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 (ouE)  zamiast jednostek masy (mg).

Matematycznym opisem modelu smugi odorantów jest równanie:



Użyte symbole oznaczają:

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

qod  –  emisja zanieczyszczenia gazowego; [ouE/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:

uh = ua (h/ha)m

gdzie:

ua, uh – prędkość wiatru na wysokościach, odpowiednio: ha 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 cod,xyz w dowolnym wybranym punkcie smugi. Uważa się, że wynik obliczeń odpowiada w przybliżeniu średniej wartości rzeczywistej odniesionej do 60 minut (średnia sześćdziesięciominutowa, cod,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 ci , z powierzchnią gruntu.



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 cod = 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.




Więcej informacji

Inne modele dyspersji  

patrz np.:  

Przykłady zastosowań modelowania do prognozowania zapachowej uciążliwości - patrz np.: