BRZOZOWSKA Lucyna 1 DUNAT Robert 2

BRZOZOWSKA Lucyna 1 DUNAT Robert 2 Przykłady zastosowania autorskiego programu komputerowego do modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w zagadnieniach bezpieczeństwa ruchu drogowego WSTĘP Istotnym zagadnieniem, w grupie podstawowych problemów związanych z modelowaniem propagacji zanieczyszczeń, jest symulacja rozprzestrzeniania się związków toksycznym lub dymu w wyniku nagłego zdarzenia drogowego lub awarii w obrębie zakładów przemysłowych. W myśl ustawy Prawo Ochrony Środowiska [13] pod pojęciem Poważna Awaria rozumie się zdarzenie, w szczególności emisję, pożar lub eksplozję, powstałe w trakcie procesu przemysłowego, magazynowania lub transportu, w których występuje jedna lub więcej niebezpiecznych substancji, prowadzące do natychmiastowego powstania zagrożenia życia lub zdrowia ludzi lub środowiska lub powstania takiego zagrożenia z opóźnieniem. Z tą definicją wiąże się pojęcie Strefa zagrożenia rozumiane jako przestrzeń, w której może wystąpić zagrożenie dla zdrowia lub życia ludzi, bądź zniszczenia lub strat środowiska naturalnego i jego elementów. Stopień negatywnego oddziaływania na środowisko zależny jest od takich czynników jak: rodzaj, ilość lub intensywność czynnika zagrażającego, sposób i natężenie jego emisji, zasięg. Podczas dokonywania oceny zagrożenia istotne jest także uwzględnienie warunków panujących w środowisku, w którym doszło do zdarzenia drogowego, w wyniku którego nastąpiła emisja substancji szkodliwych lub niebezpiecznych (w tym dymu). 1. ZDARZENIA Z UDZIAŁEM SUBSTANCJI NIEBEZPIECZNYCH Dyspersja substancji niebezpiecznych jest głównym źródłem określenia następstw skutków awaryjnych uwolnień substancji szkodliwych. Scharakteryzowanie wielkości stężeń, sposobu rozprzestrzeniania oraz wiedza na temat właściwości fizykochemicznych medium jest niezbędna do modelowania stref niebezpiecznych. Wyznaczenie stężeń substancji niebezpiecznych oraz określenie źródła emisji wykorzystuje się przede wszystkim w celu szacowania następstw skutków uwolnienia, 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. Transport drogowy oraz kolejowy substancji niebezpiecznych musi spełniać szereg wymogów prawnych. W przypadku przewozu substancji zakwalifikowanych do grupy niebezpiecznych przewożący zobowiązany jest przede wszystkim do odpowiedniego, zgodnego z przepisami przygotowania materiału do transportu poprzez dobranie właściwego opakowania. Opakowanie to musi spełniać szereg wymogów dotyczących jego odporności na uszkodzenia mechaniczne, szczelności, a także odporności na transportowane medium. Podczas przewozu transportowana substancja oraz samochód przewożący ładunek powinny posiadać odpowiednie oznakowanie zgodne z obowiązującymi przepisami. Oznakowanie takie jest głównym źródłem informacji podczas zdarzenia na drodze dla służb ratowniczych. Dodatkowo kierowca powinien znać charakterystykę przewożonej substancji i ewentualne reakcje chemiczne, którego mogą powstać na skutek zdarzenia. 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 162

