بخشی از مقاله
تقسيم بندي انواع مدل هاي پخش آلودگي هوا بر اساس دستورالعمل EPA
چکيده
آلودگي هوا به وجود هر ماده اي در هوا که ميتواند براي انسان يا محيط او مضر باشد اطلاق مي گردد. آلاينده ها ممکن است طبيعي و يا ساخته دست بشر باشند و ممکن است به اشکال مختلف ذرات جامد يا قطرات مايع يا گاز باشند که بالغ بر ١٨٠ آلاينده مي باشند . منابع آلوده کننده هوا به دو قسمت طبيعي و مصنوعي تقسيم بندي مي شود.
در براساس دستور العمل EPA، مدلهاي پخش آلاينده هاي هوا به چهار دسته اصلي تقسيم بندي مي شوند:
مدلهاي ارجح - پيشنهادي Preferred and)
Recommended models)-مدلهاي جايگزين
Alternative models)- مدلهاي غربالگر Screening) models)-مدلهاي فتوشيميايي (models Photochemical)- که هر يک از مدل ها تعريف شده و ويژگي هاي مدل هاي هر گروه در اين مقاله شرح داده شده است .در نهايت مدلهايي در ايران به کار رفته و استفاده شده است معرفي شده است .
کلمات کليدي: مدلهاي کامپيوتري - داده ها–EPA- معادلات رياض - ماژول پردازش اوليه -
١ مقدمه
مدل انتشار آلودگي، به شبيه سازي چگونگي انتشار آلاينده هاي هوا در وضعيت حاضر جو اطلاق مي شود. اين مهم توسط برنامه هاي کامپيوتري که معادلات رياضي و الگوريتمهاي ويژه توزيع آلودگي هوا را حل مي نمايند، انجام ميشود. برنامه هاي انتشار آلاينده هاي هوا به پيش بيني و تخمين ميزان آلاينده هاي هوايي که از منابع گوناگون به سطح زمين مي رسد مي پردازد. اهميت اين برنامه ها بيشتر از جهت آمادگي مديران و متوليان براي جلوگيري و مديريت اين آلاينده هاي مي باشد، اين برنامه ها کمک مي کند تا کنترل آلاينده
هاي هوا با رويکرد مديريت پيش بيني خطر و نه با مديريت بحران انجام شود، به طوريکه بدون اجراي صحيح و مناسب اين برنامه ها، اقدامات مديريتي تنها به اقدامات پس از وقوع حوادث محدود شده و بالتبع اقدامات انجام شده با هزينه بيشتر زماني و مالي و عدم همخواني با اثرات ايراد شده همراه خواهد بود.[٤]
با توجه به موارد فوق الذکر و تنوع و تراکم فعاليتها در منطقه ويژه انرژي پارس جنوبي اجراي يک برنامه مناسب بر اساس کارکردهاي هريک از واحدها، وضعيت آب و هوايي منطقه و همچنين با رويکرد تجمعي در کل منطقه ويژه اقتصادي از اهميت فوق العاده اي برخودار است .
مدلهاي آلودگي هوا نيازمند داده هاي ورودي صحيح و مطمئن براي اجرا مي باشند، برخي از مهمترين داده هاي مورد
نياز عبارتند از:
وضعيت آب وهواي منطقه مانند وضعيت باد، وضعيت توربالانسهاي منطقه (طبقه پايداري هوا)، دما، پروفيل دما و وضعيت وارونگي و ساير ويژگي هاي جوي
وضعيت انتشار آلاينده ها ا زمنابع مختلف مانند محل و ارتفاع منبع آلاينده ، ابعاد دودکشها، سرعت خروج آلاينده ها، نرخ دبي جرمي
عوارض ارتفاعي در منبع توليد آلودگي و منبع پذيرنده
محل و ابعاد موانع موجود مانند ساختمانها و يا ساير سازه ها و تجهيزات موجود در سر راه انتشار آلودگي
بسياري از نرم افزاري پيشرفته داراي يک ماژول پردازش اوليه براي ذخيره و ثبت داده ها و يک پردازش نهايي براي ارايه گزارش وضعيت انتقال آلودگي در قالب نمودار، جدول و نقشه مي باشند با توجه به اهميت اين مدلها و همچنين مقدمه فوق
1
الذکر برخي از مدلهاي معتبر در اين زمينه در ذيل ارائه مي گردد[٢].
