Uciążliwość zapachowa/Modelowanie dyspersji odorantów/Model referencyjny

Model referencyjny

Podstawa prawna

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. Procedura tych obliczeń jest powszechnie stosowana w Polsce od roku 1981 (data wydania Wytycznych Ministerstwa Administracji, Gospodarki Terenami i Ochrony Środowiska). Podstawą obliczeń jest gaussowski model "smugi zanieczyszczeń", kształtowanej przez wiatr i procesy dyfuzji (zob. uwaga 1).

Modelowanie dyspersji odorantów tym różni się od modelowania dyspersji poszczególnych związków chemicznych, że zamiast wartości stężenia wyrażanego np. w μg/m³ stosuje się wartości stężenia zapachowego c_od (zob. uwaga 2), wyrażanego w jednostkach zapachowych (ou_E; zob. uwaga 3) w metrze sześciennym. Odpowiednio zmienia się też wymiar emisji, np. z [mg/s] na [ou_E/s].

W czasie modelowania są wykorzystywane informacje o wielkości emitowanego strumienia zapachowego oraz o warunkach wyrzutu gazów i ich rozprzestrzeniania się (warunki meteorologiczne i topograficzne). Obliczenia są wykonywane w ramach rozpatrywania skarg na nadmierną zapachową uciążliwość istniejących instalacji oraz wniosków o zgodę na uruchomienie zakładów nowych. Wyniki obliczeń są porównywane ze standardami zapachowej jakości powietrza, jeżeli zostały ustalone (w Polsce dotychczas nie istnieją).

Gaussowski "model smugi odorantów"

Temperatura (czerwony) spada trochę szybciej, niż "adiabatycznie" (niebieski)

Inwersja temperatury

Smugę odorantów, rozprzestrzeniającą się z emitora (zob. uwaga 4), opisuje się tak samo jak smugi wszystkich innych zanieczyszczeń powietrza. Specyficzne dla odorantów są jedynie jednostki miary ilości zanieczyszczenia. Stosowane są europejskie jednostki zapachowe (ou_E) zamiast jednostek masy (mg).

Smuga zanieczyszczeń jest obiektem trudnym do modelowania. Jej kształt zależy od wielu czynników topograficznych i meteorologicznych. Stosowany jest model bardzo uproszczony – różniczkowe równanie Pasquille'a, które opisuje zależność stężenia zanieczyszczeń w punkcie P(x,y,z) smugi (c_od,xyz [ou_E/m³] od:
q_od – strumienia zapachowego (emisji zapachowej); [ou_E/s]
ū – średniej prędkości wiatru w warstwie powietrza od z = 0 do z = H; [m/s]
H – wysokości pozornego punktu emisji; [m] (na rys. – H_e, wysokość efektywna w x=0)
m – wykładnika meteorologicznego,
z₀ – parametru aerodynamicznej szorstkości powierzchni, „szorstkość podłoża”; [m],
σ_z i σ_y – współczynników dyfuzji atmosferycznej (zależność σ od m i z₀ opisują równania empiryczne).

Zgodnie z przytoczonym rozporządzeniem wysokość pozornego punktu emisji (H) oblicza się jako sumę rzeczywistej wysokości komina (h) i tak zwanego „wyniesienia” (Δh). 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.

Gaussowski model smugi odorantów ze źródła punktowego q_od [ou_E/s] – emisja odorantów (strumień zapachowy), ou_E – europejska jednostka zapachowa (odour unit)

Współczynnik szorstkości aerodynamicznej, z₀

Sposób pokrycia terenu wokół emitora	z0 [m]
woda	0,00008
łąki, pastwiska	0,02
pola uprawne	0,035
sady, zagajniki	0,4
lasy	2
wieś (zabudowa zwarta)	0,5
miasto do 10 tys. mieszkańców	1
miasto 10–100 tys. mieszkańców, zabudowa niska	0,5
miasto 10–100 tys. mieszkańców, zabudowa średnia	2
miasto 100–500 tys. mieszkańców, zabudowa niska	0,5
miasto 100–500 tys. mieszkańców, zabudowa średnia	2
miasto 100–500 tys. mieszkańców, zabudowa wysoka	3
miasto >500 tys. mieszkańców, zabudowa niska	0,5
miasto >500 tys. mieszkańców, zabudowa średnia	2
miasto >500 tys. mieszkańców, zabudowa wysoka	5

Parametr aerodynamicznej szorstkości podłoża jest statystyczną wielkością zależną od rodzaju pokrycia terenu (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, że spełniana jest zależność:

$u_{h}=u_{a}\left({h \over h_{a}}\right)^{m}$

gdzie: u_a, u_h – prędkość wiatru na wysokościach, odpowiednio: a (wysokość anemometru) i h.