Przepisy określają również jak powinny być przystosowane samochody do przewozu ładunków niebezpiecznych, w tym także cysterny do przewozu gazów skroplonych jak i cieczy niebezpiecznych. Podczas transportu, a zwłaszcza zdarzenia drogowego mogą nastąpić nieprzewidziane sytuacje, począwszy od małych uszkodzeń po niekontrolowany wyciek substancji. W wyniku rozszczelnienia opakowania substancja tworzy bezpośrednią chmurę gazu lub uwalnianą do atmosfery z powstałego rozlewiska. Intensywność tych zjawisk zależy od warunków atmosferycznych oraz w mniejszym stopniu od ukształtowania terenu. Głównymi przyczynami uwolnień substancji do środowiska mogą być: nieodpowiednio dobrane opakowania, zły stan środków transportu oraz dróg, wypadki drogowe. Skutki takich zdarzeń możemy podzielić ze względu na zasięg na: miejscowe, lokalne oraz masowe [11]. 1.1. Zastosowanie programów komputerowych podczas awarii z udziałem substancji niebezpiecznych Podczas zaistnienia awarii, czy to w obrębie sieci komunikacyjnej, czy zakładu przemysłowego służbą wiodącą jest Państwowa Straż Pożarna oraz Inspektor Ochrony Środowiska. Zdarzenie mające miejsce na drogach publicznych jest niejednokrotnie dla kierującego działaniem ratowniczym bardziej złożone. Drogą kolejową jak również transportem samochodowym przewożone są praktycznie wszystkie znane substancje. Niejednokrotnie transportowane substancje same w sobie nie są szkodliwe, ale podczas zdarzenia drogowego mogą zachodzić reakcje chemiczne z innymi substancjami przewożonymi tym samym środkiem transportu lub biorącymi udział w zdarzeniu. Reakcja chemiczna może być także spowodowana wpływem warunków atmosferycznych, działaniem wilgoci lub powietrza, np. w wyniku rozszczelnienia opakowania. Możliwości przewożonych substancji oraz skutki ewentualnych zdarzeń są praktycznie nieograniczone. Możliwe skutki zdarzeń z udziałem substancji niebezpiecznych przedstawiono na rysunku 1 [8, 14]. Kierujący działaniami ratowniczymi w zależności od skali zdarzenia wspierany jest przez sztab, w skład którego wchodzą specjaliści z różnych dziedzin. Zadaniem sztabu jest maksymalna pomoc w celu podjęcia skutecznych działań, które będą odpowiedzią na aktualną sytuacje. Kierujący musi również przewidywać rozwój sytuacji i działać zgodnie z przyjętą taktyką. Przykładem może być rys.1 gdzie przedstawiono możliwości rozwoju awarii z udziałem substancji niebezpiecznej. Wiedza jaką otrzymuje się z programów obliczeniowych jest bardzo cennym źródłem informacji pozwalającym na oszacowanie w terenie wielkości stref niebezpiecznych, wybuchowych, co jest podstawowym elementem zabezpieczenia miejsce zdarzenia. Podczas działań, kierujący działaniem ratowniczym wspierany jest przez programy obliczeniowe takie jak Aloha, dające możliwość szybkiego określenia stref niebezpiecznych. Niejednokrotnie wyznaczona strefa obarczona jest pewnym niedoszacowaniem, co może wpływać na decyzje podejmowane na miejscu zdarzenia. W wielu przypadkach istnieje potrzeba naniesienia wyznaczonych stref na teren katastrofy z uwzględnieniem zabudowań i przeszkód terenowych wskazując miejsca szczególnie niebezpieczne, które muszą być pod szczególnym nadzorem. Podczas zdarzeń w ruchu samochodowym oraz kolejowym głównym utrudnieniem dla prowadzącego działania ratownicze jest dynamiczny rozwój sytuacji. Wypadek może nieść zagrożenia wybuchowe, toksyczne nie tylko dla ludzi ale również dla środowiska. W takich przypadkach określenie stref w nieznanym terenie jest niejednokrotnie bardzo trudne biorąc pod uwagę zmienne warunki atmosferyczne. 163

Rys.1 Algorytm możliwości zdarzeń przy awarii lub katastrofie z udziałem materiałów niebezpiecznych [8, 14] 2. OPIS STOSOWANEGO OPROGRAMOWANIA 2.1. Schemat działania systemu komputerowego Wykorzystany do modelowania program komputerowy został napisany w języku Pascal Delphi i posiada prosty interfejs, będący w fazie doskonalenia. Program działa na komputerkach PC, zawiera moduły pozwalające zarówno na import danych (np. z Systemu Informacji Przestrzennej), jak i eksport (w plikach tekstowych). Schemat modelowania dyspersji zanieczyszczeń przy wykorzystaniu tego programu przedstawiono na rysunku 2. 164