٢ تقسيم بندي مدل ها
براساس دستور العمل EPA، مدلهاي پخش آلاينده
هاي هوا به چهار دسته اصلي زير تقسيم بندي مي شوند:
I. مدلهاي ارجح - پيشنهادي Preferred and) (Recommended models: مدلهايي هستند که مورد تاييد EPAمي باشند و مي توانند در شرايط مختلف پيش بيني هاي دقيقي نمايند مدلهايي مانند AERMOD و
CALPUFF از اين دسته مي باشند، مدل ISC3 که در اين دسته قرار مي گرفت اخيرا به گروه مدلهاي جايگزين سقوط کرده است .[٥]
II. مدلهاي جايگزين (Alternative models): مدلهايي هستند که به صورت جايگزين براي مدلهاي فوق معرفي ميشوند، مدلهايي مانند،ADAM, ٣ ,ISC3 ADAMکه مورد اخير به تازگي از گروه مدلهاي ارجح پيشنهادي سقوط کرده است .[١]
III.مدلهاي غربالگر(Screening models): اين مدلها، بيشتر براي تعيين نياز به يک مدل و غربالگري مدلها، پيش از انتخاب و يا کاربرد يک مدل مورد استفاده قرار مي گيرند. به طور مثال AERSCREEN که به عنوان غربالگر
AERMOD استفاده مي شود يا SCREEN3که به عنوان غربالگر ISC3 مورد استفاده قرار مي گيرد.
IV. مدلهاي فتوشيميايي (models )Photochemical: اين دسته از مدلها، مدلهاي آلودگي هوا در مقياس کلان هستند که تغييرات غلظت آلاينده هاي هوا را در اتمسفر بر اساس ويژگيهاي شيميايي و فرايندهاي فيزيکي موجود در اتمسفر شبيه سازي مي کند. اين دسته از مدلها مي توانند در دامنه وسيعي ازمقياس محلي تا جهاني مورد استفاده قرار گيرند. مدلهايي چون CAMx و REMSAD از اين دسته هستند.[٣]
مدل AERMOD I. معرفي نرم افزار
نرم افزار AERMOD يک سيستم جامع پخش
آلاينده هاي هوا است که شامل سه ماژول زير مي باشد:
مدل پخش آلاينده هاي هواي پايدار
براي فواصل کمتر از ٥٠ کيلومتر از منابع ثابت انتشار آلاينده هاي هواي صنعتي
ماژول پردازش داده هاي هواشناسي
(AERMET) که داده هاي هواشناسي سطحي، ارتفاع سنجي لايه هاي بالايي هوا و در صورت تمايل داده هاي حاصل از سنجشهاي ايستگاهي در سايت . در نهايت اين ماژول توانايي محاسبه پارامترهاي مورد نياز را بر اساس مدل پخش آلاينده هوا دارد ويژگي هايي مانند توربولانس هوا، ارتفاع اختلاط ، سرعت اصطکاک، طول Monin-Obukov و سطح شار حرارتي
ماژول پردازش عوارض زمين
AERMAP، که هدف اصلي آن ايجاد يک ارتباط فيزيکي بين عوارض سطحي زمين و رفتارهاي آلاينده هوا مي باشد.
اين سيستم توانايي محاسبه محل و ارتفاع را براي هريک از منابع پذيرنده آلودگي دارد همچنين توانايي شبيه سازي و پيش بيني اثرات وارد شده به مناطق مرتفع و يا شکافتگي ناشي از اين مناطق را دارد.
همچنين نرم افزار AERMOD شامل بخشي به نام
(Plume Rise Model Enhancements)
PRIMEمي باشد که الگوريتمي است براي شبيه سازي اثرات روبه پايين ايجاد شده توسط منابع آلاينده هوا که از ساختمانها و سازه هاي مجاور عبور مي نمايند.
