SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

GEOTEHNIČKI FAKULTET

„Mogućnosti upotrebe računalnih programa u svrhu procjene

utjecaja na okoliš zbog onečišćenja zraka“

KOLEGIJ:

OSNOVE ZAŠTITE ZRAKA

Ak. god. 2013./2014.

Seminar izradili:

Dominović BarbaraAbramović Petra

Kucljak IvanŠimunić Patrick Josip

PREDMETNI NASTAVNIK:

Doc.dr.sc. Dinko Vujević, dipl.ing.kem.tehn.

SADRŽAJ

1. Uvod...............................................................................................................................................3

2. Procjena kvalitete zraka kreiranjem modela – modeliranje...........................................................4

3. Model dispergiranih onečišćivača zraka.........................................................................................5

4. Arhitektura softvera i tehnologije...................................................................................................7

4.1. GIS prikaz modula...................................................................................................................8

5. Korištenje GIS-a te dobivanje rezultata..........................................................................................9

5.1. Primjer korištenja GIS softvera...............................................................................................9

6. Zaključak.......................................................................................................................................11

7. Literatura......................................................................................................................................12

2Varaždin, 2014.

1. Uvod

Onečišćenje zraka uzrokovano ispuštanjem visokih koncentracija čestica u atmosferu od strane stacionarnih i mobilnih izvora može predstavljati opasnost za zdravlje čovjeka.

Onečišćujuće tvari u zrak dolaze iz raznih antropogenih izvora, u čiju podskupinu spadaju stacionarni i mobilni izvori. No osim antropogenih izvora onečišćenja, postoje i prirodni poput vjetrom nošene čestice prašine, požari, vulkanske erupcije, aerosoli, pješčane oluje itd.

Onečišćivači zraka putuju preko različitih udaljenosti u cijeloj atmosferi. Ozon ili fine čestice mogu putovati u gornjim slojevima atmosfere i biti prevezeni na stotine ili tisuće kilometara pri povoljnim meteorološkim uvjetima. Onečišćivači zraka prelaze državne i međunarodne granice, te su predmet zabrinutosti i pregovora među državama.

Onečišćujuće tvari u zraku koje se prenose i pohranjuju u blizini svojih izvora u pravilu imaju samo mali utjecaj na kvalitetu zraka i minimalni utjecaj na receptore, osim ako je onečišćujuća tvar vrlo otrovna ili su receptori vrlo osjetljivi. Kad onečišćivači zraka bivaju transportirani preko relativno velike udaljenosti i / ili u zraku duže vrijeme mogu imati više složenih učinaka, a tu je i veća vjerojatnost stvaranja kemijskih reakcija koje rezultiraju stvaranju više otrovnih onečišćujućih tvari u zraku. [3]

3Varaždin, 2014.

2. Procjena kvalitete zraka kreiranjem modela – modeliranje

Modeliranje i razmjena informacija važni su čimbenici za kontrolu i upravljanje onečišćenja zraka. Modeliranje je uvedeno iz odnosa s povezanim smjernicama i stručnosti američke Agencije za zaštitu okoliša (EPA). Prijedlog pravljenja modela kakvoće zraka uključuje SCREEN3, AERMOD, ADMS i CALPUFF. Međutim, programi su pisani kao pomoćni alati aplikacija i oni su nezgodni za korištenje krajnjim korisnicima PUO-a. Potrebno je razviti sistemski programski alat s grafičkim korisničkim sučeljem ( GUI) za ulaz na izvor parametara i predočiti rezultate izračuna s kartom podrške. Fortran i C# programiranje, hibridna tehnologija korišteni su za izračunavanje koncentracije atmosferskih onečišćivača, a ArcGIS se koristi kao platforma za predočavanje rezultata modeliranjem. [1]

Integracija procjene onečišćenja zraka, državne regulacije kvalitete zraka, modeliranje disperzije zraka i provedba GIS alata za podršku modeliranje i analizu utjecaja je vrlo široka i složena.