Rys. 2. Schemat modelowania w programie własnym Jako wartości wejściowe do modelu należy podać dane o ukształtowaniu terenu, szorstkości aerodynamicznej oraz informacje meteorologiczne. W wyniku pre-procesingu i obliczeń pola prędkości powietrza generowane są odpowiednio pliki zawierające mapę terenu oraz pole prędkości w całym modelowanym obszarze. Dane te są później importowane do modelu dyspersji. W wyniku dalszych obliczeń można pozyskać mapę stężeń w obszarze obliczeniowym, najczęściej w płaszczyźnie poziomej na określonej wysokości nad terenem. 2.2. Modele matematyczne Do symulacji propagacji zanieczyszczeń stosuje się różne modele analityczne i numeryczne. Do najczęściej stosowanych modeli analitycznych zaliczyć można: Gaussowskie modele obłoku, Gaussowskie modele smugi, modele Eulerowskie. Natomiast do modeli numerycznych można zalicza się: modele z domknięciem I rzędu (teorii K), modele z domknięciem II rzędu i wyższych, modele z domknięciem poprzez model turbulencji, modele symulacji wielkowirowej [6]. Stosowane w niniejszej pracy modele matematyczne to, w przypadku modułu pola prędkości powietrza autorski model diagnostyczny opisany w pracy [3], a w przypadku modułu rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń model cząstek Lagrange a [2]. Pole prędkości powietrza determinuje sposób przenoszenia emitowanej substancji w analizowanym terenie oraz rozkład stężeń. Określenie pola prędkości powietrza jest szczególnie ważnym i trudnym zdaniem w przypadku gdy analizuje się obszary o złożonej rzeźbie terenu. Stacje meteorologiczne, które na ogół są rozmieszczone dość rzadko, dostarczają danych o prędkości powietrza tylko w pewnych punktach obszaru, na różnych wysokościach. W modelach nazywanych diagnostycznymi, przeprowadza się zatem procedurę dopasowania pola prędkości do danych otrzymanych ze stacji pomiarowych [10]. Obejmuje ona dwa etapy. W pierwszym dokonuje się interpolacji danych ze stacji, tak aby określić 165

prędkość powietrza we wszystkich węzłach siatki dyskretyzacyjnej [12], w drugim obliczany jest wektor prędkości, według jej pionowego profilu. Wymaga to zastosowania odpowiednich zależności wynikających z przyjętego sposobu opisu atmosfery. Podstawą opisu jest zaproponowana przez Monina-Obuchova teoria podobieństwa przepływu turbulentnego, w atmosferze uwarstwionej termicznie [9]. Dokładny opis modeli został przedstawiony w publikacjach [2 i 3]. Modele te były poddawane walidacji i weryfikacji w oparciu o dane eksperymentalne co zostało opisane dokładnie w cytowanych wyżej pracach [2, 3]. 3. PRZYKŁADOWE ZASTOSOWANIA MODELU 3.1. Propagacja dymu w obszarze zabudowanym Omówione wyżej modele mogą być stosowane między innymi do symulacji rozprzestrzeniania się dymu powstałego w wyniku zapalenia się cysterny przewożącej paliwo. W pracach [1, 4, 5] analizowano przypadek, w którym maksymalna wartość natężenia emisji kształtowała się na poziomie 60 g/s. Założono przy tym, że propagacja dymu trwa 45 minut, a jej przebieg jest zgodny z krzywą Gaussa. Analizowano dwa różne położenia drogi, w wykopie oraz nasypie [4], a także przypadek, w którym założono występowanie jednostronnej zabudowy [5] (rys.3). W każdym z przypadków założono prędkość wiatru 7,07 m/s lub 1,41 m/s, a także dwa możliwe kierunki (0, 45 ). Rys. 3. Analizowane przypadki położenia źródła emisji i ukształtowania terenu dla zagadnienia dyspersji dymu [3, 4] Po założeniu prędkości wiatru i jego kierunku można dokonać obliczeń pola prędkości powietrza w analizowanych obszarach. Na rysunku 4 przedstawiono wektor prędkości w przypadku P2. 166

Rys. 4. Wektor prędkości w analizowanym obszarze (P2) [4] Dalsze obliczenia dotyczą stężeń zanieczyszczeń, w tym przypadku dymu. Analizowano między innymi takie elementy jak: rozkład średnich stężeń rysunek 5 a), b) [4], średnie stężenia w określonej odległości od drogi rysunek 5 c) [4], strefy o określonych wartościach stężeń rysunek 5 d) g) [4]. a) b) c) d) e) f) g) Rys. 5. Przykłady prezentacji wyników obliczeń i analiz [4, 5]: a) b) rozkład średnich stężeń: a) P1, u=1,41 m/s, b) P1, u=7,07 m/s; c) średnie i maksymalne stężenia zanieczyszczeń dla P1 i P2 w analizowanym (zaznaczony na rysunku) fragmencie obszaru; d) g) zasięg poszczególnych stref w przypadku P1, dla różnych wariantów prędkości i kierunku wiatru: d) α=45, u=7,07, e) α=45, u=1,41, f) α=0, u=7,07 167

