Интегрированный подход к оценке качества воздуха: разработка комплексного индекса

Введение

Важность оценки качества воздуха неоспорима в современном мире, где загрязнение воздуха становится все более серьезной проблемой. Существует множество методов и индексов для измерения качества воздуха, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Настоящее исследование направлено на разработку комплексного индекса чистоты воздуха (A), который объединяет несколько ключевых параметров воздушной среды.

Краткий обзор существующих методов и индексов качества воздуха

1. AQI (Индекс качества воздуха) [1, с. 142-156]

• AQI – это стандартизированный индикатор качества воздуха, используемый по всему миру. Он оценивает уровень загрязнения воздуха и его потенциальное воздействие на здоровье.
• Параметры включают концентрации основных загрязнителей, таких как озон (O3), диоксид азота (NO2), диоксид серы (SO2), мелкодисперсные частицы (PM2.5) и крупнодисперсные частицы (PM10).
• Шкалы обычно варьируется от 0 до 500, где более высокие значения указывают на более плохое качество воздуха и больший риск для здоровья.

2. Индекс LPI (Лондонский индекс загрязнения) [2, с. 34-45]

• Описание: используется в Великобритании, данный индекс измеряет уровни загрязнения воздуха в Лондоне.
• Параметры: основывается на измерении уровней таких загрязнителей, как озон, оксиды азота, частицы PM10.
• Особенности: включает в себя рекомендации для различных групп населения в зависимости от текущего уровня загрязнения.

3. Индекс API (Индекс загрязнения воздуха) [3, с. 112-120]

• Описание: широко используемый в Азии, этот индекс обеспечивает быстрый и понятный показатель качества воздуха.
• Параметры: оценивает уровень загрязнения на основе нескольких загрязнителей, включая PM10, CO, SO2, NO2 и O3.
• Шкала: варьируется, обычно от 0 до 500, с похожей на AQI системой оценки рисков для здоровья.

4. Индекс PurpleAir [4, с. 215-233]

• Описание: Разработан с использованием данных сети датчиков PurpleAir, которые предоставляют информацию о PM2.5 в реальном времени.
• Параметры: Основной упор на измерение частиц PM2.5, ключевого показателя загрязнения воздуха.
• Технологии: Использование современных технологий для предоставления данных в режиме реального времени и доступности для широкой публики.

Эти методы и индексы представляют различные подходы к оценке качества воздуха, каждый со своими уникальными аспектами и методологиями. Наш новый индекс, основанный на данных с датчиков GP2Y1010AU0F, DHT11 и CCS811, может внести важный вклад в эту область, предложив новый способ оценки с учетом различных параметров окружающей среды.

Теоретический обзор

Ключевыми параметрами качества воздуха являются концентрация частиц, температура, влажность и уровень CO2. В данной работе используются три типа датчиков: GP2Y1010AU0F для измерения частиц, DHT11 для температуры и влажности, а CCS811 для уровня CO2. Эти датчики выбраны за их точность и доступность.

Методология

Индекс чистоты воздуха (A) рассчитывается как взвешенная сумма измерений, полученных от каждого датчика. Важной частью методологии является сбор и анализ данных с датчиков, а также калибровка и валидация этих датчиков для обеспечения точности измерений.

В результате тестов получаем данные:

Данные с датчиков:

GP2Y1010AU0F (концентрация частиц, PD): 35 µg/m³

DHT11 (температура, T): 22°C

DHT11 (влажность, H): 45%

CCS811 (уровень CO2, CO2): 400 ppm

Весовые коэффициенты:

W PD (вес для PD): 0.3

W CO2 (вес для CO2): 0.3

W T (вес для T): 0.2

W H (вес для H): 0.2

Используя эти данные, мы рассчитаем индекс чистоты воздуха (A) по формуле:

Вставляя предоставленные данные, получаем:

вычислим это значение.

Расчет индекса чистоты воздуха (A) на основе предоставленных данных и весовых коэффициентов дает значение примерно 143.9. Это значение индекса может использоваться для оценки общего качества воздуха в данной среде.

