Chemical Mass Balance

در این بخش روش cmb مورد بحث قرار خواهد گرفت.

CMB روشی جهت تعیین سهم منابع آلاینده در محیط می باشد که نیاز است در آن الگوی شیمیائی محیطی برای تعیین منابع آلاینده بکار گرفته شود.

مدل CMB مورد تایید آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا EPA-CMB8.2 از لینک زیر قابل دریافت است.

Chemical Mass Balance (CMB) Model | TTN - Support Center for Regulatory Atmospheric Modeling | US EPA

مدل استاندارد توازن جرمي يك مدل الگوي شيميايي محيطي استاندارد است كه توسط آژانس حفاظت محيط زيست كشور ايالات متحده امريكا توصيه شده است. در اين مدل، الگوي شيميايي محيطي براي تعيين منشا آلاينده مورد مقايسه قرار گرفته و با فرض پايداري جرم ذرات در بين منابع مختلف، غلظت كل گونه i از نمونه اي كه توسط فيلتر در يك سايت اندازهگيري شده، با استفاده از فرمول زير بدين شكل محاسبه ميشود:

Ci =Σ (SiFij) + Ei

روش موازنه جرمی CMB متد بسیار مهمی جهت تعیین سهم منابع آلاینده در محیط میباشد که نیاز است در آن الگوی شیمیائی محیطی برای تعیین منابع آلاینده بکار گرفته شود .در این رساله از مدل CMB که یکی از بهترین مدلهای RECEPTOR می باشد جهت بررسی و تعیین سهم منابع مختلف آلاینده PAH در نمونه های ذرات معلق شهر کابل استفاده خواهد شد.
مدل استاندارد توازن جرمی یک مدل الگوی شیمیایی محیطی است که توسط آژانس حفاظت محیط زیست کشور آمریکا توصیه شده و در این رساله مورد استفاده قرار خواهد گرفت[10و11و12]. در این مدل، الگوی شیمیایی محیطی برای تعیین منشا آلاینده مورد مقایسه قرار گرفته و با فرض پایداری جرم ذرات در بین منابع مختلف، غلظ کل گونه i از نمونه ای که توسط فیلتر در یک سایت اندازه گیری شده، با استفاده از فرمول زیر بدین شکل محاسبه میشود:

Ci =Σ (SiFij) + Ei

Ci غلظت گونه i میباشد
Si غلظت ذرات که بوسیله منبع j در یک سایت نقش داشته است.
Fij کسری از گونه i از منبع j که در یک Ci مشاهده شده است
Ei خطاهای اندازه گیری Ci و Fij میباشد.

[1]. Morris KATz, (1982), “methods of air sampling and analysis” American Public Health Association.


[2]. Kwangsam Na., Yong P.K., Chemical mass balance receptor model applied to ambient C2-C9 VOC
concentration in Seoul, Korea: Effect of chemical reaction losses. Atmospheric Environment, (41),
2007, pp 6715-6728.

[3]. Samara C., Kouimtzis Th., Tsitouridou R., Kanias G., Simeonov V., Chemical mass balance source
appointment of PM10 in an industrialized urban area of Northern Greece. Atmospheric Environment,
(37), 2003, pp 41-54.

[4]. William F. Christensen, Chemical mass balance analysis of air quality data when unknown pollution
sources are present. Atmospheric Environment, (38), 2004, pp 4305-4317.

دانلود نرم افزار cmb از سایت آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا

مدل chemical mass balance ورژن 8.2

https://www3.epa.gov/ttn/scram/model.../EPA-CMB82.zip

1-1-1-1-مدل*های پذیرنده

این نوع مدل، یک روش مشاهده*ای است و بر سنجش آلاینده در منبع و پذیرنده، و ارزیابی اثر منبع بر پذیرنده استوار است. اساس این مدل*ها، معادلات ریاضی یا آماری است که برای شناسایی و کمی*سازی منابع آلاینده در یک پذیرنده به کار می*رود. برخلاف مدل*های پراکنش و فتوشیمیایی، این مدل*ها از داده*های انتشار و هواشناسی استفاده نمی*کنند. بلکه در این مدل*ها برای تشخیص حضور یک منبع و نیز کمی*سازی سهم آن در غلظت آلاینده*های آن ناحیه، از سنجش خصوصیات فیزیکی و شیمیایی گازها و ذرات هم در منبع و هم در پذیرنده استفاده می*شود ]8[. مدل*های پذیرنده به نوعی مکمل مدل*های پراکنش بوده و ضعف*های یکدیگر را پوشش می*دهند.
در ذیل مهمترین مدل*های پذیرنده مورد بحث قرار می*گیرند.

