Modelowanie matematyczne rozprzestrzeniania się w atmosferze gazów cięższych od powietrza z uwzględnieniem przeszkód terenowych

Maria Markiewicz 

Zeszyt 75

Celem pracy było opracowanie parametrycznego modelu rozprzestrzeniania się w atmosferze gazów cięższych od powietrza o nazwie HGDM, który uwzględnia występowanie przeszkód terenowych, zrealizowanie jego implementacji komputerowej oraz przeprowadzenie oceny jakości modelu. Jest to pierwszy tego typu model opracowany w Polsce, ponieważ skonstruowany w kraju model UMDSAOS (Borysiewicz i in., 2000; Gałkowski, 2006) dotyczy rozprzestrzeniania się gazów cięższych od powietrza tylko nad terenem płaskim. Przedstawiony na wstępie monografii i przegląd stanu wiedzy z zakresu badań doświadczalnych nad rozprzestrzenianiem się w atmosferze gazów cięższych od powietrza i modelowania matematycznego tego procesu uzupełnia brak tego typu opracowań w polskim piśmiennictwie. W koncepcji modelu wykorzystano prace wielu badaczy opublikowane w uznanej literaturze światowej. W zakresie rozwiązań szczegółowych przyjętych przez autorkę, model HGDM stanowi oryginalną całość. W szczególności na uwagę zasługują dwa nowatorskie elementy wykonanej pracy. Pierwszym z nich jest modyfi kacja, opracowanej przez Webbera i in. (1995), metody parametryzacji wpływu przeszkód terenowych na rozprzestrzenianie się w atmosferze gazów cięższych od powietrza. Metoda ta dotyczy przeszkód litych. W pracy rozszerzono ją również dla przeszkód porowatych, takich jak szpalery drzew lub przewody rurowe umieszczone na stojakach. Drugi nowy element to uwzględnienie alternatywnego sposobu opisu procesu mieszania się smugi zanieczyszczeń z otaczającym powietrzem przy wykorzystaniu metod opracowanych przez Briggsa i in. (2001) i Nowickiego (1976). Metoda Briggsa i in. (2001), dotycząca parametryzacji wciągania masy powietrza przez górną powierzchnię smugi zanieczyszczeń zarówno na etapie, gdy smuga ma gęstość większą od gęstości powietrza, jak i na etapie, gdy gęstość smugi staje się porównywalna z gęstością powietrza, należy do nowszych metod i była wdrożona tylko w modelu HEGADAS3+. Metoda Nowickiego (1976), dotycząca parametryzacji mieszania się smugi zanieczyszczeń z otaczającym powietrzem przez powierzchnie boczne smugi na etapie, gdy smuga gazów ma gęstość porównywalną z gęstością powietrza, nie była jak dotąd wykorzystywana w modelach rozprzestrzeniania się w atmosferze gazów cięższych od powietrza. Model HGDM wykorzystano do pokazania, jak wysokość, szerokość i stopień przepuszczalności przeszkody wpływają na rozcieńczanie smugi zanieczyszczeń. Ocenę jakości modelu HGDM przeprowadzono, wzorując się na protokole opracowanym w toku realizacji międzynarodowego projektu SMEDIS. Jest to pierwsze zastosowanie metodyki SMEDIS w Polsce. Ocenę statystyczną modelu HGDM zrealizowano, porównując wyniki obliczeń otrzymane przy wykorzystaniu modelu z danymi pomierzonymi podczas badań prowadzonych w dużej skali w terenie, zestawionymi w specjalistycznych, komputerowych bazach MDA i SMEDIS. Praca kończy się porównaniem trzech metod parametryzacji wpływu przeszkód terenowych na rozprzestrzenianie się gazów cięższych od powietrza, wdrożonych w modelu HGDM. Dwie z nich zostały opracowane przez Cleavera i in. (1995) oraz Webbera i in. (1995), a trzecia powstała przez rozszerzenie przez autorkę metody Webbera i in. (1995). Wnioskowanie, czy istnieją statystycznie istotne różnice w wynikach modelowania przy stosowaniu trzech różnych metod parametryzacji przeprowadzono, wykorzystując program BOOT opracowany przez Hannę i in. (1993). Prezentowana metodyka ilościowej oceny skutków środowiskowych w sytuacjach awaryjnych, ciągłych w czasie uwolnień do atmosfery gazów cięższych od powietrza z powierzchniowego, przyziemnego źródła emisji, zdaniem autorki, może znaleźć praktyczne zastosowania. Stanowi potencjalne narzędzie do stosowania w procedurach dotyczących: ocen oddziaływania na środowisko, analiz bezpieczeństwa, planowania operacyjno-ratowniczego i efektywnego zagospodarowania przestrzennego. Dla realizacji symulacji z wykorzystaniem modelu HGDM wszystkie dane wejściowe są łatwo dostępne, w szczególności dane meteorologiczne mogą być pozyskane z rutynowych pomiarów prowadzonych Polsce. Czas obliczeń jest zdecydowanie krótszy w porównaniu z czasem obliczeń potrzebnym przy stosowaniu bardziej złożonych modeli matematycznych, tak więc symulacje z użyciem modelu HGDM mogą być wykonywane w czasie rzeczywistym.

Słowa kluczowe: gazy cięższe od powietrza, rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w atmosferze, badania doświadczalne, modelowanie matematyczne, ocena jakości modeli, przeszkody terenowe