Wyodrębniono sześć stanów równowagi atmosfery, decydujących m. in. o szybkości wznoszenia się emitowanych gazów (zob. Gaussian Plume Calculator – wpływ Atmospheric Conditions na kształt smugi). Poszczególnym stanom równowagi przypisano następujące wartości wykładnika meteorologicznego:

m = 0,080 – stan 1; równowaga silnie chwiejna (prędkości wiatru 1–3 m/s),

m = 0,143 – stan 2; równowaga chwiejna (prędkości wiatru 1–5 m/s),

m = 0,196 – stan 3; równowaga lekko chwiejna (prędkości wiatru 1–8 m/s),

m = 0,270 – stan 4; równowaga obojętna (prędkości wiatru 1–11 m/s),

m = 0,363 – stan 5; równowaga lekko stała (prędkości wiatru 1–5 m/s),

m = 0,440 – stan 6; równowaga stała (prędkości wiatru 1–4 m/s).

Wyodrębniono też 11 klas prędkości wiatru: ū = 1, 2, 3, ... 11 m/s (dla ū < 1 lub > 11m/s zakłada się ū = 1 lub 11 m/s). Łącznie klasyfikacja obejmuje 36 sytuacji meteorologicznych (określona prędkość wiatru i stan równowagi). Każda z sytuacji występuje przy różnych kierunkach wiatru, opisywanych przez wskazanie jednego z 12 sektorów kąta 360° (ponumerowanych zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, od 1 dla wiatrów południowych).

Dane do obliczeń przewidywanych stężeń odorantów w otoczeniu instalacji

Oprogramowanie dla służb ochrony środowiska naturalnego i środowiska pracy jest zwykle przychylne dla użytkowników i dostarczane przez firmy z dokładnymi instrukcjami obsługi. Niektóre z tych programów umożliwiają wyrażanie stężenia zapachowego i emisji zapachowej w stosownych, specyficznych jednostkach (ou_E/m³ i ou_E/s). Do każdego z programów służących do wykonywania obliczeń stężenia emitowanych zanieczyszczeń w różnych punktach otoczenia emitora lub emitorów w różnych sytuacjach meteorologicznych zgodnie z rozporządzeniem, wprowadza się w odpowiednich oknach:

• charakterystyczne parametry emitora lub emitorów:

– położenie,

– wysokość,

– kształt i wymiary przekroju,

• dane dotyczące emitowanych strumieni gazów (strumień objętościowy i strumień zanieczyszczeń), np. w przypadku odorantów:

– temperatura i ciepło właściwe,

– prędkość liniowa wyrzutu,

– emisja zapachowa (strumień zapachowy, q_od ou_E/s), wartości maksymalne i średnie w skali roku (zobacz – (zob. uwaga 5),

• charakterystykę otoczenia emitora (określenie współczynnika szorstkości aerodynamicznej, której wzrost sprzyja dyspersji zanieczyszczeń,
• dane meteorologiczne, charakteryzujące miejsce lokalizacji emitora (róża wiatrów).

Strumień zapachowy (emisja zapachowa)

Strumień zapachowy, inaczej nazywany emisją zapachową, oblicza się jako iloczyn strumienia objętości (v [m³/s]) przez stężenie odorantów, wyznaczane metodą olfaktometrii dynamicznej (stężenie zapachowe, c_od [ou_E/m³]). Zgodnie z PN-EN 13725:2007 strumień zapachowy jest oznaczany symbolem q_od [ou_E/s] .

Emisję zapachową z instalacji projektowanych można obliczać jako iloczyn wskaźnika emisji zapachowej (np. ou_E/kg produktu) – wyznaczonego w analogicznym zakładzie istniejącym – przez odpowiednio wyrażoną planowaną wielkość produkcji (np. kg/s).

Emisję ze źródeł powierzchniowych (trudnych do zorganizowania w celu pobrania próbek) lub zespołów różnych niewielkich emitorów wyznacza się metodą „modelowania wstecznego” („odwrotne modelowanie”, „ inverse modeling”). Wykonywane są:

• pomiary stężenia zapachowego w różnych miejscach otoczenia ocenianego źródła,

• obliczenia z użyciem modelu rozprzestrzeniania się, prowadzone z użyciem różnych wartości q_od [ou_E/s] (metoda iteracyjna).

Procedura nie jest dotychczas znormalizowana. Stosowane są pomiary:

• krótkookresowe, w różnych – określonych – sytuacjach meteorologicznych, w punktach leżących w tzw. smudze zanieczyszczeń, w
• długookresowe, np. całoroczne, w węzłach ustalonej siatki pomiarowej otaczającej źródło.

Obliczenia wykonuje się stosując, odpowiednio:

• "własne róże wiatrów", wyznaczane dla okresów kolejnych serii pomiarów w smudze zanieczyszczeń,
• wieloletnie statystyki meteorologiczne, w przypadku badań całorocznych.