Математическое обоснование уравнения индекса чистоты воздуха (A)

1. Выбор параметров: Индекс A интегрирует ключевые показатели качества воздуха – концентрацию частиц (PD), уровень CO2 (CO2), температуру (T) и влажность (H), каждый из которых существенно влияет на общее состояние воздушной среды.

2. Весовые коэффициенты: присваиваются в соответствии с относительным вкладом каждого параметра в общую оценку качества воздуха. Эти коэффициенты (W PD, W CO2, W T, W H) определяются на основе аналитического обзора и экспертных оценок.

3. Формулировка уравнения: Индекс A вычисляется как нормированная взвешенная сумма измеренных параметров:

Это уравнение обеспечивает комплексную метрику, отражающую многофакторное состояние атмосферного воздуха.

4. Анализ чувствительности:

Исходные данные: определим базовые значения параметров и весовых коэффициентов, например:

PD = 35 µg/m³, W PD = 0.3

CO2 = 400 ppm, W CO2 = 0.3

T = 22°C, W T = 0.2

H = 45%, W H = 0.2

Вариация одного параметра: изменяем значение одного из параметров, сохраняя остальные постоянными. Например, увеличим PD до 50 µg/m³ и рассчитаем индекс A.

Анализ влияния изменения: сравним новое значение индекса A с базовым, чтобы оценить влияние изменения конкретного параметра.

Вариация Весового Коэффициента: изменяем весовой коэффициент одного из параметров, например, увеличим W PD до 0.4, сохраняя изначальные значения параметров.

Расчет и сравнение: повторяем расчет индекса A с измененным весовым коэффициентом и сравниваем с базовым значением.

Систематический подход: повторяем шаги 2–5 для каждого параметра и его весового коэффициента, чтобы полностью оценить чувствительность индекса к изменениям.

Давайте проведем примерные расчеты для первых двух шагов.

Базовое значение индекса чистоты воздуха (A), рассчитанное с исходными параметрами, составляет 143.9. После увеличения концентрации частиц (PD) с 35 µg/m³ до 50 µg/m³, индекс A увеличился до 148.4.

Это изменение указывает на то, что индекс достаточно чувствителен к изменениям в уровне частиц в воздухе.

Для аргументации преимущества нового индекса чистоты воздуха (A) по сравнению с существующими индексами можно выделить следующие ключевые аспекты:

Комплексный подход к параметрам: в отличие от традиционных индексов, которые часто фокусируются на ограниченном наборе параметров (например, только на PM2.5 или CO2), наш индекс интегрирует несколько ключевых параметров воздуха (PD, CO2, T, H). Это обеспечивает более широкую и всестороннюю оценку качества воздуха.

Настройка весовых коэффициентов: Индекс A позволяет гибко настраивать весовые коэффициенты для каждого параметра, что обеспечивает возможность адаптации под различные экологические условия и специфические требования оценки качества воздуха.

Чувствительность к изменениям: Новый индекс отличается повышенной чувствительностью к изменениям в окружающей среде, благодаря чему он может более точно отражать мгновенные и кратковременные колебания параметров воздуха.

Подход, ориентированный на здоровье человека: Учитывая влияние различных параметров воздуха на здоровье, индекс A способствует более точной оценке потенциального риска для здоровья населения.

Заключение

В данной работе представлен новый индекс чистоты воздуха (A), объединяющий измерения таких ключевых параметров, как концентрация частиц, уровень CO2, температура и влажность. Разработка индекса A основана на использовании передовых датчиков и включает в себя инновационный подход к взвешиванию каждого параметра, что позволяет достичь высокой точности и адаптивности в оценке качества воздуха.

Анализ чувствительности подтвердил эффективность индекса в отражении различных аспектов качества воздуха. Индекс A предлагает значительные улучшения по сравнению с традиционными методами, делая его ценным инструментом для мониторинга окружающей среды и защиты общественного здоровья. Его применение может значительно улучшить понимание и управление качеством воздуха на разных уровнях.