• مدل CMB [1] (موازنه جرمی شیمیایی)

مدل موازنه جرمی شیمیایی (CMB) یکی از چندین مدل پذیرنده*ای است که در مدیریت منابع و کیفیت هوا به کار می*رود. در نسخه 8.2 این مدل، برتری*هایی که نسخه 8 آن نسبت به نسخه 7 داشت حفظ شده و علاوه بر آن ایرادات و مشکلاتی که هنگام کار با نسخه 8 رخ می*داد برطرف گردیده است. همچنین استفاده از آن برای کاربر راحت*تر شده است. EPA-CMB8.2 یک نرم*افزار تحت ویندوز از مدل موازنه جرمی شیمیایی است که برآورد سهم منابع مختلف کل ذرات معلق (TSP)، PM₁₀، PM_2.5 و VOC را (در صورت داشتن اجزای تشکیل*دهنده آن*ها) ممکن می*سازد ]9[.
برای استفاده از این مدل، پروفیل منابع سهیم در آلودگی و نیز داده*های کیفیت هوا که در محل پذیرنده اندازه*گیری شده است مورد نیاز می*باشد. این مدل در جاهایی مناسب است که نمی*توان از مدل*های پراکنش گوسی استفاده نمود و کاربرد دیگر آن، تأیید و اصلاح موجودی*های انتشار است. خصوصیات فیزیکی را نمی*توان با CMB از یکدیگر تمیز داد.
در این مدل، از حل معادلات خطی که غلظت هر گونه*ی موجود در پذیرنده را به عنوان جمع خطی حاصل*ضرب*های ترکیب منبع[2] در سهم منابع در نظر می*گیرد، استفاده می*شود. در هر بار استفاده از مدل CMB، این مدل داده*های به دست آمده از منابع مختلف را با داده*های متناظر مربوط به پذیرنده*ها (نمونه*ها) منطبق می*سازد. ترکیب منبع (کسر جرمی یک ماده شیمیایی در انتشار از یک منبع خاص) و غلظت آلاینده*ها (تجزیه شده به عناصر تشکیل*دهنده آن)، داده*های ورودی لازم برای این مدل هستند. خروجی مدل گویای سهم منابع مختلف در کل جرم آلاینده و نیز تک*تک اجزای تشکیل*دهنده آن است. مدل CMB همچنین عدم قطعیت موجود در محاسبات را برآورد می*کند ]9[.
به طور کلی، روند کار با مدل CMB به صورت ذیل است:

1. شناسایی دسته*های منابع سهیم در تولید آلاینده*های مورد نظر
2. انتخاب گونه*های شیمیایی که باید در محاسبات لحاظ گردد (عناصر تشکیل دهنده آلاینده)
3. تعیین پروفیل (ترکیب) منبع
4. برآورد میزان عدم قطعیت در داده*های غلظت و نیز ترکیب منبع
5. حل معادلات موازنه جرمی شیمیایی.

راه*حل*های متفاوتی توسط محققین مختلف برای حل این معادلات پیشنهاد شده است، اما راه*حل پیشنهادی و برتر، روش وزنی واریانس موثر[3] می*باشد، زیرا:

• از لحاظ نظری، محتمل*ترین پاسخ*ها را برای معادلات پیدا می*کند.
• از تمام سنجش*های انجام شده استفاده می*کند.
• عدم قطعیت محاسبات را با توجه به داده*های غلظت و پروفیل منبع اعلام می*کند.
• اثر ترکیبات شیمیایی با عدم قطعیت کمتر را به خوبی نشان می*دهد.