Wynikiem obliczeń są, odpowiednio:

• zbiór oszacowań emisji zapachowej w okresach pomiarów w smudze,
• jedna wartość emisji, najlepiej odpowiadająca wynikom uzyskanym we wszystkich punktach siatki w ciągu roku.

Stężenie zapachowe

Stężenie zapachowe jest stężeniem odorantów, określanym metodą olfaktometrii dynamicznej, opisaną w PN-EN 13725:2007. Jest ono liczbowo równe wartości takiego stopnia rozcieńczenia próbki czystym powietrzem, po którym jest osiągany zespołowy próg węchowej wyczuwalności (umownie – jedna europejska jednostka zapachowa w metrze sześciennym, ou_E/m³).

Wskaźnik emisji zapachowej

Wskaźnik emisji może być wyrażany jako liczba emitowanych jednostek zapachowych, odniesiona np. do jednej tony fosforytu, przetwarzanego na kwas fosforowy lub nawozy fosforowe, tysiąca norek lub jednego tucznika w fermie hodowlanej czy metra sześciennego oczyszczanych ścieków komunalnych.

Liczbowe wartości wskaźników emisji odorantów z istniejących instalacji są wyznaczane doświadczalnie, analogicznie jak wskaźniki emisji innych zanieczyszczeń powietrza. Wykonywane są liczne pomiary emisji zapachowej, w różnych warunkach technologicznych. Pomiary emisji polegają na równoczesnym określaniu wielkości objętościowego strumienia emitowanych gazów i zapachowego stężenia zanieczyszczeń tych gazów. Pomiary są wykonywane metodami olfaktometrycznymi – w krajach Unii Europejskiej zgodnie z normą europejską PN-EN 13725. Określa się wartości maksymalne oraz średnie dla roku lub sezonu. Wskaźnik emisji odorantów z określonej instalacji oblicza się dzieląc wartość emisji, wyrażonej w jednostkach zapachowych na godzinę, przez odpowiednio wyrażone natężenie działalności (np. liczba tuczników, ton fosforytu, metrów sześciennych ścieków).

W czasie obliczeń przewidywanej emisji zapachowej z instalacji projektowanych korzysta się z wartości wskaźników wyznaczonych w analogicznych instalacjach istniejących.

Róża wiatrów

Róże wiatrów są opracowywane przez stacje meteorologiczne na całym świecie, dla mórz i lądów. Poza statystykami kierunków i prędkości wiatrów oraz stanów pionowej równowagi, związanych z wymianą masy i ciepła w słupie atmosfery nad określonym obszarem (np. szybkość prądów wznoszących i opadających lub zjawiska inwersji). Takie statystyki są wykorzystywane np. w czasie tworzenia modeli zmian klimatu Ziemi, przy projektowaniu lotnisk lub farm energetyki wiatrowej oraz w procesach zarządzania ochroną środowiska. Umożliwiają przewidywanie częstości przekraczania dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń powietrza w różnych odległościach od projektowanych zakładów przemysłowych. W komórkach tabel meteorologicznych, dotyczących roku lub sezonu (np. grzewczego i letniego), umieszczane są liczby określonych sytuacji meteorologicznych (prędkość wiatru i stan równowagi), obserwowanych przy różnych kierunkach wiatru. Obserwacje są systematycznie gromadzone przez wiele lat.

Fragment tabeli meteorologicznej stacji IMiGW Poznań (łączna liczba obserwacji: 29355) u, m/s stan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1 10 3 3 0 17 3 21 3 0 0 10 3 1 2 12 17 35 35 85 39 37 10 29 31 23 14 1 3 32 53 64 85 133 101 97 37 30 42 53 41 1 4 56 67 104 134 185 185 249 120 105 67 94 42 1 5 14 16 7 30 39 32 23 12 14 14 4 7 1 6 64 65 115 151 224 120 200 92 74 82 75 59 2 1 2 7 3 5 9 2 3 2 1 1 1 2 2 2 29 39 38 41 74 38 54 39 35 26 45 20 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

Fragment róży wiatrów – statystyka kierunków i prędkości wiatru oraz stanów równowagi i zespół w czasie weryfikacji wyników modelowania dyspersji odorantów (zob. Olfaktometria terenowa)

Wyniki obliczeń stężenia zapachowego w powietrzu otoczenia instalacji

Zgromadzenie informacji o wielkości emisji zapachowej, parametrach wyrzutu gazu, „szorstkości podłoża”, prędkości wiatru i stanie równowagi atmosfery pozwala oszacować stężenie zapachowe c_od,xyz w każdym punkcie smugi (x,y,z). Wynik obliczeń odpowiada średniej wartości rzeczywistej, odniesionej do 60 minut (średnia sześćdziesięciominutowa, c_od,60m).