Da bi pratili trendove nadzornih mjera za ispunjavanje HAA, stvarna mjerenja kakvoće zraka su napravljena na parametrima kakvoće zraka na određenim područjima diljem zemlje. Međutim, izravno mjerenje kakvoće zraka je skuplje u odnosu na kreiranje modela kakvoće zraka. U slučajevima gdje je prihvatljiv stupanj odskakanja od tocnosti može krajnji rezultat se može postići modelom kakvoće zraka, troškovi se tada smanjuju jer je kao što je već ranije navedeno, to jeftinija metoda dobivanja rezultata nego dobivanje rezultata izravnim mjerenjima. Model kakvoće zraka je jedini način za procjenu potencijalnih budućih učinaka većine predloženih građevinskih projekata, ili u operativnim promjenama već postojećih projekata.

U skladu s tim, modeliranje ima vrlo široku primjenu u procjeni mogućih utjecaja na kvalitetu kakvoće zraka i kvalitete zraka u svezi s vrijednostima, kao što je taloženje i vidljivosti. Kako su modeli postali brojniji, složeniji i raznolikiji, snažne i robusne tehnike dostupne su u GIS-u, sve više se modeliranje koristi za upravljanje prostornim podacima, vizualizaciju, korisničko sučelje i analizu utjecaja. Kombinirana upotreba modela kakvoće zraka i GIS-a postaje standardni postupak i nezamijenjiv alat za procjenu mogućih utjecaja kvalitete kakvoće zraka.

4Varaždin, 2014.

3. Model dispergiranih onečišćivača zraka

Onečišćenje zraka uzrokovano industrijskim ili slučajnim onečišćenjem predstavalja opasnost po društvo, stoga je važno razviti cijelovit sustav pračenja, razmjene informacija i kontrole nad onečišćenjem zraka. Softver GIS je razvijen kao računalni alat za pomoć u procjeni utjecaja raznih onečišćenja na atmosferu.

ArcGIS služi kao GIS platforma za prikazivanje koncentracije onečišćujućih tvari s visinom uz vizualizacije na karti. Razvijeni softwer se može koristiti kao alat za procjenu onečišćenja zraka. Programski jezici, Fortran i C # se koriste za izračunavanje koncentracije atmosferskih onečišćivaća, a ArcEngine se koristi kao platforma predočavanja četiri predložena sustava modeliranja: SCREEN3, AERMOD, ADMS i CALPUFF.

Slijedeći softwer je baziran na SCREEN3 modelu. SCREEN3 model koristi Gaussov model disperzije koji povezuje čimbenike povezane za izvor onečišćenja i meteorološke čimbenike za procjenu onečišćujućih tvari iz kontinuiranih izvora onečišćenja. Pretpostavlja se da onečišćivalo ne stupa u kemijske reakcije, kao što su mokro i suho taloženje, u svom putu od izvora onečišćenja. Koncentracija polutanta ne utječe na tok emisije onečišćenja (pasivna disperzija), molekularna i longitudinalna (duž smjera vjetra) difuzija su zanemarive.

Vrijednost koncentracije onečišćivača po satu dana je izrazom:

χ=Q ∙K ∙V ∙D2π usσ sσ z

∙ e−0.5( yσ y )

2

gdje je:

Q – emisija onečišćivačaK – koeficijent za pretvorbu kalkuliranih koncentracija na željene mjerne jedinice (standardna potencija je 106 za Q u g/s i koncentraciju µg/m3)V – vertikalna distribucije Gauss-ove krivuljeD – konstanta odstranjivanja onečišćivala kemijskim ili fizičkim putemus – brzina vjetra (m/s) pri određenoj visiniσy, σz – standardna devijacija distribucije bočne i vertikalne koncentracije (m)

5Varaždin, 2014.

