Циљ моделирања загађења ваздуха је процена концентрација спољних загађивача изазваних, на пример, процесима индустријске производње, случајним испуштањем или саобраћајем. Моделирање загађења ваздуха се користи за утврђивање укупне концентрације загађивача, као и за проналажење узрока изузетно високих нивоа. За пројекте у фази планирања, додатни допринос постојећем оптерећењу може се унапред проценити, а услови емисије могу бити оптимизовани.
Слика 1. Глобални систем за праћење животне средине/управљање загађењем ваздуха
У зависности од стандарда квалитета ваздуха дефинисаних за загађивач у питању, од интереса су средње годишње вредности или краткотрајне вршне концентрације. Обично се концентрације морају одредити тамо где су људи активни - односно близу површине на висини од око два метра изнад земље.
Параметри који утичу на дисперзију загађивача
Две врсте параметара утичу на дисперзију загађивача: параметри извора и метеоролошки параметри. За параметре извора, концентрације су пропорционалне количини загађивача који се емитује. Ако је у питању прашина, пречник честица мора бити познат да би се одредила седиментација и таложење материјала (ВДИ 1992). Како су површинске концентрације ниже са већом висином димњака, овај параметар такође мора бити познат. Поред тога, концентрације зависе од укупне количине издувних гасова, као и од његове температуре и брзине. Ако температура издувних гасова прелази температуру околног ваздуха, гас ће бити подложан топлотном узгону. Његова брзина издувних гасова, која се може израчунати из унутрашњег пречника димњака и запремине издувних гасова, ће проузроковати динамичку узгону замаха. Емпиријске формуле се могу користити за опис ових карактеристика (ВДИ 1985; Венкатрам и Вингаард 1988). Мора се нагласити да није маса загађивача у питању већ маса укупног гаса која је одговорна за топлотну и динамичку узгон.
Метеоролошки параметри који утичу на дисперзију загађивача су брзина и правац ветра, као и вертикална термичка стратификација. Концентрација загађивача је пропорционална реципрочној брзини ветра. То је углавном због убрзаног транспорта. Штавише, турбулентно мешање се повећава са растућом брзином ветра. Како такозване инверзије (тј. ситуације у којима температура расте са висином) ометају турбулентно мешање, максималне површинске концентрације се примећују током високо стабилне стратификације. Напротив, конвективне ситуације интензивирају вертикално мешање и стога показују најниже вредности концентрације.
Стандарди квалитета ваздуха – на пример, годишње средње вредности или 98 перцентила – обично се заснивају на статистици. Стога су потребни подаци временске серије за релевантне метеоролошке параметре. У идеалном случају, статистика би требало да се заснива на десетогодишњем посматрању. Ако су доступне само краће временске серије, треба се уверити да су оне репрезентативне за дужи период. Ово се може урадити, на пример, анализом дужих временских серија са других места за посматрање.
Метеоролошке временске серије које се користе такође морају бити репрезентативне за локацију која се разматра – то јест, мора одражавати локалне карактеристике. Ово је посебно важно у погледу стандарда квалитета ваздуха заснованих на вршним фракцијама дистрибуције, као што је 98 перцентила. Ако такве временске серије нису при руци, може се користити метеоролошки модел тока за израчунавање једног из других података, као што ће бити описано у наставку.
Међународни програми праћења
Међународне агенције као што су Светска здравствена организација (СЗО), Светска метеоролошка организација (ВМО) и Програм Уједињених нација за животну средину (УНЕП) покренуле су мониторинг и истраживачке пројекте како би разјаснили питања у вези са загађењем ваздуха и промовисали мере за спречавање даље погоршање јавног здравља и еколошких и климатских услова.
Глобални систем за праћење животне средине ГЕМС/Ваздух (ВХО/УНЕП 1993) организују и спонзоришу СЗО и УНЕП и развио је свеобухватан програм за обезбеђивање инструмената за рационално управљање загађењем ваздуха (види слику 55.1.[ЕПЦ01ФЕ] Језгро овог програма). је глобална база података о концентрацијама сумпор-диоксида, суспендованих честица, олова, азотних оксида, угљен-моноксида и озона у урбаном ваздуху. Међутим, колико и ова база података важна је обезбеђивање алата за управљање као што су водичи за брзе инвентаре емисија, програми за моделирање дисперзије, процене изложености становништва, мере контроле и анализу трошкова и користи.У том смислу, ГЕМС/Аир обезбеђује приручнике за преглед методологије (ВХО/УНЕП 1994, 1995), спроводи глобалне процене квалитета ваздуха, олакшава преглед и валидацију процена , делује као посредник података/информација, производи техничку документацију која подржава све аспекте управљања квалитетом ваздуха, олакшава успостављање ент мониторинга, спроводи и широко дистрибуира годишње прегледе и успоставља или идентификује регионалне центре за сарадњу и/или стручњаке за координацију и подршку активностима у складу са потребама региона. (СЗО/УНЕП 1992, 1993, 1995)Програм Глобал Атмоспхериц Ватцх (ГАВ) (Миллер и Соудине 1994) пружа податке и друге информације о хемијском саставу и повезаним физичким карактеристикама атмосфере, као и њиховим трендовима, са циљем разумевања везе између промене састава атмосфере и промена глобалне атмосфере. и регионалну климу, атмосферски транспорт на даљину и таложење потенцијално штетних супстанци преко копнених, слатководних и морских екосистема, и природно кружење хемијских елемената у глобалном систему атмосфере/океана/биосфере, и антропогени утицаји на њих. Програм ГАВ се састоји од четири области активности: Глобални систем за посматрање озона (ГО3ОС), глобално праћење позадинског састава атмосфере, укључујући Мрежу за праћење загађења ваздуха у позадини (БАПМоН); дисперзија, транспорт, хемијска трансформација и таложење атмосферских загађивача преко копна и мора на различитим временским и просторним скалама; размена загађујућих материја између атмосфере и других делова животне средине; и интегрисано праћење. Један од најважнијих аспеката ГАВ-а је успостављање центара за научне активности за осигурање квалитета који би надгледали квалитет података произведених у оквиру ГАВ-а.
Концепти моделирања загађења ваздуха
Као што је горе поменуто, дисперзија загађивача зависи од услова емисије, транспорта и турбулентног мешања. Коришћење пуне једначине која описује ове карактеристике назива се моделирање Еулерове дисперзије (Пиелке 1984). Овим приступом, добици и губици дотичног загађивача морају се одредити у свакој тачки на замишљеној просторној мрежи иу различитим временским корацима. Пошто је ова метода веома сложена и рачунарски одузима много времена, обично се не може рутински руковати. Међутим, за многе апликације, може се поједноставити коришћењем следећих претпоставки:
- нема промене услова емисије током времена
- нема промене метеоролошких услова у току транспорта
- брзине ветра изнад 1 м/с.
У овом случају, горе поменута једначина се може решити аналитички. Добијена формула описује облак са Гаусовом дистрибуцијом концентрације, тзв. Гаусов модел облака (ВДИ 1992). Параметри дистрибуције зависе од метеоролошких услова и удаљености низ ветар, као и од висине димњака. Оне се морају емпиријски утврдити (Венкатрам и Вингаард 1988). Ситуације у којима емисије и/или метеоролошки параметри значајно варирају у времену и/или простору могу се описати Гаусовим пуфф моделом (ВДИ 1994). Према овом приступу, различити пуфови се емитују у фиксним временским корацима, сваки прати своју путању у складу са тренутним метеоролошким условима. На свом путу, сваки пуф расте према турбулентном мешању. Параметри који описују овај раст, опет, морају бити одређени из емпиријских података (Венкатрам и Вингаард 1988). Међутим, мора се нагласити да за постизање овог циља улазни параметри морају бити доступни са потребном резолуцијом у времену и/или простору.
Што се тиче случајних испуштања или појединачних студија случаја, Лагранжов модел или модел честица (ВДИ смерница 3945, Део 3). Концепт је при томе израчунати путање многих честица, од којих свака представља фиксну количину дотичног загађивача. Појединачне путање се састоје од транспорта средњим ветром и од стохастичких поремећаја. Због стохастичког дела, путање се не слажу у потпуности, већ осликавају мешавину турбуленцијама. У принципу, Лагранжови модели су способни да размотре сложене метеоролошке услове – посебно ветар и турбуленцију; поља израчуната доле описаним моделима протока могу се користити за Лагранжево моделирање дисперзије.
Моделирање дисперзије у сложеном терену
Ако се концентрације загађујућих материја морају одредити у структурираном терену, можда ће бити неопходно укључити топографске ефекте на дисперзију загађивача у моделирање. Такви ефекти су, на пример, транспорт који прати топографску структуру, или системи термалног ветра као што су морски поветарац или планински ветрови, који мењају смер ветра током дана.
Ако се такви ефекти дешавају на скали много већој од површине модела, утицај се може узети у обзир коришћењем метеоролошких података који одражавају локалне карактеристике. Ако такви подаци нису доступни, тродимензионална структура утиснута на ток топографијом се може добити коришћењем одговарајућег модела тока. На основу ових података, само моделирање дисперзије се може извршити уз претпоставку хоризонталне хомогености као што је горе описано у случају Гаусовог модела облака. Међутим, у ситуацијама када се услови ветра значајно мењају унутар области модела, само моделирање дисперзије мора да узме у обзир тродимензионални ток на који утиче топографска структура. Као што је горе поменуто, ово се може урадити коришћењем Гаусовог пуффа или Лагранжовог модела. Други начин је да се изведе сложеније Еулерово моделирање.
Да би се одредио правац ветра у складу са топографски структурираним тереном, може се користити конзистентно масено или дијагностичко моделирање протока (Пиелке 1984). Користећи овај приступ, ток се прилагођава топографији тако што се почетне вредности мењају што је мање могуће и одржавајући његову масу доследном. Пошто је ово приступ који доводи до брзих резултата, може се користити и за израчунавање статистике ветра за одређену локацију ако нема доступних запажања. Да би се то урадило, користи се геострофска статистика ветра (тј. подаци о горњем ваздуху из равинсонда).
Међутим, ако се системи термалног ветра морају детаљније размотрити, морају се користити тзв. прогностички модели. У зависности од размере и стрмине области модела, погодан је хидростатички, или још сложенији нехидростатски приступ (ВДИ 1981). Модели овог типа захтевају велику снагу рачунара, као и много искуства у примени. Одређивање концентрација на основу годишњих средњих вредности, генерално, није могуће са овим моделима. Уместо тога, најгоре студије случаја се могу извести узимањем у обзир само једног смера ветра и оних брзина ветра и параметара стратификације који резултирају највишим вредностима површинске концентрације. Ако те вредности у најгорем случају не прелазе стандарде квалитета ваздуха, детаљније студије нису потребне.
Слика 2. Топографска структура региона модела
Слика 2, слика 3 и слика 4 показују како се транспорт и диспензија загађујућих материја могу представити у односу на утицај терена и климатологије ветра изведене из разматрања површинских и геострофских фреквенција ветра.
Слика 3. Површинске дистрибуције фреквенција утврђене из геострофичке дистрибуције фреквенција
Слика 4. Средње годишње концентрације загађивача за хипотетички регион израчунате из геострофичке дистрибуције фреквенција за хетерогена поља ветра
Моделирање дисперзије у случају ниских извора
Узимајући у обзир загађење ваздуха узроковано ниским изворима (тј. висине димњака по реду висине зграде или емисије саобраћајних емисија) мора се узети у обзир утицај околних зграда. Емисије из друмског саобраћаја ће бити заробљене до одређене количине у уличним кањонима. Пронађене су емпиријске формулације које ово описују (Иамартино и Виеганд 1986).
Загађивачи који се емитују из ниског димњака који се налази на згради биће заробљени у циркулацији на заветринској страни зграде. Обим ове циркулације заветрине зависи од висине и ширине објекта, као и од брзине ветра. Стога, поједностављени приступи опису дисперзије загађивача у таквом случају, засновани искључиво на висини зграде, генерално нису валидни. Вертикални и хоризонтални опсег циркулације у заветрини је добијен из студија у аеротунелу (Хоскер 1985) и може се применити у масовно конзистентним дијагностичким моделима. Чим се одреди поље протока, може се користити за израчунавање транспорта и турбулентног мешања емитованог загађивача. Ово се може урадити моделовањем Лагранжијеве или Еулерове дисперзије.
Детаљније студије – у вези са случајним испуштањем, на пример – могу се извести само коришћењем нехидростатских модела протока и дисперзије уместо дијагностичког приступа. Пошто ово, генерално, захтева велику снагу рачунара, препоручује се приступ најгорем случају као што је горе описано пре комплетног статистичког моделирања.