Obliczenia stężenia, występującego w węzłach otaczającej emitor siatki obliczeniowej, są wykonywane dla wszystkich sytuacji meteorologicznych (36 kombinacji parametrów m i ū), po czym uwzględniane jest prawdopodobieństwo występowania każdej z tych sytuacji w skali roku na podstawie odpowiedniej róży wiatrów (uwzględnienie prawdopodobieństwa występowania różnych stanów równowagi atmosfery). Pozwala to wyznaczyć – dla każdego punktu otoczenia :

• wartości stężenia średniego i maksymalnego w skali roku,
• wartość stężenia, która nie jest w tym punkcie przekraczana częściej niż np. przez 2% godzin roku (percentyl 98, c_od,60m,98; obliczenia można wykonać dla innych założonych częstości).

Przykłady wyników modelowania, dotyczących skali roku (np. prognoza uciążliwości projektowanego zakładu) lub skali krótszej (np. doba – sprawdzanie poprawności przewidywań, dotyczących już istniejącego źródła). Uciążliwość zapachowa odpowiadająca częstości 2-3% jest zwykle akceptowana.

Prognozowanie intensywności zapachu w otoczeniu instalacji

Zakres opisanych powyżej rutynowych obliczeń stężenia odorantów w różnych punktach otoczenia instalacji może być rozszerzony o interpretację wyników obliczeń pod kątem potencjalnej uciążliwości instalacji dla mieszkańców otoczenia.

Przyjmuje się, że wynik obliczeń (stężenie średnie odniesione do 60 min):

c_od,60m > 1 ou_E/m³

odpowiada sytuacji, w której w czasie godziny zapach może być rozpoznawalny – chwilowo może występować stężenie ok. 10-krotnie większe od progu węchowej wyczuwalności.

Aby przewidzieć prawdopodobieństwo, że rozpoznany zapach będzie uznawany za np. słaby, wyraźny lub mocny należy doświadczalnie określić wartość współczynnika proporcjonalności (k) w równaniu Webera-Fechnera:

S = k · log (c_od [ou_E/m³])

gdzie: S (zob. uwaga 6) – intensywność zapachu, k – współczynnik Webera-Fechnera, c_od – stężenie zapachowe.

Dodatkowe pomiary olfaktometryczne polegają na zespołowym skalowaniu intensywności zapachu próbek emitowanego gazu oraz próbek rozcieńczonych w znanym stopniu (znane stężenia zapachowe c_od), wykonywanym z użyciem odpowiedniej skali werbalno-punktowej. Stężenie odorantów w próbce, której zapach jest określany np. jako wyraźny można uznać za poziom odniesienia w czasie modelowania dyspersji. Obliczenia prowadzą wówczas do wyznaczenia izolinii np. częstości przekraczania tego poziomu w roku (ustalenia granic obszaru, na którym zapach wyraźny będzie wyczuwalny np. częściej niż przez 2% czasu roku).

Uwagi

1. W internecie są dostępne poglądowe programy komputerowe, takie jak edukacyjny Gaussian Plume Calculator, które ułatwiają samodzielne przeanalizowanie wpływu poszczególnych parametrów emisji i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń na kształt smugi i na stężenia zanieczyszczeń w różnych odległościach od punktu emisji.

2. Przed ustanowieniem PN-EN 13725:2007 w polskim piśmiennictwie stosowano symbole LJZ (liczba jednostek zapachowych, jz/m³) lub TON (od ang. Threshold Odour Number).

3. Przed ustanowieniem PN-EN 13725:2007 w polskim piśmiennictwie zamiast ou_E stosowano symbole jz lub JZ

4. Emitorami nazywa się rozmaite źródła zanieczyszczeń powietrza, w tym źródła:

– zorganizowane, np. kominy, wyloty kanałów wentylacyjnych,

– niezorganizowane, w tym powierzchniowe, objętościowe lub liniowe (np. osadniki ścieków komunalnych i przemysłowych, kanały ściekowe, kompostownie, drogi)

Model referencyjny został opracowany dla wysokich emitorów punktowych (np. kominy elektrociepłowni), jednak jest też stosowany do obliczania stężenia w otoczeniu emitorów niskich, w tym powierzchniowych. W takich obliczeniach źródła powierzchniowe reprezentuje duża liczba zastępczych niskich emitorów punktowych.

