B3.1. Modelowanie rozprzestrzeniania się

Metoda obliczeń przygruntowych stężeń zanieczyszczeń gazowych, emitowanych ze źródeł punktowych, jest opisana w ROZPORZĄDZENIU MINISTRA ŚRODOWISKA z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U, 2010 nr 16 poz.87), załącznik nr 3: REFERENCYJNE METODYKI MODELOWANIA POZIOMÓW SUBSTANCJI W POWIETRZU. Procedura tych obliczeń jest zgodna z powszechnie stosowaną od roku 1981, gdy została opisana w Wytycznych Ministerstwa Administracji, Gospodarki Terenami i Ochrony Środowiska (oparta na równaniu Pasquille'a).

Podstawą obliczeń jest uproszczony model smugi zanieczyszczeń powietrza, kształtowanej przez wiatr i procesy dyfuzji. Model smugi odorantów jest identyczny z modelem smugi wszystkich innych zanieczyszczeń powietrza. Specyficzne dla odorantów są jedynie jednostki miary ilości zanieczyszczenia. Należy stosować jednostki zapachowe (ou_E) zamiast jednostek masy (mg).

Matematycznym opisem modelu smugi odorantów jest równanie:

(format: jpg, rozmiar: 182 kB)

Użyte symbole oznaczają:

c_od,xyz – stężenie odorantów w powietrzu w punkcie o współrzędnych x, y, z; [ou_E/m³]

q_od – emisja zanieczyszczenia gazowego; [ou_E/s]

u – średnia prędkość wiatru w warstwie powietrza od z = 0 do z = H; [m/s]

H – wysokość pozornego punktu emisji (efektywna wysokość komina); [m]

sigma z i y – współczynniki dyfuzji atmosferycznej,

z₀ – parametr aerodynamicznej szorstkości powierzchni, „szorstkość podłoża”; [m],

m – wykładnik meteorologiczny.

Orientacyjną ocenę wpływu części wymienionych czynników na kształt smugi zanieczyszczeń umożliwia zamieszczony poniżej "kalkulator smugi" (kliknij na obrazku).

Zgodnie z przytoczonym rozporządzeniem ministra środowiska wysokość pozornego punktu emisji (H) oblicza się jako sumę rzeczywistej wysokości komina (h) i tak zwanego „wyniesienia” (delta h). Stopień wyniesienia gazów ponad komin zależy od ich ciepła właściwego i temperatury, prędkości na wylocie z komina i jego wylotowej średnicy oraz od prędkości wiatru na wysokości wylotu.

Parametr aerodynamicznej szorstkości podłoża jest statystyczną wielkością zależną od rodzaju pokrycia terenu. Rząd wielkości z₀ odpowiada w przybliżeniu 1/10 średniej wysokości elementów pokrycia (np. krzewy, drzewa, zabudowania). Wzrost szorstkości podłoża powoduje zwiększenie się turbulencji w przemieszczającej się masie powietrza i sprzyja rozpraszaniu zanieczyszczeń (większe współczynniki dyfuzji).

W rozporządzeniu ministra zamieszczono zestawienie szacunkowych wartości z₀, odniesionych do obszarów zagospodarowanych w różny sposób.

Wykładnik meteorologiczny (m) określa tempo wzrostu prędkości wiatru z wysokością. Przyjmuje się - w uproszczeniu, że spełniana jest zależność:

u_h = u_a (h/h_a)^m

gdzie:

u_a, u_h – prędkość wiatru na wysokościach, odpowiednio: h_a i h.

Liczbowe wartości wykładnika meteorologicznego podano poniżej dla sześciu wyodrębnionych stanów równowagi atmosfery:

stan 1;

równowaga silnie chwiejna:

m = 0,080

stan 4;

równowaga

obojętna:

m = 0,270

stan 2;

równowaga chwiejna:

m = 0,143

stan 5;

równowaga

lekko stała:

m = 0,363

stan 3;

równowaga

lekko chwiejna:

m = 0,196

stan 6;

równowaga

stała:

m = 0,440

Zgromadzenie informacji o wielkości emisji zanieczyszczeń i jej parametrach, „szorstkości podłoża” oraz prędkości wiatru i stanie równowagi atmosfery pozwala oszacować stężenie zanieczyszczenia c_od,xyz w dowolnym wybranym punkcie smugi. Uważa się, że wynik obliczeń odpowiada w przybliżeniu średniej wartości rzeczywistej odniesionej do 60 minut (średnia sześćdziesięciominutowa, c_od,₆₀).

Rozkład tych stężeń w trójwymiarowej przestrzeni x-y-z oraz na powierzchni gruntu przedstawiono poglądowo na rysunku. Izolinie stężeń przygruntowych powstają wskutek przecięcia się powierzchni ograniczającej przestrzeń, w której stężenie jest większe od wybranej wartości c_i_,z powierzchnią gruntu.

(format: jpg, rozmiar: 72 kB)

Podczas ocen jakości powietrza w otoczeniu emitora dotyczących roku lub sezonu, należy uwzględnić zmienność warunków meteorologicznych. Obliczenia wykonuje się dla trzydziestu sześciu sytuacji meteorologicznych, o określonej prędkości wiatru i określonym stanie równowagi atmosfery.

Korzysta się z klasyfikacji, w której wyodrębniono:

jedenaście klas prędkości wiatru: u = 1, 2, 3, ...... 11 m/s

(dla u <1 lub >11m/s zakłada się u=1 lub 11m/s),

sześć stanów równowagi atmosfery (uwaga: w rzeczywistych warunkach występuje 36 kombinacji prędkości wiatru i stanu równowagi).

Obliczenia stężenia występującego w węzłach otaczającej emitor siatki obliczeniowej są wykonywane dla wszystkich sytuacji meteorologicznych (36 kombinacji parametrów), po czym uwzględnia się prawdopodobieństwo występowania każdej z tych sytuacji w skali roku - na podstawie wieloletniej statystyki danych zgromadzonych przez odpowiedniej stację meteorologiczną (odpowiednia róża wiatrów). Pozwala to wyznaczyć izolinie stężeń średnich lub maksymalnych w każdym punkcie w skali roku albo poziomów, które nie są przekraczane przez określoną część godzin roku.

W odniesieniu do odorów cenna jest możliwość obliczenia prawdopodobieństwa przekroczeń różnych wartości granicznych – na przykład odpowiadających kolejnym progom węchowym: wyczuwalności, rozpoznania lub intensywności: słaby, wyraźny, mocny.

Prezentacje Power Point

Pierwsza z prezentacji stanowi wprowadzenie do zajęć komputerowych "Rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń" (I rok OŚ). Po ogólnym omówieniu problemów rachunkowych studenci rozwiązują je przy komputerach. korzystając z dodatkowych instrukcji do każdego z ćwiczeń.

Druga z prezentacji to fragment jednego z wykładów kursu "Dezodoryzacja gazów" (III rok OŚ). Zawiera przykładowe dane do obliczeń zasięgu zapachowej uciążliwości hipotetycznego emitora punktowego. Nie zawiera części obliczeniowej i wyników obliczeń, ponieważ ta część wykładu polega na demonstracji sposobu wprowadzania danych do programu OPERAT 2000 i wykonywaniu obliczeń dla wspólnie – w czasie wykładu - ustalonych parametrów emisji i dyspersji. Po obliczeniach przeprowadzana jest interpretacja uzyskanych wyników polegająca na określeniu częstości występowania w otoczeniu emitora stanów "zapach słaby", "zapach wyraźny", ... , poziom c_od = 1 ou/m³, ...). Drugi przykład prognozowania, omawiany na wykładzie, dotyczy zapachowej uciążliwości rzeczywistej fermy trzody chlewnej (w ppt - część wyników obliczeń, umożliwiających przedyskutowanie stopnia zapachowej uciążliwości fermy dla mieszkańców sąsiedniej wsi).

Aby pobrać prezentacje - kliknij na odpowiednim obrazku.

(format: zip, rozmiar: 4,68 MB)