BRZOZOWSKA Lucyna 1 DUNAT Robert 2 Modelowanie propagacji związków niebezpiecznych uwolnionych w wyniku zdarzenia drogowego WSTĘP Propagacja związków niebezpiecznych, czy to ze względu na ich natychmiastowe toksyczne działanie, czy też zagrożenia wybuchem lub inną nagłą lub nieprzewidywalną reakcją mającą wpływ na bezpośrednie bądź dalsze otoczenie jest zjawiskiem złożonym, wymagającym uwzględnienia szeregu elementów mających wpływ na proces. Przede wszystkim jest to charakter samej substancji uwalniającej się do środowiska oraz sposób i warunki w jakich to uwolnienie następuje. W przypadku propagacji gazów w środowisku atmosferycznym, w kontekście wspomnianych warunków, szczególnie ważne jest ustalenie początkowego natężenia emisji ze źródła, a także określenie pola prędkości powietrza determinującego sposób dyspersji związku. W stosowanych przez służby mundurowe programach (np. ALOHA) pozwalających na oszacowanie stref toksycznych oparów niebezpiecznych dla zdrowia i życia powstających podczas wycieków substancji chemicznych najczęściej uwzględnia się kierunek i prędkość wiatru, klasę stabilności atmosfery oraz temperaturę powietrza. Wyniki przedstawione są w postaci graficznych stref, których granice mogą być ustawiane indywidualnie. W programie można uwzględnić także zabudowę w sposób pośredni, pozwalający na wybór jednej z trzech możliwych rodzajów szorstkości aerodynamicznej podłoża [6, 7]. Alternatywą dla tego typu programów jest autorskie oprogramowanie dedykowane konkretnym zastosowaniom [1, 2, 3]. 1. UWOLNIENIE SUBSTANCJI NIEBEZEZPIECZNYCH Dyspersja substancji niebezpiecznych jest głównym źródłem określenia następstw skutków awaryjnych uwolnień substancji niebezpiecznych. Scharakteryzowanie wielkości stężeń, sposobu rozprzestrzeniania oraz wiedza na temat właściwości fizykochemicznych medium jest niezbędna do modelowania stref niebezpiecznych. Wyznaczenie dyspersji substancji niebezpiecznych oraz określenie źródła emisji wykorzystuje się przede wszystkim w celu szacowania następstw skutków uwolnienia substancji niebezpiecznych, co jest niezbędne do spełnienia wymagań określonych w prawie, a także wykonania raportów bezpieczeństwa potwierdzających dobór właściwych rozwiązań technologicznych mających na celu zredukowanie możliwości powstania skutków ewentualnej awarii oraz jej skutków. Ważne jest także ustalenie wielkości stref zagrożenia podczas opracowywania planów postępowania w stanach awaryjnych zakładu oraz dla ułatwienia dowódcy prowadzenia akcji ratowniczej poprzez określenie obszarów zagrożonych mających wpływ na podejmowanie decyzji. Uwolnienie substancji może nastąpić w postaci cieczy, gazu, aerozolu lub może być efektem odparowania cieczy z rozlewiska. Elementy te mają duży wpływ na zasięg strefy, a co za tym idzie na ewentualne skutki dla ludzi i środowiska. Rysunek poniżej (rys. 1) przedstawia przykładowe scenariusze uwolnień i sposobu rozchodzenia się substancji niebezpiecznej. 1 Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Bialej, Wydział Zarządzania i Transportu, 43-309 Bielsko-Biała, ul. Willowa 2, Tel. + 48 33 8279 269, lbrzozowska@ath.eu 2 Komenda Miejska Państwowej Straży Pożarnej w Bielsku-Białej, Jednostka Ratowniczo-Gaśnicza nr 1, 43-300 Bielsko-Biała, ul. Leszczyńska 43, Tel. + 48 33 812 22 33, robert.dunat@gmail.com 128