5. Przed ustanowieniem PN-EN 13725:2007 w piśmiennictwie polskim stosowano symbol I.

6. Jeżeli dostępny program komputerowy nie przewiduje stosowania jednostek zapachowych jest możliwe wybieranie dowolnego zanieczyszczenia gazowego z dostępnej listy i umowne uznanie, że 1 μg formalnie odpowiada 1 ou_E. Informacje o ustalonych dla tego zanieczyszczenia poziomach odniesienia są w takim przypadku nieaktualne. Wprowadza się poziomy charakteryzujące uciążliwość zapachową. Taką rolę odgrywają takie stężenia założone jak środowiskowy próg wyczuwalności c_od,60m = 0,1 ou_E/m³, środowiskowy próg rozpoznawalności c_od,60m = 1 ou_E/m³ lub stężenia odpowiadające np. określeniom „słaby”, „wyraźny”, „mocny ” – określone na podstawie współczynnika Webera-Fechnera, wyznaczonego dla danej mieszaniny odorantów (zob. Zastosowania prawa Webera-Fechnera i Zależność intensywności zapachu od stężenia odorantów).

Czy znasz odpowiedzi?

• Co oznacza pojęcie „wykładnik meteorologiczny”?

Odpowiedź
Parametr określający szybkość zmian prędkości wiatru (u) wraz z wysokością (h): $u_{h}=u_{a}({h \over h_{a}})^{m}$ m = 0,08–0,44

---

• Co oznacza – w przypadku modelowania dyspersji zanieczyszczeń powietrza – pojęcie „sytuacja meteorologiczna”?

Odpowiedź
Sytuacją meteorologiczną charakteryzuje się podając wartość prędkości wiatru (określaną z dokładnością do 1 m/s) i stan równowagi atmosfery (stan od 1 do 6, klasyfikacja oparta na wartościach wykładnika meteorologicznego).

---

• Jakie dane są zamieszczane w tabelach meteorologicznych?

Odpowiedź
Tabele meteorologiczne są zestawieniami wieloletnich obserwacji meteorologicznych, polegających na rejestracji kierunku i prędkości wiatru oraz stanu równowagi atmosfery. Dla każdego kierunku wiatru (od 1 do 12) podaje się liczbę każdej z 36 wyodrębnionych sytuacji meteorologicznych, które wystąpiły w okresie badań.

---

• Co oznacza pojęcie „szorstkość aerodynamiczna” i jak jest określana?

Odpowiedź

„Szorstkość aerodynamiczna” (z0} – współczynnik aerodynamicznej szorstkości terenu, czyli oporów, jakie stawiają terenowe przeszkody (np. drzewa, domy) przemieszczającej się masie powietrza. Współczynnik określa się dla obszaru o promieniu 50 × hmaks (wysokość najwyższego emitora)”. Wartości z0 dla terenów o różnym typie pokrycia zestawiono w rozporządzeniu ministerialnym. Dla terenu o zróżnicowanym pokryciu oblicza się wartości średnie.

---

• Jaka jest prędkość wiatru na wysokości 60 m, jeżeli prędkość mierzona na wysokości 10 m wynosi 3 m/s?

Obliczenia i odpowiedź
Wartość uh=60m, obliczona dla różnych stanów równowagi atmosfery (m = 0,08–0,44) z równania: $u_{h}=u_{a}({h \over h_{a}})^{m}$ wynosi od 3,5 m/s (równowaga silnie chwiejna) do 6,6 m/s (równowaga stała).

---

• Jaki jest prawdopodobny stan równowagi atmosfery, jeżeli prędkości wiatru, zmierzone na wysokościach 10 i 60 m wynoszą odpowiednio 5 i 8 m/s?

Obliczenia i odpowiedź
Wartość wykładnika m, obliczona z zależności: $m={log\,(u_{h}/u_{a}) \over log\,(h/h_{a})}$ wynosi 0,263. Jest najbardziej zbliżona do m = 0,270, wskazanej dla równowagi obojętnej (stan 4).

---

• Na czym polega i kiedy stosuje się „wsteczne modelowanie”?

Odpowiedź

„Modelowanie wsteczne” („odwrotne modelowanie”, „ inverse modeling”) stosuje się, aby oszacować emisję zapachową ze źródeł, dla których bezpośredni pomiar emisji jest niemożliwy (np. źródła obszarowe, zespoły różnych małych emitorów). Wykonywane są pomiary stężenia zapachowego w różnych miejscach otoczenia ocenianego źródła (w smudze zanieczyszczeń lub węzłach siatki pomiarowej), a następnie obliczenia z użyciem modelu rozprzestrzeniania się, prowadzone metodą iteracyjną, z użyciem różnych wartości qod [ouE/s].

---

• Jak duża jest emisja zanieczyszczeń powietrza (mg/s lub ou_E/s), jeżeli stężenie w określonej odległości 207,8 km od emitora (w linii wiatru), zmierzone w znanej sytuacji meteorologicznej, wynosi c = 2,5 odpowiednich jednostek stężenia odorantów lub innych zanieczyszczeń w powietrzu? Zastosuj poglądowy Gaussian Plume Calculator.

Odpowiedź

Załóżmy, że warunki emisji i rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń są zgodne z zapisanymi jako ustawienia domyślne: – wysokość i średnica komina: odpowiednio 30 m i 2 m, – temperatura powietrza atmosferycznego i prędkość wiatru: odpowiednio 20°C i 20 m/s, – temperatura i prędkość emitowanego gazu: odpowiednio 210°C i 5 m/s, – stan równowagi atmosfery: neutralna (stan 4). Po wybraniu w okienku „emisja” (Emission Rate) wartości skrajnych dla dostępnego zakresu 1 i 90 g/s (uznajmy, że formalnie odpowiadają emisji zapachowej) uzyskujemy dla odległości x = 0,2078 km minimalną i maksymalną wartość stężenia przygruntowego: 0,1092 i 9,8274 (tabelki z wynikami obliczeń dla różnych odległości – zob. „Graph Settings” > „Text Output”). Dalsze wyniki iteracji – uzyskiwane po wybraniu pośrednich założonych wartości emisji – przedstawiono w tabeli i na wykresie. Pozwalają stwierdzić, że interesująca nas wartość emisji wynosi ok. 23 g/s (jednostki umowne). Wynik może być też obliczony z równania prostej zamieszczonej na wykresie, jako 22,9358 g/s (podawanie wyniku z tak dużą dokładnością jest nieuzasadnione). Lp Emisja Stężenie we wskazanym punkcie 1 1 0,1092 2 90 9,8274 3 50 5,4597 4 30 3,2758 5 25 2,7298 6 22 2,4023 7 23 2,5114 Zależność stężenia przygruntowego w odległości 207,8 km od emitora w linii wiatru od wielkości emisji

---

• Co oznaczają symbole c_od,60m i c_od,60m,98?

Odpowiedź

Symbol cod,60m oznacza stężenie zapachowe odniesione do 60 minut uśredniania. Za średnie odniesione do 60 minut uznaje się wyniki obliczeń, wykonywanych metodą modelowania dyspersji. Przyjmuje się, że w warunkach terenowych (środowiskowych) stężenia mogą być chwilowo ok. dziesięciokrotnie większe lub mniejsze od tej średniej ze względu na zmienność prędkości i kierunku wiatru. Uśrednianie stężeń w gazach emitowanych może być wykonywane np. w czasie pobierania próbek ze źródeł przemysłowych (pobieranie wielokrotne w czasie lub pobieranie ciągłe przez okres 1h). Symbol cod,60m,98 oznacza percentyl 98 stężeń cod,60m, czyli wartość stężenia, która dzieli zbiór wartości tych stężeń na części: 98% stężeń mniejszych i 2% stężeń większych.

---

• Czy zmiana stanu równowagi atmosfery, z bardzo chwiejnej na stabilną (stałą), może spowodować dziesięciokrotne zmniejszenie stężenia zapachowego w punkcie położonym w odległości 1 km od emitora (w linii wiatru)?

Obliczenia i odpowiedź

Do potrzebnych orientacyjnych obliczeń można wykorzystać poglądowy kalkulator smugi Gaussa (Gaussian Plume Calculator). Przykład Stan równowagi Wartość cod,mm 1 16,7 2 33,6 3 56,5 4 32,1 5 3,0 6 5,6·10-4 Założenia (ustawienia domyślne, z wyjątkiem zmniejszonej prędkości wiatru): – prędkość wiatru 4 m/s, – temperatura powietrza: 20°C, – wysokość komina: 30 m, – średnica komina: 2 m, – emisja: 2 g/s, – temperatura gazów: 210°C, – prędkość gazów 5 m/s. Domyślne ustawienie stanu równowagi atmosfery zmieniamy na „bardzo chwiejna” (stan 1, „very unstable”) i odczytujemy z tabelki stężeń maksymalnych („Graph Settings” > „Text Output”) wartości stężenia w przygruntowej warstwie powietrza, które wystąpi w odległości ok. 1 km. Analogiczną wartość odczytujemy po wybraniu kolejnych stanów równowagi – 2, 3, 4, 5 i 6. Zestawione dane pozwalają stwierdzić, że wraz ze wzrostem stabilności atmosfery stężenie w tym punkcie początkowo zwiększa się, osiągając największą wartość w stanie 3 (równowaga lekko chwiejna), a następnie maleje niemal do zera w stanie 6 (równowaga stała, czyste powietrze w bezpośrednim otoczeniu wysokiego emitora).

---

• Czy zmiana stanu równowagi atmosfery, z bardzo chwiejnej na stabilną (stałą), może dziesięciokrotnie zwiększyć odległość od emitora, w której wystąpią stężenia największe?

Obliczenia i odpowiedź

Do potrzebnych orientacyjnych obliczeń można wykorzystać poglądowy kalkulator smugi Gaussa (Gaussian Plume Calculator). Przykład Założenia (ustawienia domyślne, z wyjątkiem zmniejszonej prędkości wiatru): – prędkość wiatru 4 m/s, – temperatura powietrza: 20°C, – wysokość komina: 30 m, – średnica komina: 2 m, – emisja: 2 g/s, – temperatura gazów: 210°C, – prędkość gazów 5 m/s. Stan równowagi Odległość do cod,mm [km] Wartość cod,mm 1 0,3 86 2 0,5 71,5 3 0,7 65,5 4 1,7 40,2 5 3,1 28,9 6 11 25 Domyślne ustawienie stanu równowagi atmosfery zmieniamy na „bardzo niestabilna” („very unstable”) i odczytujemy z tabelki stężeń maksymalnych („Graph Settings” > „Text Output”) wartości najwyższego stężenia w przygruntowej warstwie powietrza w różnych odległościach od emitora, określanych w linii wiatru (oś x). Notujemy największą z tych wartości i odpowiadającą jej odległość. Czynność powtarzamy dla pozostałych stanów równowagi. Uzyskujemy wartości zestawione poniżej (po zaokrągleniu). Zestawione dane pozwalają stwierdzić, że odległość, w której występują największe stężenia w warunkach stałej równowagi atmosfery, może być ponad 30 razy większa od występującej w warunkach równowagi silnie chwiejnej. Porównywane stężenia największe z maksymalnych (Smm lub odpowiednie stężenia zapachowe cod,mm) występują w różnych odległościach od emitora (ze wzrostem stabilności Smm zmniejsza się).

---

• Jaka jest orientacyjna wartość emisji zapachowej z fermy tuczu trzody chlewnej o 10 tys. stanowisk?

Obliczenia i odpowiedź
Wskaźniki emisji oszacowane w Holandii: ok. 22,4 ouE/sztuka·s (maks. ok. 85 ouE/sztuka·s) Emisja zapachowa: – średnia: ok. 22,4 · 104 ouE/s – maksymalna: ok. 85 · 104 ouE/s

---

• Na jakim obszarze w otoczeniu hipotetycznej wytwórni kwasu fosforowego, położonej w zasięgu stacji meteorologicznej IMiGW w Poznaniu, może być wyczuwalny zapach emitowanych gazów oraz jakie maksymalne stężenie zapachowe może tam wystąpić, jeżeli:

– zakład przetwarza 40 Mg fosforytu na godzinę,

– wskaźnik emisji wynosi ok. 30·10⁶ ou/Mg

– gazy są emitowane przez komin o wysokości 15 m i średnicy 1,5 m

– prędkość liniowa gazów wynosi 10 m/s, temperatura ok. 300 K, a ciepło właściwe 1,3 kJ/m³·K

– można uznać, że aerodynamiczna szorstkość terenu na obszarze o promieniu 1 km wynosi z₀ = ok. 1 m.

• Jak zmieni się obszar, na którym zapach będzie wyczuwalny, jeżeli zostanie wybudowany komin o wysokości 30 m?

Obliczenia i odpowiedź

Przebieg obliczeń dla wysokości h = 15 m Dysponując programem, przeznaczonym do modelowania dyspersji zgodnie z rozporządzeniem: – z listy dostępnych róż wiatrów wybieramy różę Poznań (całoroczna), – do odpowiednich okienek charakterystyki emitora wprowadzamy dane charakteryzujące emitor punktowy (położenie w centrum siatki o wymiarach od -1000m do +1000m i skoku 100 m, szorstkość, wysokość i średnica komina, prędkość, temperatura i ciepło właściwe gazów), – z listy zanieczyszczeń wybieramy odoranty (w przypadku, gdy brakuje tej możliwości wybieramy inne zanieczyszczenie gazowe, przyjmując umownie, że 1 μg formalnie odpowiada 1 ou), – do odpowiednich okienek charakteryzujących emisję wpisujemy wartość iloczynu obciążenia wytwórni przez wskaźnik emisji (zakładamy, że emisja nie zmienia się w ciągu roku): 40 Mg/h * 30 * 106 ou/Mg / 3600 s/h = ok. 330 000 ou/s, – do odpowiedniej komórki tabeli, przeznaczonej do wpisywania tła zanieczyszczeń i poziomów odniesienia (poziomów założonych), wprowadzamy np. wartość 0,1 ouE/m³ (lub 100 milijednostek zapachowych w 1 m³, zgodnie z instrukcją programu) w pozycji „odoranty” (lub wybranej pozycji zastępczej), jako środowiskowy próg wyczuwalności zapachu, – korzystamy z opcji „obliczenia > zakres skrócony”, aby określić stężenie maksymalne oraz miejsce i warunki jego wystąpienia, – korzystając z opcji „obliczenia > zakres pełny” (długookresowe) wybieramy rodzaj zanieczyszczania i wysokość receptorów – 1,5 m ponad powierzchnią gruntu – i uruchamiamy obliczenia. Na podstawie uzyskanych wyników – uzyskiwanych w formie tabeli – sporządzamy wykresy np. izolinii (cod,60m,98, cod,60m,92 lub innych, zgodnie z odpowiednimi wytycznymi) lub izolinii częstości występowania wybranej wartości odniesienia w skali roku. Odpowiedzi dotyczące wysokości h = 15 m – Maksymalne stężenie odorantów wynosi 31 ou/m³ i występuje w odległości 92 m od emitora, gdy prędkość wiatru jest równa 2 m/s przy stanie równowagi 3. – Zapach może być chwilowo wyczuwalny częściej niż przez 2% czasu roku na obszarze ok. 24 * 100 * 100 m² = 240 tys. m², w odległościach do ok. 650 m od emitora. Obliczenia i odpowiedzi dla wysokości h = 30 m Po zmianie informacji o wysokości komina w arkuszu charakterystyki emitora i wykonaniu obliczeń skróconych i pełnych uzyskujemy odpowiedzi: – Maksymalne stężenie odorantów wynosi 16 ou/m³ i występuje w odległości 200 m od emitora, gdy prędkość wiatru jest równa 1 m/s przy stanie równowagi 3. – Zapach może być chwilowo wyczuwalny częściej niż przez 2% czasu roku na obszarze ok. 12*100*100 m² = 120 tys. m², w odległościach do ok. 500 m od emitora.

---

• Jaki jest stosunek powierzchni obszarów wokół emitora, narażonych na sporadyczne występowanie stężenia zapachowego większego od c_od,60m = 50 ou_E/m³, jeżeli tereny różnią się typem pokrycia – dominują na nich pola uprawne, zagajniki, lasy lub niskie budynki mieszkalne?

Wielkość i warunki emisji:

– emisja zapachowa (ustalona w skali roku): 330 tys. ou_E/s,

– emitor: wysokość 15 m, średnica 1,5 m,

– prędkość gazów: 3 m/s,

– temperatura gazów: 300 K,

– róża wiatrów: Stacja IMiGW Warszawa.

Odpowiedź i przykład wyników obliczeń

Stosując odpowiedni program komputerowy (oprogramowanie dla służb ochrony środowiska naturalnego i środowiska pracy) obliczamy wartości stężeń zapachowych we wszystkich węzłach siatki kwadratowej o wymiarach -1000 – +1000 m (skok 100 m) we wszystkich sytuacjach meteorologicznych. Obliczenia wykonujemy czterokrotnie, kolejno wprowadzając do odpowiedniego okienka różne wartości współczynnika aerodynamicznej szorstkości terenu z0: 0,035 m - pola uprawne, 0,4 m - sady, zarośla, zagajniki, 1,0 m - miasto do 10 tys. mieszkańców, 2,0 m - średnia zabudowa większych miast i lasy. Po wykonaniu obliczeń wybieramy opcję „stężenia maksymalne” i sporządzamy wykresy izolinii 50 ouE/m³. Zależność położenia izolinii stężeń maksymalnych od typu pokrycia terenu Na każdym z otrzymanych wykresów znajdują się dwie izolinie stężenia maksymalnego 50 ouE, ograniczające obszary, na których mogą sporadycznie występować stężenia większe. Dla różnych wartości z0 powierzchnie tych obszarów są równe, w przybliżeniu: pola uprawne - ok. 2,7 km², sady, zarośla, zagajniki - ok. 0,93 km², miasto do 10 tys. mieszkańców - ok. 0,59 km², średnia zabudowa większych miast i lasy - ok. 0,44 km². Wzrost współczynnika szorstkości aerodynamicznej, spowodowany zastąpieniem pól uprawnych przez sady i zagajniki powoduje ok. trzykrotne zmniejszenie się obszaru narażenia na występowanie stężeń > 50 ouE. Dalszy wzrost współczynnika szorstkości aerodynamicznej wywołuje mniejsze zmiany tego obszaru (o około 25–30%).

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Susan S. Schiffman, Brevick G. Graham: Comparison of Odor Dispersion at Swine Facilities and a Waste Processing Center Using a Eulerian-Lagrangian Model (ang.). www.cals.ncsu.edu. [dostęp 2010-09-04].opublikowany w url
• Materiały warsztatów: WP1 - Modelling dispersion and short range transport of pollutants for Decision Support Systems for emergency management (prezentacje w języku angielskim i polskim). Centrum Doskonalenia Zarządzania Zdrowia i Środowiska „Manhaz”, Instytut Energii Atomowej, Otwock-Swierk, 2003-11-17. [dostęp 2010-10-20].

---

Powrót do spisu treści