این راه*حل، حالت ساده شده*ای از راه*حل دقیق*تر اما غیر کاربردی روش حداقل مربعات[4] می*باشد.
مفروضات مدل CMB به شرح زیر است:
ترکیب انتشارهای منبع (برای هر منبع به*خصوص) در طول مدت زمان نمونه*برداری از منبع ثابت است

• گونه*های شیمیایی با یکدیگر واکنش نمی*دهند.
• تمام دسته*های منابع محتمل شناسایی و انتشارهای آن*ها طبقه*بندی شده است.
• تعداد منابع مساوی یا کمتر از تعداد گونه*ها می*باشد.
• پروفیل منابع از یکدیگر مستقل می*باشند.
• خطاهای سنجش، تصادفی، غیر مرتبط و با توزیع نرمال است.

اینکه در عمل مفروضات فوق تا چه حد به وقوع بپیوندد به خواص گازها و ذرات سنجش شده در منبع و پذیرنده بستگی دارد. عملکردهای کلی CMB از طریق به*کارگیری روش**های آزمایش تحلیلی و تصادفی شده ارزیابی می*شود، اما به طور خاص در هر بار استفاده از این مدل در مکان جدید، باید از پروتکل کاربرد و اعتباریابی آن استفاده شود.
مفروضات فوق محدودکننده بوده و در عمل هیچگاه به واقعیت تبدیل نمی*شود اما خوشبختانه CMB می*تواند تا حد معقولی انحراف از مفروضات را تحمل کند، که این به معنای افزایش عدم قطعیت در برآوردهای انجام شده است.
پروتکل کاربرد و اعتباریابی CMB برای ذرات و نیز گازهای آلی (VOC) قابل استفاده است. ویژگی*های این پروتکل عبارت است از:

• قابلیت کاربرد مدل را تعیین می*کند.
• برای ارائه منابع سهیم شناسایی شده، انواع مختلفی از پروفیل منابع را انتخاب می*کند.
• خروجی*های مدل را ارزیابی می*کند.
• انحراف از مفروضات مدل را شناسایی و ارزیابی می*کند.
• نقص در داده*های ورودی را شناسایی و ارزیابی می*کند.
• صحت و دقت برآوردهای سهم منابع مختلف را اعتباریابی می*کند.
• نتایج حاصل از CMB را با دیگر روش*های آنالیز و ارزیابی منبع مقایسه می*کند.

در مقایسه با مدل*های پراکنش، مدل CMB بیشتر به عنوان یک مدل مکمل در نظر گرفته می*شود تا اینکه بخواهد جایگزینی برای آن*ها باشد. این مدل در تفسیر مشاهدات انجام شده یاری*رسان است، اما نمی*تواند مانند مدل*های پراکنش اثر منابع بر کیفیت هوا را پیش*بینی کند. گسترده*ترین کاربرد مدل CMB در دهه گذشته، اصلاح راهکارهای کنترلی انتشار ذرات معلق در مناطق دست نیافته بود. اخیراً CMB با مدل*های پذیرنده راندمان میرایی همراه شده تا سهم منابع مختلف را در میرایی نور برآورد کند. این مدل همچنین در ترکیب با مدل*های تعادل آیروسل، جهت برآورد اثرات کاهش انتشار آمونیاک و اکسیدهای نیتروژن بر آئروسل*های ثانویه نیترات به*کار گرفته شده است ]10[.
در مدل CMB، ترکیب مواد شیمیایی در دسته*های مختلف منابع باید متفاوت باشد. چرا که اگر ترکیب مواد در تمام دسته*ها یکسان باشد، مدل آن*ها را در یک دسته منبع لحاظ می*کند.
در CMB، سهم منابع متمایز از نظر شیمیایی برآورد می*شود و نه سهم تک*تک منتشر کننده*ها. منابع دارای خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان، در این مدل قابل تمایز نبوده و یک دسته منبع در نظر گرفته می*شوند. همچنین مدل سهم منابع مختلف را در تک*تک مکان*های سنجش (پذیرنده) برآورد می*کند.
یک مزیت عمده مدل*های پذیرنده نسبت به مدل*های پراکنش و فتوشیمیایی، عدم نیاز به بانک اطلاعات انتشار و داده*های هواشناسی است. این دو مورد، خود عامل جدی در ایجاد عدم قطعیت در نتایج آن مدل*ها می*باشند، چرا که اطلاع دقیق از منتشرکننده*ها امری دشوار است و همیشه درجه*ای از تخمین و ساده*سازی در آن وارد می*شود.