Rys. 1. Scenariusze uwolnień substancji niebezpiecznej do środowiska [4] Do najczęściej spotykanych przyczyn niekontrolowanych uwolnień substancji niebezpiecznych do środowiska zalicza się: awarie mechaniczne, wypływy związane z procesami technologicznymi, niepożądane reakcje chemiczne. Skutki wypływu substancji niebezpiecznych zależą od: stanu skupienia oraz właściwości substancji, ciśnienia oraz temperatury w zbiorniku, rodzaju wypływu cieczy (powolne, intensywne), warunków atmosferycznych panujących podczas rozszczelnienia, wielkości otworu [4]. 2. OPIS STOSOWANYCH MODELI I PROGRAMÓW KOMPUTEROWYCH 2.1. Program ALOHA Program ALOHA jest programem opracowanym przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) oraz Amerykańską Narodową Służbę Oceaniczną i Meteorologiczną (NOAA), wykorzystywany jest podczas wycieków substancji chemicznych jako wsparcie w celu oszacowania stref toksycznych oparów niebezpiecznych dla zdrowia i życia, a także promieniowania cieplnego lub wielkości wzrostu ciśnienia po wybuchu (fala wybuchu). Wyniki symulacji rozprzestrzeniania się analizowanych substancji są przedstawiane w postaci graficznej, jako strefy, których granice mogą być definiowane przez użytkownika według potrzeb. Wyniki te mogą zostać przeniesione na mapy w celu określenia zagrożonych obiektów, ich ilości oraz określenia liczby osób w poszczególnych strefach. Atutem programu jest kompatybilność z najbardziej popularnymi systemami operacyjnymi. Ponadto ALOHA charakteryzuje się łatwym w obsłudze interfejsem opierającym się na informacjach ogólnie dostępnych dla ratowników podczas akcji ratowniczej takich jak: warunki atmosferyczne, rodzaj substancji chemicznej oraz podstawowe dane o charakterystyce uwalniania substancji. ALOHA daje użytkownikowi możliwość wprowadzenia danych o ilości substancji uwalnianej do środowiska, rodzaju instalacji (zbiornik, gazociąg), wielkości rozszczelnienia, temperaturze medium, jego ciśnieniu, stanie skupienia, itp. Wprowadzane dane podlegają sprawdzeniu przez program pod kątem spójności, w celu ograniczenia błędu użytkownika. Błędy wyświetlane są w formie komunikatów, a zmiana błędnie wprowadzonej danej umożliwia dalszą prace z programem. Aplikacja opiera się na dwóch modelach dyspersji: Gaussa, dla substancji których ciężar i właściwości nie zmieniają przepływu powietrza oraz dla gazu ciężkiego, a więc dla gazów cięższych od powietrza i wypływu większego od 1 m 3 /s. Bazy danych zawarte w programie obejmują fizykochemiczne oraz toksykologiczne dane kilkuset substancji chemicznych oraz położenie geograficzne dla wielu miast USA. Aloha przeznaczony jest do wycieków w skalach najczęściej występujących podczas wypadków komunikacyjnych, a czas trwania zjawiska ograniczony został do 60 minut. Program posiada również inne ograniczenia polegające na braku możliwości określania stref biorąc pod uwagę zmianę wysokości strefy w stosunku do podłoża oraz przy niewielkich prędkościach wiatru lub jego braku. 129
Mimo ograniczeń posiada bardzo dużo zalet i jest przydatny nie tylko podczas działań, ale również prognozowania zagrożeń [6, 7]. 2.2. Program własny W skład programu autorskiego wchodzi kilka modułów, takich jak preprocesor meteorologiczny, model dyspersji oraz systemu informacji przestrzennej (tutaj Idrisi-Andes) stosowany zarówno do analizy postprocesowej, jak i pre, przy wygenerowaniu ukształtowania terenu i szorstkości aerodynamicznej modelowanego obszaru. Preprocesor meteorologiczny oparto o diagnostyczny model pola prędkości powietrza w warunkach złożonej topografii terenu. Natomiast do określenia stężeń zanieczyszczeń zastosowano własną modyfikację lagrangeowski ego modelu cząstek. Oba modele zostały opisane dokładnie w [2]. Program pozwala na uwzględnienie złożonych warunków topograficznych, zabudowy terenu, a także innych elementów, jak lasy, łąki, czy zbiorniki wodne, które można modelować za pomocą współczynnika szorstkości aerodynamicznej podłoża, zależnego od rodzaju pokrywy terenu. Istnieje również możliwość modelowania źródeł emisji o zmiennej intensywności, tak jak ma to miejsce w prezentowanym przykładzie. Siatka dyskretyzacyjna w jakiej wykonywane są obliczenia może być różnoodległa, pozwalająca na zagęszczenie oczek siatki w miejscach szczególnie istotnych z punktu widzenia modelowania, jak na przykład bliski obszar wokół źródła, czy, w mniejszej skali przestrzennej strefa przyścienna. Obliczenia pola prędkości powietrza można wykonać jednorazowo dla danego terenu i zadanej prędkości oraz kierunku wiatru. Znacznie skraca to czas obliczeń, wynoszący od kilku do kilkudziesięciu minut (w zależności od gęstości siatki dyskretyzacyjnej oraz liczby emitowanych cząstek w jednym kroku czasowym). Wyniki generowane są w postaci plików tekstowych i jak wspomniano wyżej, mogą zostać poddane dalszej obróbce w programach systemów informacji przestrzennej lub innych. 3. PORÓWNANIE WYNIKÓW MODELOWANIA PROGRAMEM ALOHA ORAZ PRZY UŻYCIU OPROGRAMOWANIA AUTORSKIEGO Porównano wyniki symulacji w obu programach, dla wybranego, hipotetycznego zdarzenia drogowego z udziałem substancji niebezpiecznej. 3.1. Analizowany przypadek nagłego uwolnienia substancji niebezpiecznej Przyjęto, że nagłe uwolnienie następuje w wyniku wypadku na zakręcie obwodnicy miasta Bielska- Białej (rys. 2). Wypadkowi ulega samochód przewożący wiązkę butli acetylenowych (szesnaście butli pięćdziesięciolitrowych). W takim przypadku można założyć ciągłą emisję substancji niebezpiecznej trwającą przez 60 minut, co oznacza natężenie emisji gazu na średnim poziomie 2,4 kg/min (40 000 mg/s). Rys. 2. Fragment analizowanego obszaru z zaznaczonym miejscem wypadku i przyjętym kierunkiem wiatru 130
W przypadku obliczeń programem ALOHA założono, że emisja jest stała przez czas trwania symulacji, natomiast w przypadku zastosowania programu własnego przyjęto, że emisja następuje zgodnie z funkcją potęgową, a jej przebieg przedstawia rys.3. Rys. 3. Natężenie emisji ze źródła w czasie jednej godziny Ustalono następujące warunki meteorologiczne: kierunek wiatru: wschodni; prędkość wiatru: 2,06 m/s; temperatura powietrza: 15 C; klasa stabilności atmosfery: obojętna; wilgotność względna: 75%. Szorstkość aerodynamiczną terenu w programie ALOHA przyjęto jak dla terenu otwartego, natomiast model własny uwzględnia zróżnicowanie ukształtowania terenu (uwzględniające zabudowę), oraz zmienną szorstkość aerodynamiczną zależną od rodzaju zabudowy i występującej roślinności. Zabudowę wraz z ukształtowaniem terenu oraz szorstkość aerodynamiczną zamodelowano przy pomocy systemu informacji przestrzennej Idrisi - Andes. 3.2. Analizowana substancja niebezpieczna Acetylen Rozważaną substancją jest Acetylen. W standardowej temperaturze oraz pod ciśnieniem atmosferycznym jest gazem bezbarwnym niewiele lżejszym od powietrza. Jest on skrajnie łatwopalnym gazem o dużym zakresie wybuchowości od 2,3 82% objętościowych, a dzięki małej różnicy gęstości w stosunku do powietrza łatwo tworzy mieszaniny wybuchowe. Charakterystyczną cechą jest możliwość egzotermicznego rozkładu acetylenu, co stwarza dodatkowe zagrożenie eksplozją. Butle do przewozu acetylenu wypełnione są rozpuszczalnikiem oraz masą porowatą zapewniającą minimalizowanie procesu rozkładu [5]. Zdarzenia z acetylenem stanowią niewielki procent akcji, w których bierze udział Państwowa Straż Pożarna. Pomimo tego są to zdarzenia bardzo niebezpieczne czego dowodem są statystyki z ostatnich dwunastu lat przedstawione poniżej (rys. 4) [5]. a) 131
b) c) Rys. 4. Zdarzenia z udziałem acetylenu w latach 2000-2012: a) ogólna liczba zdarzeń, b) liczba zdarzeń z udziałem poszkodowanych, c) rodzaje zdarzeń [5] 3.3. Wyniki obliczeń Po wprowadzeniu wymaganych danych do programu ALOHA, przyjętych jak przedstawiono w rozdziale 3.1 został wygenerowany raport oraz graficzna reprezentacja wyników (rys. 5). Ustalono wyznaczenie stref na poziomie 1, 2 i 5 mg/m 3. Maksymalny zasięg pierwszej strefy (5 mg/m 3 ) wynosi 246 m, dla drugiej strefy (2 mg/m 3 ) 390 m i dla trzeciej strefy (1 mg/m 3 ) 555 m. Rys. 5. Wyniki symulacji w programie ALOHA. 132
Tak zaprezentowane wyniki obliczeń pozwalają na zgrubne oszacowanie strefy zagrożenia i wspomagają podjęcie decyzji o ewakuacji. Informacje te są bardzo ważnym elementem dla kierującego akcją ratowniczą. Pomagają nie tylko wyznaczyć strefy zagrożenia dla substancji szkodliwych, ale również oszacować skutki ewentualnej eksplozji. Wielkość strefy ma bardzo duże znaczenie podczas ewakuacji oraz oceny ilości sił i środków potrzebnych do sprawnego zabezpieczenia miejsca zdarzenia. Akcja ratownicza z udziałem butli acetylenowych jest bardzo niebezpieczna i wynika z charakterystyki gazu oraz złożoności problemu. Poprawne wyznaczenie strefy niebezpiecznej jest zatem bardzo ważnym elementem ze względów bezpieczeństwa nie tylko ratowników biorących udział w działaniach, ale również osób postronnych. W analizowanym przypadku wartości stężeń nie osiągają granicznych wartości wybuchowości. Rys. 6. Wyniki obliczeń w programie własnym Rys. 7. Wektor prędkości powietrza w analizowanym obszarze 133
Na rysunku 6. przedstawiono wyniki obliczeń w programie autorskim. Rozkład stężeń w tym przypadku zależny jest od lokalnego rozkładu pola prędkości powietrza (rys. 7) oraz ukształtowania terenu i występującej na niej zabudowy. Wyniki przedstawiono w układzie współrzędnych globalnych dla modelowanego obszaru, ale zaznaczono także odległości odpowiadające układowi przyjętemu lokalnie w punkcie emisji, jak ma to miejsce w programie ALOHA. Podobnie jak w przypadku programu ALOHA przedstawiono wartości stężeń w skali do 1 mg/m3, do 3 mg/m3 oraz do 5 mg/m3. Obszary w jakim zanotowano stężenia należące do danego przedziału wynoszą odpowiednio: w przedziale 1 (do 5 mg/m3) 6 300 m2 ; w przedziale 2 (do 3 mg/m3) 191 925 m2 ( 0,2 km2) oraz w przedziale 3 (do 1 mg/m3) 513 225 m2 ( 0,5 km2). Nie są to jednak spójne strefy, a tereny nimi objęte mogą znajdować się w różnych miejscach modelowanego obszaru oddzielone strefami o mniejszym stężeniu zanieczyszczeń. Rozkład stężeń w programie własnym jest zdeterminowany zarówno polem prędkości powietrza, zaburzonym ukształtowaniem terenu, jak i występowaniem zabudowy. Nie jest to więc rozkład jednorodny. Zanieczyszczenia mogą kumulować się pomiędzy budynkami lub w związku z lokalnymi zmianami prędkości powietrza osiągać mniejsze wartości stężeń od oczekiwanych. Program ALOHA nie raportuje wielkości obszaru, a jedynie zasięg oddziaływania (długość strefy), można jednak przyjąć maksymalne szerokości stref: dla strefy 1 jest to 80 m, dla strefy 2 60 m, a dla strefy 3 40 m. W takim przypadku obszary w danych strefach wynosiłyby: strefa 1 9 840 m2, strefa 2 23 400 m2, strefa 1 44 400 m2. Są to znacznie mniejsze wartości niż te wynikające z obliczeń wykonanych dokładnym, uwzględniającym więcej elementów, programem własnym. W obszarze znajdującym się pod wpływem smugi zanieczyszczeń występują domy mieszkalne, działki i obszary przemysłowe, jak na rys. 8. Strefa zagrożona oddziaływaniem substancji niebezpiecznej różniłaby się jednak w zależności od kierunku wiatru. Analizę wpływu kierunku wiatru, na obszar zagrożony działaniem substancji toksycznej (dymu) w podobnym przypadku, przedstawiono w artykule [1]. Rys. 8. Mapa obszaru z zaznaczonymi zakresami występowania zanieczyszczeń 134
WNIOSKI Podsumowując można stwierdzić, że o ile w zastosowaniach operacyjnych program ALOHA spełnia swoje zadanie, to do celów prognostycznych może on okazać się mniej przydatny. W celu oszacowania możliwych skutków awarii, nagłych uwolnień substancji niebezpiecznych znacznie bardziej korzystne byłoby użycie programu uwzględniającego więcej elementów związanych z ukształtowaniem terenu i zabudową, jak prezentowany program własny. W analizowanym przypadku nie występuje zagrożenie wybuchem w obszarze bliskim źródła oraz dalszej odległości od niego, jednak przeprowadzanie symulacji w przypadku wypadku drogowego z udziałem pojazdu przewożącego butle acetylenowe wydaje się być słuszne. Streszczenie W niniejszym artykule porównano wyniki obliczeń otrzymane przy zastosowaniu programu ALOHA, z wynikami obliczeń wykonanymi w programie autorskim. W pierwszym z programów wykorzystywany jest modelach dyspersji Gaussa, dla substancji których ciężar i właściwości nie zmieniają przepływu powietrza. W programie własnym zastosowano model diagnostyczny pola prędkości powietrza, jako preprocesor meteorologiczny oraz lagrangeowski model cząstek w celu symulacji propagacji zanieczyszczeń i obliczenia stężeń w analizowanym obszarze. Model terenu, szorstkość aerodynamiczną, a także występującą zabudowę uwzględniono przy zastosowaniu systemu informacji przestrzennej. Wyniki symulacji komputerowych wskazują na duże zbieżności pomiędzy wartościami stężeń zanieczyszczeń oraz obszarami objętymi wartościami granicznymi w programie standardowym ALOHA i własnym. Występujące różnice, związane są przede wszystkim z uproszczeniami stosowanymi w programie ALOHA. Nie uwzględnia się w sposób szczegółowy pola prędkości powietrza wynikającego z ukształtowania oraz rodzaju terenu (w tym zabudowy), które jest kluczowym czynnikiem determinującym rozprzestrzenianie się substancji gazowej. Modelling of toxic gas propagation released due to a traffic incident Abstract The following article presents a comparison of the research results obtained while using ALOHA software with the results obtained by means of the authorized, independent software. In the former one, the Gaussian dispersion model has been used for all the substances whose weight and properties do not alter the air flow, whereas in the latter one, the diagnostic model of air flow velocity has been used as a meteorological preprocessor as well as the Lagrangian particle model. Those have been simultaneously used in order to simulate a chemical waste propagation and to enable the analysis of the concentration within the researched zone. The terrain modelling, aerodynamic asperity as well as the buildings framework have all been taken into account while using the virtual space information system. The results of the computer simulations have turned out to reach evident, enormous similarities between the obtained concentration values and the areas marked as the peak level, in both the standardized ALOHA mode and the independent software. The values that occurred in the simulation process are primarily linked with the simplifications used by ALOHA mode. The air flow field velocity values as the outcome of both the landform and the terrain type inputs, including the buildings framework, are not taken into consideration in a detailed, thorough manner accordingly. Those, however, in fact, are all significant features determining the dimensions of the gas chemicals propagation in question. BIBLIOGRAFIA (styl Nagłówek 1) 1. Brzozowska L., Modelling the propagation of smoke from a tanker fire in a built-up area, Science of the Total Environment 472 (2014), pp. 901 911 2. Brzozowska L., Validation of a Lagrangian particle model, Atmospheric Environment 70 (2013), pp. 218 226 3. Brzozowska L., Symulacja rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń gazowych uwolnionych podczas zdarzenia drogowego, Logistyka 2012 nr 3, s. 203 210 4. Borysiewicz M., Furtek A., Potempski S., Poradnik metod ocen ryzyka związanego z niebezpiecznymi instalacjami procesowymi, Instytut Energii Atomowej, Otwock-Świerk, 2000 135
5. Jopek T., Postępowanie podczas zdarzeń z udziałem butli acetylenowych poddanych działaniu ognia, ciepła lub wielokrotnym uderzeniom, Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej i m. Józefa Tuliszkowskiego, Państwowy Instytut Badawczy, Józefów 2013 6. Majder-Łopatka M., Salamonowicz Z., Prognozowanie zasięgu strefy zagrożenia toksycznego przy pomocy programu komputerowego Aloha, Materiały dydaktyczne SGSP Zakład Ratownictwa Chemicznego 7. NOAA Technical Memorandum NOS OR&R 43 ALOHA (Areal Locations of hazardous Atmospheres) 5.4.4, Technical Documentations, Seattle, Washington, November 2013 136