Jedni od najvažnijih paremetara koji se uzimaju kod Gaussovog modela disperzije u obzir su: smjer vjetra, brzina vjetra i turbulenciji u atmosferi. Najvažniji od njih je smjer vjetra, jer on određuje početni transport onečišćivala od mjesta njegove emisije u okoliš. Smjer vjetra se mijenja i s visinom. Na višim nadmorskim visinama, zbog horiznotalne termičke strukture, smjer vjetra se mijenja suprotno smjeru kazaljke na satu, a na nižim nadmorskim visinama, zbog površinskog trenja ima promjenu u smjeru kazaljke na satu. Brzine vjetra i koncentracije mogu se podijeliti u srednju komponentu i vrijednost fluktuacija je nula, turbulentni tok je linearan, a bočna srednja brzina V i vertikalna brzina vjetra jednake su nuli i imamo idealan slučaj ravnog terena.

Točnost ovog modela u predviđanju koncentracije polutanta direktnim uvođenjem podataka treba biti u polju od 20% za emisije na nivou tla, na udaljenosti od 1 km. Za više emisije, preciznost je do 40%. Za veće udaljenosti ili više od 1 km jednadžba se množi s faktorom 2 kako bi bila točna. [2]

6Varaždin, 2014.

4. Arhitektura softvera i tehnologije

Softver se sastoji od tri modula: Proračun difuzije , GIS prezentiranje i dokument procjene. Arhitektura ovog softvera se prikazuje kao slici 1.

Slika 1. – Arhitektura GIS softvera

Postojeći SCREEN3 code je skladan Fortran jeziku. Fortran programski jezik se uveliko koristi u znanstvene proračune, ali nema baš dobro razvijeno grafičko korisničko sučelje (GUI). Visual C# je nova generacija objektno – orijentiranog ( OO ) jezika, koji je posebno dizajniran za Microsoft.Net Framework. C# je vrlo učinkovit za GUI razvoj. SCREEN3 izvorni kod je izvorno dizajniran za izračunavanje koncentracije prizemnog onečišćenja (onečišćennja pod dosegom vjetra), a proširenje je napravljeno za procjenu onečišćujućih koncentracija u području izvan dosega vjetra. Dobiveni rezultati izračuna u Fortanu se spremaju u Excel datoteci pozivom office API functions.

7Varaždin, 2014.

4.1. GIS prikaz modula

Geografski informacijski sustav (GIS), kao proizvod u kombinaciji tradicionalne znanosti (geografije, kartografije i izmjere) s modernom znanosti i tehnologijom ( informatika , itd. ) , postupno se razvija u integrirani moderni sustav za obradu prostornih podataka. GIS je učinkovit alat za upravljanje geografskim informacijskim resursima, a njegova snažna baza podataka i sposobnost prostorne analize su otkrili više aplikacija u području procjene utjecaja na okoliš. ArcGIS Motor je skup GIS komponenti kojim je razvijen sustav za dodavanje dinamičkog mapiranja i GIS mogućnosti u postojeće aplikacije ili izgradnja po potrebi novih aplikacija. U ovom programU, ArcEngine se koristi za implementaciju GIS podataka i karata i vizualizaciju atmosferskog zagađenja pomoću sučelja za programiranje aplikacija (API). Dodavanje različitih aplikacija omogućuje primjerice karte različitih slojevitosti. Jedan od algoritama ugrađenih ArcGIS omogućuje da se pomoću različitih boja ograde različite koncentracije onečišćivala na nekom području i tako na karti možemo prikazati područja s najvećom, srednjom ili najmanjom koncentracijom onečišćenja. ADP modul (Assessment document preparation module ) se radi izrada izvješća o izvoru, distribuciji i koncentraciji onečišćujućih tvari, kao i pripadajući graf prikaza onečišćenja.

8Varaždin, 2014.

5. Korištenje GIS-a te dobivanje rezultataKao što je već ranije navedeno, GIS se koristi prilikom izrade modela kakvoće zraka.