نرم افزار AERMOD توسط AERMIC با همکاري هيات علمي EPA و AMS تهيه شده است . اين نرم افزار در سال ١٩٩١ براي اولين بار منتشر گرديد. نرم افزار
AERMOD توسط AERMIC در هفت مرحله طراحي و
بهبود يافت :
فرمول نويسي اوليه مدل
ارزيابي ارتقاع مدل
بازنگري داخلي و انتشار سري بتا
2
بازنگري فرمول نويسي مدل
ارزيابي کارايي مدل و تست حساسيت آن
بازنگري خارجي
تسليم به EPA براي اينکه از آن به عنوان يک
مدل قانوني در طبقه مدلهاي ارجح استفاده شود[١].
در آوريل سال ٠٠٠ ،EPA اين نرم افزار را براي مدل سازي عوارض ساده و پيچيده سطحي زمين مورد تاييد قرار داد و معرفي نمود. در نوامبر سال ٢٠٠٥ اين مدل کاملا توسط
EPA پذيرفته و منتشر گرديد. همانطور که ملاحظه مي شود ارتقاء و پذيرش نهايي اين مدل حدود ١٤ سال به طول انجاميد.
II. ويژگي ها و توانايي هاي نرم افزار
برخي از مهمترين ويژگي هاي و توانايي هاي اين نرم
افزار به قرار زير است :
اين مدل داراي يک مد ل غربالگر به نام
AERSCREENمي باشد که پيش از انتخاب و يا کاربرد آن ميتواند مورد استفاده قرارگيرد.
کليه منابع آلاينده به صورت منفرد يا چندگانه نقطه اي، سطحي (دوبعدي) و حجمي(سه بعدي) قابل پذيرش مي باشد.
منابع انتشار آلاينده مي توانند به صورت سطحي،
نزديک به سطح و يا مرتفع باشند.
محل انتشار آلاينده مي تواند به صورت شهري و روستايي باشد در مورد منابع شهري معيار تعداد
جمعيت مي باشد.
نوع آلاينده هاي هواي خروجي مي تواند به صورت
پيوسته و يا آلاينده هاي سبکتر از هوا(buoyant plumes)
باشد.
نزولات جوي آلاينده هاي هوا مي تواند به صورت
خشک يا مرطوب ، ذرات و يا گازي باشد.
براي محاسبه توزيع آلاينده ها به صورت عمودي و
افقي در شرايط پايدار آب و هوايي از مدل گوسي و براي توزيع عمودي در شرايط ناپايدار از مدلهاي غير گوسي استفاده مي کند.
عوارض سطح زمين مي تواند به صورت ساده و يا پيچيده در نظر گرفته شود.
اثرات ساختمانهاي با استفاده از الگوريتم PRIME
براي جريانات هواي روبه پايين محاسبه مي گردد.
داده هاي هواشناسي براي سطوح مختلف ارتفاعي مي تواند مورد استفاده قرار گيرد.
پروفيل داده هاي هواشناسي به صورت پروفيل عمودي باد، توربولانس و دما قابل ارائه مي باشد.
مهمترين محدوديتهاي آن به شرح ذيل مي باشد:
اين مدل براي شرايط پايدار هوا طراحي شده است
محدوديت شعاع مطالعاتي در حد ٥٠ کيلومتر را دارد
اين مدل بيشتر براي شرايط پيوسته طراحي شده و ممکن است شرايط اضطراري را نتواند پوشش دهد
اين مدل قادر به مشخص نمودن آلاينده هاي چندگانه ناشي از مه دود فتوشيميايي مانند ازن نيست .[٦]
مدل CALPUFF I. معرفي نرم افزار
مدل CALPUFF، يک مدل چند لايه اي و چند گونه اي است که براي شرايط ناپايدار و برا اساس مدل لاگرانژ طراحي شده است . اين مدل مي تواند اثرات زماني و فضايي وضعيت آب و هوايي را بر روي انتقال ، تبديل و دفع آلاينده هاي هوا را پيش بيني نمايد. مدل CALPUFF توانايي آنرا دارد تا داده هاي سه بعدي هواشناسي محاسبه شده توسط مدل
CALMET را مورد استفاده قراردهد و يا از داده هاي ايستگاه هاي منفرد باد در يک فرمت سازگار با ISC٣ ويا مدل گوسي CTDM براي شرايط پايدار آب و هوايي استفاده نمايد.
3
اين نرم افزار داراي الگوريتمي براي پيش بيني اثرات آلاينده ها بر منابع نزديک به سطح زمين مانند حرکت روبه پايين به سمت ساختمانها، حرکت روبه بالا، نفوذ نسبي ستون دود و اثر عوارض سطح زمين مي باشد. همچنين اين نرم افزار مي تواند اثرات رفع آلودگي (مانند ريزشهاي و نزولات جوي)، تغييرات شيميايي، برش عمودي باد و انتقال بر روي آب محاسبه نمايد. بيشتر الگوريتمهاي اين نرم افزار قادر هستند تا فرايندهاي فيزيکي را با جزئيات در سطوح مختلف اعمال نمايند.
نرم افزارCALPUFF در اواخر دهه ٨٠ توسط
(Sigma Research Corporation) براي اولين بار و تحت حمايت ماليCalifornia Air CARB) (Resources Board تهيه شد و در سال ١٩٩٠ منتشر گرديد. بعد از اينکه اين نرم افزار توسط EPAآمريکا در کتاب راهنماي مدلهاي آلودگي هوا به عنوان يک مدل ارجح (Preferred Model) معرفي گرديد، SRC به عنوان بخشي از شرکت نويسنده نرم افزار آن يعني Earth Tech
همکاري خود را ادامه داد. در آوريل سال ٢٠٠٦ Earth Techبه عنوان صاحب اين نرم افزار جاي خود را به TRC Environmental Corporation داد که هم اکنون مسئول توزيع و پشتيباني آن مي باشد.
اين سيستم مدل سازي جامع در برگيرنده سه بخش
اصلي و چندين بخش پيش پردازش و پردازش نهايي ميباشد
که عبارتند از:
ALMET : يک مدل سه بعدي هواشناسي
مي باشد.
ALPUFF : مدل پخش کيفي هوا
ALPOST : يک بسته پردازش نهايي مي
باشد
همه بخشهاي فوق الذکر داراي يک واسطه جغرافيايي بنام GUI مي باشند. همچنين امکان ورود داده هاي بسيار زيادي چون داده هاي مربوط به کاربري اراضي و عوارض سطح
زمين ، هواشناسي و ارتباط با مدلهاي ديگر زير ميباشد:
Penn State.NCAR Mesoscale
Model
National Centers for
Environmental Prediction (NCEP) Eta
Model
RAMS meteorological model
II. ويژگي ها و توانايي هاي نرم افزار
برخي از مهمترين ويژگي ها و توانايي هاي اين نرم افزار
به قرار زير است :
کليه منابع آلاينده به صورت منفرد يا چندگانه و به صورت نقطه اي، سطحي (دوبعدي) و حجمي(سه بعدي) قابل پذيرش مي باشد.
منابع انتشار آلاينده مي توانند به صورت سطحي، نزديک به سطح و يا مرتفع باشند.
نوع آلاينده هاي هواي خروجي مي تواند به صورت پيوسته ، ناپيوسته و يا آلاينده هاي سبکتر از هوا( buoyant plumes) باشد.
دانه بندي متغيرهاي هواشناسي به صورت سه بعدي
نزولات جوي آلاينده هاي هوا مي تواند به صورت خشک يا مرطوب ، ذرات و يا گازي باشد.
عوارض سطح زمين مي تواند به صورت ساده و يا پيچيده به علاوه کاربريها در نظر گرفته شود.
اثرات ساختمانهاي مورد محاسبه قرار گيرد.
داده هاي هواشناسي براي سطوح مختلف ارتفاعي مي تواند مورد استفاده قرار مي گيرد.
پروفيل داده هاي هواشناسي به صورت پروفيل عمودي باد، توربولانس و دما قابل ارائه مي باشد.