m/s, g) α=0, u=1,41m/s Przeprowadzona analiza pozwala stwierdzić, że w analizowanym fragmencie drogi stężenia o wartościach bliskich maksymalnym występowały praktycznie wyłącznie w punkcie emisji dymu, wartości powyżej wartości średniej występowały na obszarze od 250 m 2 dla drogi prowadzonej na nasypie (P1, u=7,07) do prawie 500 m 2 dla drogi prowadzonej w wykopie (P2, u=1,41) (w obu przypadkach kąta wiatru α=45 ). Istotne może okazać się określenie stref występowania widzialnego dymu (S > 100) mg/m 3 ), który w analizowanych przypadkach P1 i P2 wynosił od 7 % do 22% analizowanego fragmentu drogi. Tzw. czarny dym, można zaobserwować w bezpośrednim sąsiedztwie źródła emisji, w przypadkach gdy prędkość wiatru wynosiła 7,07 m/s, natomiast, gdy prędkość wiatru była dużo mniejsza (1,41 m/s) wartości stężenia dymu powyżej 500 mg/m 3 obejmowały znacznie większy obszar. Innym rodzajem symulacji jest określenie możliwych trajektorii cząstek. W modelu lagrangeowskim położenie cząstek jest determinowane między innymi przez czynnik losowy. Uwzględnia się także odbicia cząstek od powierzchni terenu i zabudowy. Na rysunku 6 przedstawiono trajektorie wybranych cząstek rys. 6 a) b) oraz prędkości wybranych cząstek rys. 6 c) d) [5]. a) b) c) d) Rys. 6. Przykłady prezentacji wyników obliczeń i analiz [5]: a) b) trajektorie wybranych cząstek: a) P2, u=1,41 m/s, α = 0, b) P2, u=7 m/s, α = 45, c) d) prędkości wybranych cząstek, gdy kąt wiatru wynosił = 45 : c) P2, d) P3. 3.2. Propagacja substancji szkodliwej w wyniku zdarzenia drogowego Innym przykładem na zastosowanie omówionego wyżej programu komputerowego, jest propagacja substancji szkodliwej, potencjalnie niebezpiecznej, w wyniku zdarzenia drogowego. Przypadek taki został opisany w pracy [7]. 168

Rys. 7. Fragment analizwoanego obszaru z zaznaczonym miejscem wypadku i przyjętym kierunkiem wiatru Założono, że na obwodnicy miasta Bielsko-Biała (rys. 7) następuje wypadek pojazdu przewodzącego butle acetylenowe w wyniku czego następuje trwający 60 minut wyciek, o natężeniu emisji o zmiennym przebiegu, na średnim poziomie 2,4 kg/min (40 000 mg/s). Przyjęto dla warunków meteorologicznych prędkość wiatru 2,06 m/s, kierunek wschodni, atmosferę obojętną. Analizie poddano rozkład stężeń zdeterminowany polem prędkości powietrza oraz występującą zabudową (rys. 8). a) b) Rys. 8. Stężenia zanieczyszczeń w analizowanym przypadku: a) rozkład stężeń, b) mapa obszaru z naniesionymi zakresami występowania substancji szkodliwej. Wartości stężeń przedstawiono w przedziałach <0, 1), <1, 3) oraz <3, 5) mg/m 3. Przeanalizowano wielkość obszarów w jakim występują stężenia należące do danego przedziału. W pierwszym przypadku, a więc stężenie do 1 mg/m 3 obszar jest największy i wynosi około 0,5 km 2, obszar o większym stężeniu zanieczyszczeń (do 3 mg/m 3 ) to 0,2 km 2, natomiast obszar, w którym stężenia są największe wynosi 6 300 m 2. WNIOSKI Przedstawione w artykule wyniki symulacji komputerowych dla hipotetycznych zdarzeń drogowych pozwalają stwierdzić, że autorski program może być stosowany w sytuacji prognozowania postępowania w przypadkach zdarzeń drogowych, w których następuje emisja do atmosfery związków szkodliwych, dymu i innych substancji lotnych. Program został zweryfikowany i zwalidowany [2, 3]. Uwzględnia się w nim warunki atmosferyczne, ukształtowanie terenu oraz 169

