بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی نحوه پخش آلایندههای جوی خروجی از دودکش واحدهای صنعتی در مناطق شهری توسط CALPUFF
با توجه به رشد رو به افزایش واحدهای صنعتی در کشورهای در حال توسعه و آلایندههای ایجاد شده توسط این واحدها، امروزه مدلسازی نحوه توزیع و پخش آلایندههای جوی بهخصوص در مناطق شهری یک ضرورت اجتناب ناپذیر میباشد. مدلسازی پخش آلایندههای جوی روشی برای تخمین میزان تمرکز و غلظت آلایندهها در فواصل مختلف نسبت به منبع انتشار است. بدون اجرای صحیح و مناسب این برنامهها، اقدامات مدیریتی تنها به اقدامات پس از وقوع حوادث محدود شده و در اینصورت اقدامات انجام شده با هزینههای زمانی و مالی بیشتر همراه خواهد بود. یکی از مدلهای استاندارد و معتبر برای مدلسازی پخش آلایندههای جوی، بسته نرم افزاری CALPUFF می باشد. در پژوهش حاظر ابتدا به بررسی خصوصیات این نرمافزار پرداخته و سپس به توضیح نحوه مدلسازی پخش فرضی SO2 خروجی از دودکش واحدهای صنعتی در حالت کار عادی و در مناطق شهری توسط این بسته نرم-افزاری پیشرفته میپردازیم. در پایان نتایج حاصل از مدلسازی نمایش داده شده است. بنابراین قابلیت مدلسازی پخش آلایندههای جوی خروجی از دودکش واحدهای صنعتی با استفاده از بسته نرم افزاری CALPUFF در مناطق شهری ایجاد شده است.
آلایندههای جوی، SO2 ، مدلسازی پخش، بسته نرمافزاری CALPUFF
مقدمه
با توجه به توسعه روز افزون واحدهای صنعتی و رشد شهرنشینی، جو کره زمین مورد هجوم انواع آلایندهها قرار گرفته است. از آنجایی که استنشاق این آلایندهها و یا حتی جذب آنها درخاک و آب، سبب ایجاد خسارات جبران ناپذیری به محـیط زیسـت مـی-شود، مدلسازی و بررسی چگونگی توزیع این آلایندهها در محیط بر حسب شرایط جـوی از جملـه مسـائل مهـم در بحـث نظـارت و کنترل محیط زیست به شمار می رود. پارامترهای مهمی از قبیل سرعت باد، پایداری جوی، ناهمواریهای سطح و نوع پوشش سـطح زمین در نحوه توزیع آلایندهها نقش اساسی دارند. یکی از موثرترین عوامل موثر در پخش آلایندههای جوی، وضـعیت پایـداری جـو می باشد. پایداری جو در حقیقت بیان کننده میزان اغتشاش در هوا و امکان انتقال آلاینده به سطوح بالاتر جـو اسـت. هـر چـه جـو ناپایدارتر باشد، امکان انتقال آلاینده به سطوح بالاتر بیشتر است. همچنین نوع پوشش سطح زمین، در میزان ته نشسـت آلاینـده در سطح زمین موثر است که باید مورد توجه قرار بگیرد.
استانداردها و مدلهای متعددی جهت بررسی نحوه توزیع آلایندهها در جو وجود دارند، که روش مناسب با توجه به نوع آلاینده، شرایط آب و هوایی و محیط انتشار انتخاب میشود. برخی موسسات معتبر اقدام به ایجاد استانداردهایی جهت پیشبینی غلظت آلایندهها در جو نمودهاند. تفاوت استانداردهای مختلف در تخمین غلظت آلایندهها، در دقت مدل، معادلات بکار گرفته شده در مدل برای بررسی پدیدههای مختلف انتشار و موارد بکارگیری مدل میباشد. به کارگیری این مدلها سطح آمادگی مدیران و متولیان را برای کنترل آلایندههای جوی افزایش می دهد.[1] یکی از مدلهای استاندارد و معتبر برای مدلسازی پخش آلایندههای جوی، بسته نرمافزاری CALPUFF میباشد. در بخش دوم بطور مختصر بسته نرم افزاری CALPUFF معرفی شده است. در بخش سوم نحوه مدلسازی پخش جوی SO2 با استفاده از این بسته نرم افزاری ارائه شده و در بخش آخر نتایج شبیه سازی نمایش داده شده و بحث و بررسی صورت گرفته است.
2 - بسته نرم افزاری CALPUFF
نرم افزارهایCALPUFF، AERMOD و ISC توسط آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده آمریکا برای پیشبینی و مدلسازی پخش آلایندههای گازی و ذرات معلق در جو به کار برده میشوند. سیستم نرمافزار CALPUFF جهت پیشبینی نحوه پخش آلاینده از مدل توده گوسی استفاده میکند. اصطلاح توده به این معنی است که آزاد شدن دود خروجی حالت یکنواخت
نداشته و به صورت تودههای مجزایی که با هم فاصله دارند، صورت میگیرد. به بیان سادهتر در این مدلها ستون دود را به صورت مجموعهای از تعداد محدودی توده که پیدرپی آزاد میشوند، درنظر میگیرند. این در حالی است که در مدلهای ستون دود فرض تخلیه مداوم و یکنواخت را از یک چشمه انتشار آلاینده را دارند. این قابلیت به CALPUFF این امکان را میدهد که شبیهسازی نحوه پخش آلایندهها از منابع انتشار نقطهای و سطحی را دقیقتر انجام دهد. مزیت دیگر CALPUFF قابلیت بررسی عوارض پیچیده زمین و همچنین بررسی تبدیلات شیمیایی آلایندهها در طول مسیر انتشار است که این خاصیت نیز به دلیل استفاده از مدل توده گوسی است. به دلایل فوق بسته نرمافزاری CALPUFF از طرف آژانس حفاظت محیط زیست آمریکا به عنوان مدل ارجح و پیشنهادی1 معرفی شده است.
مدل CALPUFF، یک مدل چند لایهای است که برای شرایط ناپایدار و براساس مدل توده گوسـی لاگرانـژی، طراحـی شـده است. این مدل اثرات زمانی و فضایی وضعیت آب و هوایی بر روی انتقال، تبـدیل و حـذف آلاینـدههـای جـوی را در نظـر گرفتـه و همچنین دارای قابلیت مدلسازی همزمان چند آلاینده است. این بسته نرم افزاری، توانائی استفاده از میدانهای سه بعدی مربـوط بـه اطلاعات هواشناسی محاسبه شده توسط برنامه CALMET و همچنین قادر به دریافت اطلاعات ساده تـک ایسـتگاهی مربـوط بـه اطلاعات باد سازگار با میدانهای هواشناسی مورد استفاده در مدلهای پایدار گوسی از قبیل ISC3 و CTDM میباشد. این سیسـتم مدلسازی جامع، در برگیرنده چند پیش پردازنده و سه بخش پردازنده اصلی به شرح زیرمی باشد:
▪ :CALMET پردازنده سه بعدی هواشناسی، وظیفه این برنامه پردازش اطلاعات هواشناسی واطلاعات ژئوفیزیکی منطقه و تهیه فایل ورودی برنامه CALPUFF است .[2]
▪ :CALPUFF پردازنده پخش جوی، این برنامه وظیفه حل معادله پخش توده را برعهده دارد. [3]
▪ :CALPOST پردازنده اطلاعات خروجی، خروجی این برنامه غلظت آلاینده در نقاط مشخص شده توسط کاربر در بازه مورد بررسی است. [3]
پیش پردازندههای برنامه CALMET وظیفه پردازش اطلاعات اولیه و تهیه اطلاعات با فرمـت مناسـب بـرای CALMET را دارند. این پیش پردازنده ها به شرح زیر می باشند: [2]
▪ :CTGCOMP این برنامه وظیفه کاهش حجم فایل حاوی اطلاعات کاربری منطقه را به عهده دارد،
▪ :CTGPROC برنامه پردازشگر اطلاعات کاربری زمین تهیه شده توسط CTGCOMP،
▪ :TERREL برنامه پردازشگر اطلاعات ژئوفیزیکی منطقه،
▪ :SMERGE پردازشگر اطلاعات هواشناسی سطح،
▪ :READ62 پردازشگر اطلاعات هواشناسی بالای جو،
▪ :PMERGE پردازشگر اطلاعات بارشهای جوی،
▪ :BUOY پردازشگر اطلاعات هواشناسی روی سطح آب.
روش مدل سازی پخش توده به کار رفته در CALPUFF
معادله اصلی به کار رفته در مدل CALPUFF برای تعیین سهم یک توده در گیرنده، به صورت زیر است:
که در آن C غلظت آلاینده برحسب((g/m3، Q جرم آلاینده در توده مورد نظر برحسب گـرم، x انحـراف معیـار اسـتاندارد توزیع گوسی در جهت باد بر حسب متر، y انحراف معیار استاندارد توزیع گوسی در خلاف جهت باد بر حسـب متـر، z انحـراف معیار استاندارد توزیع گوسی در جهت عمودی بر حسب متر، da فاصله مرکز توده از گیرنده در جهت باد، dc فاصله مرکـز تـوده از گیرنده درخلاف جهت باد، g ترم عمودی معادله گوسی بر حسب معکوس متر،H ارتفاع موثر مرکز توده از سطح زمین برحسب متر وh ارتفاع لایه ترکیبی می باشند. ترم عمودی g در معادله گوسی، بیانگر نحوه انتشار در جهت ارتفاع ناشـی از انـدازه حرکـت تـوده خروجی و تغییرات عمودی سرعت باد در جهت z و همچنین اثر بازتابش توده در برخورد با سطح زمین است. مهمترین ویژگی ها و قابلیت های این مدل عبارتند از :
▪ قابلیت مدلسازی کلیه منابع آلاینده به صورت منفرد یا چندگانه و به صورت نقطه ای، سطحی(دوبعدی) و حجمی(سه بعدی) در ارتفاع های مختلف،