---

[1] Chemical Mass Balance

[2] Profile Abundances

[3] Effective Variance Weighted Solution

[4] Least Square Solution

1-1-1-مدل CMB

همان*طور که در فصل اول شرح داده شد، مدل موازنه شیمیایی جرم یکی از مدل*های بررسی در پذیرنده بوده که در مدیریت کیفیت هوا به کار برده می*شود. آخرین نسخه نرم*افزار این مدل در دسامبر سال 2004 تحت عنوان EPA-CMB8.2 عرضه شده که قابلیت اجرا بر سیستم عامل*های32 بیتی و بالاتر را داشته و با استفاده از آن می*توان سهم منابع مختلف انتشار آلاینده را در تشکیل آلاینده*های ناهمگن (نظیر TSP، PM₁₀، PM_2.5، VOC) به*دست آورد. قابلیتهای نرم*افزار EPA-CMB8.2 عبارتند از ]9[:

• بهره*گیری کامل از سیستم عامل Win9x
• صفحات Tabدار که موجب سهولت محاسبات می*شوند
• چندین آرایه شماره دار (برای تنظیم*های منابع و گونه*ها)
• توانایی نمایش غلظت آلاینده*های محیط و سعهم منابع به صورت نمودار
• بهره*گیری از موش رایانه و راهنمای قابل اتصال به اینترنت
• توجه ویژه به آلاینده VOC
• رفع نقص*های نسخه*های قبلی
• بهبود شکل داده*های ورودی و خروجی
• اضافه شدن یک الگوریتم صحیح*تر برای محاسبه*های حداقل مربعات
• ارتقای سطح کتابخانه جبر خطی
• رفتار متفاوت نرم*افزار با بحث تشابه منابع
• اضافه شدن گزینه بهترین تنظیم.

1-1-1-1-منطق محاسباتی مدل CMB

در این مدل اگر غلظت تولید شده از منبع شماره j برابر M_j باشد، مجموع تمام این غلظت*ها با M نشان داده می*شود:
(3-8)
و c_i، یعنی غلظت گونه iام به صورت زیر محاسبه می*شود:
(3-9)
که در آن F_i,j کسر گونه i در منبع j و X_i,j نسبت تغییر گونه i می*باشند.
اگر X_i,j =1 (یعنی فرض می*شود که غلظت گونه i در پذیرنده و در منبع انتشار برابر است)، و رابطۀ فوق بر M تقسیم *شود:
(3-10)
که در آن C_i = ، F_i,j,: نسبت گونه i ناشی از منبع j در پذیرنده، و Sj = می*باشند.
معادلات مربوط به تعیین میزان کارایی نرم*افزار به صورت زیر می*باشند:
(3-11) = x² = Chi مربع[1]
(3-12) = 100. X درصد جرمی[2]
(3-13) = 1- R مربع
(3-14) = (F_r(V_e^-1)F)^-1 F^T V_e^(-1/2) ماتریس اصلاح شده نرمال شبه معکوس[3]
D (مقدار تکی تحلیلی)، از رابطه زیر بدست می*آید:
(3-15) V_e F = UDU^T
که در آن V ماتریس مربعی ، U ماتریس مربعی و D ماتریس مایل می*باشند.
اگر j مثبت و غیر صفر باشد اعضای ماتریس D به عنوان المانهای ماتریس D به عنوان مقادیر تکی متلاشی شده نامیده می*شوند ]9[.
1-1-1-2-داده*های ورودی نرم*افزار CMB8.2

نرم افزار EPA-CMB8.2 به دو پرونده الزامی ورودی نیازمند است:

• پرونده داده*های غلظت آلاینده در محیط: بهترین شکل رایج این پرونده به صورت AD.csv می*باشد که رایج*ترین نرم*افزار ساخت آن، نرم افزار MS Excel می*باشد. داده*های مربوط به غلظت ذرات معلق اندازه*گیری شده در محل نمونه*برداری و نیز نتایج آنالیز عنصر و یونی نمونه*ها، به همراه عدم قطعیت محاسبه شده برای آن*ها از طریق این فایل به مدل داده می*شود.
• پرونده پروفیل منابع انتشار: بهترین شکل رایج این پرونده به صورت PR.csv می*باشد که رایج*ترین نرم*افزار ساخت آن، نرم افزار MS Excel می*باشد. این فایل شامل داده*های مربوط به غلظت گونه*های مختلف عنصری و یونی منتشر شده از منابع مورد نظر و عدم قطعیت آن*ها می*باشد.

همچنین پرونده*های اختیاری ورودی نرم*افزار EPA-CMB8.2 عبارتند از:

• پرونده تنظیم آلاینده*ها در محیط: بهترین شکل رایج این پرونده به صورت AD.sel بوده که رایج*ترین نرم*افزار ساخت آن نرم*افزارهای کاربردی تایپ و به ویژه نرم*افزار MS Word می*باشد. از طریق این فایل می*توان تمام یا تنها برخی از نمونه*های اندازه*گیری وارد شده به مدل را انتخاب نمود.
• پرونده تنظیم گونه*ها: بهترین شکل رایج این پرونده به صورت SP.sel بوده که رایج*ترین نرم*افزار ساخت آن نرم*افزارهای کاربردی تایپ و به ویژه نرم*افزار MS Word می*باشد. از طریق این فایل می*توان تمام یا تنها برخی از گونه*های عنصری و یونی وارد شده به مدل را انتخاب نمود.
• پرونده تنظیم نرخ انتشار منابع: بهترین شکل رایج این پرونده به صورت PR.sel بوده که رایج*ترین نرم*افزار ساخت آن نرم*افزارهای کاربردی تایپ و به ویژه نرم*افزار MS Word می*باشد. از طریق این فایل می*توان تمام یا تنها برخی از منابع انتشار وارد شده به مدل را انتخاب نمود.

تمامی این پرونده*ها در Tab اول نرم افزار (Input files) همانگونه که در شکل 3-10 نشان داده شده به برنامه معرفی می*گردد. همچنین می*توان یک پرونده موسوم به پرونده کنترلی به شکل IN.in8 تعریف کرده و در آن هر پنج فایل مزبور (2 مورد الزامی به علاوه سه مورد اختیاری) و یا برخی از آنها را به نرم*افزار معرفی نمود ]9[.

---

[1] Chi Square

[2] Mass Percent

[3] Modified Pseudo Inverse Normalized Matrix

مدل PMF، با استفاده از تکنیک تحلیل عاملی، داده*های موجود را براساس توزیع، فراوانی و تاثیرشان پردازش نموده و یک سری فاکتور با ویژگی*های مستقل از هم ارائه می*دهد. در واقع در خروجی این مدل، عامل انتشار ذرات معلق، تنها همان تعداد فاکتورهایی که مشخص نمودیم، معرفی می*گردد و دسته*ای به عنوان منابع شناسایی نشده نخواهیم داشت. هر چند این امکان وجود دارد که در نامگذاری فاکتورهای مشخص شده بر اساس توزیع گونه*های موجود در آن*ها، واقعا نتوان نام مناسبی را برای یک فاکتور انتخاب کرد، که در این صورت آن را "شناسایی نشده" نامگذاری می*کنیم.
در حالتی که از نتایج و پروفیل منبع ارائه شده در PMF، برای اجرای CMB استفاده نمودیم نیز از آنجایی که تمامی داده*های ارائه شده برای آلاینده*ها دسته*بندی شده و سهم پروفیل منابع بر اساس آن مشخص شده بود، دسته*ای به عنوان شناسایی نشده مشخص نشد. البته از آنجایی که منطق محاسباتی دو مدل با یکدیگر متفاوت است شاهد آن بودیم که اعداد متفاوتی برای سهم منابع به دست آمده است. هر چند همان طور که گفته شد، تغییری در ترتیب سهم منابع ایجاد نشد.
در حالتی که از پایگاه داده SPECIATE برای تعیین پروفیل منبع ورودی به مدل CMB، استفاده نمودیم، از آنجایی که مجموع درصد داده*های ارائه شده برای پروفیل منبع با مجموع داده*های حاصل از آنالیز نمونه*ها و نیز غلظت کل ذرات نسبتا دارای اختلاف می*باشد، طبیعی است که مدل سهم بخشی از انتشار ذرات معلق را از آن منابعی بداند که در محاسبات در نظر گرفته نشده است. با وجود دسته*ای با عنوان منابع شناسایی نشده، اما همان طور که مشاهده می*شود همخوانی نسبتا قابل قبولی میان نتایج این روش و دو روش دیگر وجود دارد.
به طور کلی، در مقایسه دو مدل PMF و CMB، آن چه که حایز اهمیت است، سطح دسترسی به اطلاعات می*باشد. اگر برای انجام مطالعه*ای به هیچ عنوان دسترسی به پروفیل منابع انتشار وجود نداشته باشد، انتخاب مدل PMF می*تواند گزینه مناسبی برای تعیین سهم منابع تولید آلاینده باشد، ضمن آن*که کاربر حداقل لازم است تخمین درستی از تعداد منابع انتشار موجود در منطقه و نیز اطلاعاتی از ویژگی*های آن*ها داشته باشد تا امکان نامگذاری فاکتورهای مشخص شده وجود داشته باشد.

در جایی که اطلاعات دقیقی از تعداد و پروفیل انتشار منابع آلاینده موجود در دسترس باشد، مدل CMB می*تواند گزینه مناسبی برای تعیین سهم منابع باشد. بدیهی است هر چه این اطلاعات دقیق*تر و کامل*تر باشد، نتایج دقیق*تری نیز از سهم منابع به دست خواهد داد. البته از آنجایی که به دلیل صرف هزینه و زمان بسیار در مطالعات اندکی، می*توان به این حجم اطلاعات دسترسی یافت، مدل CMB در سال*های اخیر یا کمتر مورد استفاده قرار می*گیرد، و یا برای تعیین پروفیل منابع انتشار آن، از نتایج مدل*های نظیر PMF، و یا پایگاه داده SPECIATE استفاده شده است.

نکته دیگر این که، برای رسیدن به نتایج دقیق در مدل CMB، علاوه بر داشتن تمامی مقادیر گونه*های مورد آنالیز، در پروفیل منابع، لازم است این پروفیل*ها تا حد امکان با هم متفاوت بوده و دارای مقادیر یکسان نباشند، چرا که موجب خطا در محاسبات مربوط به سهم منابع خواهد شد.
به نظر می*رسد استفاده از مدل*های پذیرنده نظیر PMF و CMB، در محیط*های صنعتی و کارگاهی مناسب*تر می*باشد و با توجه به تاثیر شرایط هواشناسی و اثر منابع بر روی یکدیگر و تغییر ماهییت ذرات، در محیط*های شهری و مقیاس بزرگ نتایج قابل استنادی نخواهد داشت. هر چند بار دیگر باید گفت که PMF در شرایطی که محدودیت اطلاعاتی وجود دارد بر اساس تحلیل*های آماری تخمین مناسبی از منابع انتشار ارائه می*دهد، اما در صورت وجود اطلاعات دقیق، مدل CMB نتایج کاملا دقیقی خواهد داشت

تفاوت مدلهای سهم بندی CMB و PMF

دانلود فایل Download PMF CMB AERMOD pdf از آپلود آی آر

فیلم آموزش مدل cmb از لینک زیر استفاده کنید

https://www.aparat.com/v/O49UJ

جهت تهیه پکیج های کامل مدلسازی آلودگی هوا و صوت تماس حاصل فرمایید.
دکتر مصطفی کلهر
شرکت هوای پاک اندیشان
88939381
09126826597

http://www.aermod.ir

پکیج های آموزشی مهندسی محیط زیست