występującą w obszarze obliczeniowym zabudowę, zalesienie, i inne elementy. Pomimo tego, że czas trwania obliczeń nie pozwala na operacyjne stosowanie programu, można dokonywać symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń do celów określenia przyszłych, możliwych skutków awarii lub zdarzenia drogowego. Wyniki generowane są w postaci plików tekstów i mogą być wielokrotnie wykorzystywane. Pole prędkości powietrza w obszarze analizy (np. miasta lub jego fragmentu), można przeliczyć raz uwzględniając różne warunki meteorologiczne i użyć w dalszych obliczeniach dla różnych przypadków emisji związków szkodliwych lub dymu. Skraca to ogólny czas obliczeń. Zastosowanie lagrangeowskiego modelu cząstek daje dodatkowo możliwość prześledzenia trajektorii poszczególnych, umownych cząstek zanieczyszczenia. Autorzy mają nadzieję, że dalsza praca nad programem, zwłaszcza w obrębie interfejsu, pozwoli na jego szersze wykorzystanie w zagadnieniach bezpieczeństwa drogowego. Streszczenie W artykule przedstawiono problem zagrożeń wynikających z powstawania awarii, w czasie których następuje emisja substancji szkodliwych lub niebezpiecznych do środowiska, a także sposób postępowania i zastosowanie programów komputerowych do diagnozowania lub prognozowania skutków awarii. Omówiono budowę autorskiego programu do modelowania i symulacji rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, a także przedstawiono przykłady zastosowania do analizy w przypadku nagłego zdarzenia drogowego. Zdarzeniem takim może być pożar cysterny przewożącej paliwo bądź wyciek do atmosfery substancji potencjalnie niebezpiecznej lub szkodliwej. Przedstawiono wyniki przykładowych symulacji komputerowych i ich analizę. Program, na którym oparto symulacje stanowi autorską implementację diagnostycznego modelu pola prędkości powietrza oraz lagrangeowskiego modelu cząstek, dodatkowo w prei postprocesingu korzystano z systemu informacji przestrzennej (GIS). Program ten może być z powodzeniem stosowany do prognozowania skutków awarii, w wyniku których następuje emisja do powietrza atmosferycznego. Examples of the use of an own computer program for modeling the propagation of pollutants in road safety issues Abstract In the paper the problems of the emergence of the risks failure, resulting in the emission of substances harmful or hazardous to the environment, as well as the treatment and use of computer programs for the diagnosis or prognosis of the consequences of accident were presented. The construction of the own program for modeling and simulation of pollutant dispersion, and examples of the application to the analysis of the dispersion of pollutants into the atmosphere in case of a sudden road accident, such as a fire of road tanker or leak into the atmosphere of potentially dangerous or damaging substances were analyzed. The program, was based on a proprietary implementation of the diagnostic model of the velocity wind field and the Lagrangian particle model. Additionally, the analyzed instances were placed in pre and postprocessing flow using Geographic Information System GIS. The presented computer software can be used for streamlined predicting of the malfunction-driven issues or events in which toxic substance is emitted to the atmospheric air. BIBLIOGRAFIA 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, DOI 10.1016/j.scitotenv.2013.11.130 2. Brzozowska L., Validation of a Lagrangian particle model, Atmospheric Environment 70 (2013), pp. 218 226, DOI 10.1016/j.atmosenv.2013.01.015 3. Brzozowska L., Evaluation of a Diagnostic Model of an Air Velocity Field: The Must Wind Tunnel Case, Environmental Modeling & Assessment, July 2014, DOI 10.1007/s10666-014- 9422-6 170

4. Brzozowska L., Symulacja rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń gazowych uwolnionych podczas zdarzenia drogowego, Logistyka 2012 nr 3, s. 203 210 5. Brzozowska L., Wybrane aspekty numerycznego modelowania dyspersji zanieczyszczeń, TTS Technika Transportu Szynowego 2012 nr 9, s. 1215-1224 6. Brzozowska L., Brzozowski K., Drąg Ł., Transport drogowy a jakość powietrza atmosferycznego. Modelowanie komputerowe w mezoskali, Warszawa, WKiŁ 2009 7. Brzozowska L., Robert D., Modelowanie propagacji związków niebezpiecznych uwolnionych w wyniku zdarzenia drogowego, Logistyka w Ratownictwie, Suwałki 8.09.2014 11.09.2014 8. Borysiewicz M., Furtek A., Potempski S., Poradnik metod ocen ryzyka związanego z niebezpiecznymi instalacjami procesowymi, Instytut Energii Atomowej, Otwock-Świerk, 2000 9. COST Action 710 - Final report, Harmonisation of the pre-processing of meteorological data for atmospheric dispersion models, Luxemburg, European Communities 1998 10. Homicz G.F., Three-dimensional wind field modeling: a review, Sandia National Laboratories, Albuquerque, SAND Report 2002-2597 2002 11. Poliński J., Problemy związane z transportem ładunków niebezpiecznych, Problemy Kolejnictwa, Zeszyt nr 137/138, 2003 12. Sanín N., Montero G., A finite difference model for air pollution simulation, Advances in Engineering Software 38 2007, pp. 358-365 13. Ustawa Prawo Ochrony Środowiska z dnia 27 kwietnia 2001 roku, Dz.U. Nr 62, poz. 627 14. Wojnarowski A., Obolewicz-Pietrusiak A., Podstawy ratownictwa chemicznego, Firex, Warszawa 2001 171