریخ شروع: ۱۳۸۸/۱۰/۱۵
دانشگاه: شهید بهشتی
مقطع: کارشناسی ارشد
رشته تحصیلی: سنجش از دور و GIS

چکیده

کلید واژه¬ها: GIS، آلودگی هوا، درونیابی، Land Use Regression
یکی از معضلات اساسی شهرهای بزرگ جهان پدیدۀ آلودگی هوا می باشد. کشور ایران به خصوص شهر تهران نیز از این پدیده مصون نیست، به طوریکه سالانه شاهد خسارات مالی، جانی و اجتماعی قابل توجهی متأثر از آلودگی هستیم.
 آلودگی هوای این شهر اغلب ناشی از منابع ثابت و متحرک آلوده کننده می باشد که مهمترین آلاینده های این شهر CO وPM10 می¬باشند، از این رو در تحقیق حاضر ابتدا روشهای مختلف درونیابی جهت تولید نقشه های کیفیت هوای حاصل از این دو آلاینده مورد ارزیابی قرار گرفتند و سپس با استفاده از روش درونیابی بهینه نقشه های کیفیت هوای حاصل از این دو آلاینده برای همه روزهای سال ۸۴ تولید گردید. همچنین از آنجایی که آلودگی هوا با عوامل متعددی از قبیل توپوگرافی، اقلیم، جمعیت، شبکه حمل  و  نقل، صنعت در ارتباط است، با استفاده از روش LUR مهمترین عوامل موثر در تولید هر یک از این دو آلاینده تعیین گردید و در ادامه با استفاده از همین روش  به مدلسازی  این دو آلاینده در فصل بهار پرداخته شد.
نتایج حاصله نشان داد که برای درونیابی داده های آلاینده CO روش کوکریجینگ همراه با سه پارامتر دما، جهت باد و سرعت باد مناسب ترین روش می باشد، در حالی که برای آلاینده PM10 روش Spline نتایج بهتری را ارائه می دهد. همچنین نتایج حاصل از مدل LUR نشان داد که مهمترین عامل موثر بر روی آلاینده CO حجم ترافیک می باشد در حالی که مهمترین عامل موثر بر روی آلاینده PM10 وجود اماکن صنعتی می باشد.

خلاصه
آلودگی هوا یکی از مشکلات عمده در اکثر کشورهای جهان می باشد. چون آلودگی هوا از منابع مختلف سرچشمه می-گیرد در نتیجه می توان با توسعه سیستم های مدیریتی تا حدود بسیار زیادی این مشکل را کنترل نمود. برای کنترل کردن آلودگی هوا نیازمند فاکتورهای متعددی هستیم . یکی از این فاکتورها، نیاز به  سیستمی نیرومند و کارآمد که بتواند داده های مختلف را به شکل مناسب جمع آوری، ذخیره، بازیابی و پردازش نماید، می باشد. با توجه به کارایی  و فراگیری سیستم اطلاعات مکانی در زمینه های مختلف می توان از این سیستم به عنوان یک سیستم حمایت از تصمیمات مدیریتی استفاده نمود. یکی از مشکلات عمده در مدیریت کیفیت هوا، شناسایی مکانهایی است که آلودگی هوا در آن مکان از حد استاندارد بالاتر  باشد. ایستگاه های سنجش آلودگی هوا فقط در مکان های خاص نصب شده اند و فقط همان مکان خاص تا شعاع محدودی را پوشش می دهند. برای بررسی کیفیت هوا در کل منطقه مورد نظر باید این اطلاعات نقطه ای را به اطلاعات سطحی تبدیل کنیم. یکی از روشهای موثر و کارآمد برای این کار استفاده از تکنیکهای درونیابی می باشد. از آنجایی که دقت سطح نهایی تولید شده وابسته به نوع الگوریتم مورد استفاده می باشد. در این تحقیق  دقت تکنیکهای  مختلف درونیابی را جهت تولید نقشه های کیفیت هوای آلاینده های CO و PM10 در شهر تهران ارزیابی می کنیم. نتایج این مقاله نشان داد که برای تولید نقشه های آلاینده COبهترین روش استفاده از الگوریتم کوکریجینگ همرا با سه پارامتر دما، جهت باد و سرعت باد می باشد. و برای آلاینده PM10 استفاده از روش اسپیلاین نتایج بهتری را به ما ارائه می دهد.
واژگان کلیدی : درونیابی، همبستگی اسپیرمن،  ارزیابی دقت، Spline، IDW، Global Polynomial،  Local Polynomial ،   Kriging وCoKriging ،سمی واریوگرام، شاخص کیفیت هوا
مقدمه
تهران یکی از آلوده ترین شهرهای جهان به شمار می رود. آلودگی این شهر با عوامل متعددی همچون: توپوگرافی، اقلیم، جمعیت ، شبکه حمل و نقل، صنعت در ارتباط است و عمده آلاینده هایی که باعث آلودگی هوای شهر تهران شده اند عبارتند از: منواکسید کربن (CO)، دی اکسید گوگرد (SO2)، دی  اکسید نیتروژن (NO2)، ازن (O3) و ذرات معلق (PM10). آلودگی هوا تاثیر مستقیمی بر سلامتی انسان دارد لذا دانستن مکانهای با آلودگی  بیش از حد استاندارد ضروری می باشد. برای دانستن میزان آلودگی هوا سازمان محیط زیست و شرکت کنترل کیفیت هوا اقدام به نصب ایستگاههای سنجش آلاینده های  موجود در  هوا در برخی مکان ها نموده است . این اطلاعات به صورت نقطه ای بوده و فقط همان مناطق خاص را تا شعاع محدودی پوشش می دهد اما از آنجایی که ما به دنبال تخمین آلودگی هوا در کل منطقه مطالعاتی هستیم باید این اطلاعات نقطه¬ای را به اطلاعات سطحی تبدیل کنیم. برای تبدیل اطلاعات نقطه ای به اطلاعات سطحی یکی از کارامدترین روشها استفاده از روشهای  درونیابی می باشد. انواع روشهای مختلف درونیابی شامل  Spline، IDW، Global Polynomial،  Local Polynomia ، Kriging و CoKriging می باشند. چون در تهران دو آلاینده منواکسیدکربن و ذرات معلق بیشترین سهم را در آلودگی  هوا دارند لذا تنها برای این دو آلاینده دقت روشهای مختلف درونیابی را تعیین می کنیم. همچنین برای استفاده از روش . CoKriging از پارامتر های  هواشناسی مانند دما، جهت باد و سرعت باد به عنوان پارامترهای کمکی استفاده می شود.
روش کار
در سال ۸۴ کلاً ۱۱ ایستگاه سنجش آلودگی هوا وجود داشته است که از این ۱۱ ایستگاه، ۷ ایستگاه زیر نظر سازمان محیط زیست و ۴ ایستگاه زیر نظر شرکت کنترل کیفیت هوا می باشند. ایستگاه های زیر نظر سازمان محیط زیست شامل آزادی، بهمن، قلهک،سرخه حصار، پردیسان، تجریش و ویلا می باشند. و ایستگاه های زیر نظر شرکت کنترل کیفیت هوا شامل اقدسیه، فاطمی، بازار و مهرآباد و نیز دو ایستگاه هواشناسی دیگر شامل رسالت و تهرانسر می باشند. کلیه این ایستگاه ها مقدار آلودگی هر یک از آلاینده¬های اصلی را به صورت ساعت به ساعت اندازه گیری می کنند. برای تعیین بهترین روش درونیابی برای این دو آلاینده به صورت زیر عمل کردیم. طبق شاخص  AQI برای محاسبه CO  روزانه باید از میانگین ۸ ساعته و برای PM10 از میانگین ۲۴ ساعته استفاده شد. برای CO هر روز ۳ نوبت ۸ ساعته از ۱۲ شب تا ۸ صبح فردا به عنوان نوبت اول و از ۸ تا ۱۶ بعد از ظهر به عنوان نوبت دوم و از ۱۶ تا ۲۴ به عنوان نوبت سوم در نظر گرفته شد. در نتیجه برای تمامی ۱۱ ایستگاه ما میانگین هر ۸ ساعت آنها برای تمامی روزهای  سال ۸۴ را محاسبه کردیم. و برای PM10 برای تمامی ایستگاه ها میانگین ۲۴ ساعته را برای تمامی روزهای سال ۸۴ محاسبه کردیم. چون مقدار این دو آلاینده برای هر یک از روزهای سال متفاوت می¬¬باشد به طور مثال در فصل بهار به دلیل کم بودن مقادیر این دو آلاینده دامنه تغییرات برای هر یک از این دو آلاینده کم می باشد. و این باعث کم شدن  مقدار MSE می شود و در فصل تابستان و پائیز چون دامنه تغییرات زیاد می شود در نتیجه مقدار MSE نیز زیاد می-شود. به همین علت برای به دست آوردن مقدار خطا برای هر یک از آلاینده ها ابتدا  برای هر ماه ۳ روز آن را به طور کاملاً تصادفی انتخاب کردیم در نتیجه ما از ۳۶۵ روز در سال ۸۴ یک نمونه تصادفی ۳۶ روزه را انتخاب کردیم. با استفاده از کلیه روشهای درونیابی که شامل ۳۶ روش متفاوت برای CO و ۲۸ روش برای PM10 بوده، تمامی روشهای درونیابی را انجام می دهیم. همچنین در هنگام استفاده از روش کوکریجینگ علاوه بر اینکه از اطلاعات این ۱۱ ایستگاه استفاده می شود از اطلاعات دو ایستگاه هواشناسی تهرانسر و رسالت نیز استفاده کردیم. و از پارامترهای هواشناسی که شامل دما، جهت باد و سرعت باد که با این دو آلاینده  همبستگی دارند نیز استفاده شد. باید به این نکته توجه شود که اطلاعات دما، جهت باد و سرعت باد در همه ایستگاه های سنجش آلودگی(به جز ایستگاه مهرآباد و ویلا که اطلاعات این پارامترها موجود نبود) همزمان با سنجش آلاینده های اصلی اندازه گیری می شوند و این مشکل همزمانی داده های متغیر اصلی با متغیر های کمکی را حل می نماید. برای آلاینده PM10 ما از ۱۰ ایستگاه استفاده کردیم چون داده های این آلاینده برای ایستگاه مهرآباد موجود نبود.
نقشه ۱ موقعیت هر یک از ایستگاه های سنجش آلودگی و ایستگاه های هواشناسی را نمایش می دهد. همانطور که مشاهده می شود ایستگاهها به صورت نامنظم پراکنده شده اند .