Dobiveni rezultati nam pružaju uvid u stanje na određenim lokacijama, prvenstveno grafički model kako bismo mogli predočiti situaciju o eventualnom stanju.

5.1. Primjer korištenja GIS softveraParametri izvora emisija su slijedeći:

Vrsta izvora – točka nekog područja Emisija (g/S) – 100.0 Visina dimnjaka (m) – 100.0 Unutarnji promjer dimnjaka (m) – 2.5 Brzina emisije na izlazu dimnjaka (m/s) – 25.0 Temperatura ispušnih plinova u dimnjaku (K) – 450 Temperatura okoline (K) – 293 Visina receptora (m) – 0.0 Urbano/seosko područje – urbano Smjer vjetra – sjeveroistok

Upisom gore navedenih podataka, dobijemo grafički prikaz Gauss-ove krivulje koja označuje onečišćenje nekog područja. Svaka vrijednost određene koncentracije emisija je druge boje, a to izgleda kao na slici 2:

Slika 2. – grafički prikaz Gauss-ove krivulje koja predstavlja vrijednosti onečišćenja zraka

9Varaždin, 2014.

Slika 3. – Skala vrijednosti koncentracija koje utječu na zdravlje [4]

Prema slici 3. možemo zaključiti koja je granična vrijednost koncentracija čestica u zraku, te prema tome na slijedećoj slici možemo vidjeti grafički prikaz koji pokazuje vrijednosti onečišćivala.

Slika 4. – Grafički prikaz vrijednosti koncentracija čestica u zraku [5]

Upisivanjem gore navedenih parametara u GIS u svrhu konstrukcije modela i provođenja kalkulacije dobivamo grafički prikaz koncentracije onečišćujučih čestica u zraku. Kao što možemo vidjeti, Gauss-ove krivulje ispunjene različitim bojama (od zelene do crvene) pokazuju vrijednost ili postotak koncentracije onečišćujučih čestica u zraku za neko određeno područje. (Slika 4.)

10Varaždin, 2014.

[6.] Zaključak

Modeliranje nalazi široku primjenu za procjenu mogućih utjecaja na kvalitetu zraka i kvalitete zraka u svezi s vrijednostima, kao što je taloženje i vidljivosti. Kako su modeli postali brojniji, složeniji i raznoliki te su snažne i robusne tehnike dostupne u GIS-u, sve više se koristi za upravljanje prostornim podacima, vizualizaciju, korisničko sučelje, analizu utjecaja.

Kombinirana upotreba modela kakvoće zraka i GIS-a postaje standardnim postupkom mjerenja te su samim time u današnje vrijeme vrlo važni prilikom provođenja ispitivanja i kreiranja potrebne dokumentacije o kvaliteti zraka.

Naime, upotrebom računalnih programa ne samo da procjenjujemo utjecaj na okoliš zbog onečišćenja zraka nego i dobivenim rezultatima možemo odrediti prevencije kako bi sveli posljedice onečišćenja na minimum.

11Varaždin, 2014.

6.[7.] Literatura

1. Software for Environmental Impact Assessment of Air Pollution Dispersion Based on ArcGIS - Shengjun Zhong, Legang Zhou, Zhufang Wang, 2011. 3rd edition

2. RGN skripta – Zaštita okoliša – prof. Gordan Bedekovićhttp://rgn.hr/~gbedekov/nids_gbedekovic/Interna%20skripta%20ya%20predmet%20Zastita%20zraka.pdf [3.1.2014.]

3. Assessing human health and environmental impacts of air pollutants23rd Annual ESRI User Conference July 7-11, 2003http://proceedings.esri.com/library/userconf/proc03/p0499.pdf [23.11.2013]

4. http://www.earthzine.org/2010/01/25/ airnow - international - the -future- of - the - united - states - real -time- air - quality - reporting - and - forecasting -program- with - geoss - participation / [4.1.2014.]

5. http://www.oplab.sztaki.hu/apt_conc.gif [4.1.2014.]

12Varaždin, 2014.