Prezentacja Mieczysława Borysiewicza i Wandy Kacprzyk

Identyfikacja potencjalnych źródeł
zagrożeń wód powierzchniowych
w województwie lubuskim
dr Mieczysław Borysiewicz
mgr Wanda Kacprzyk
Instytut Ochrony Środowiska
Zakład Polityki Ekologicznej
Tel./Fax: +4822 629 41 35
1. Charakterystyka społeczno-gospodarcza
województwa lubuskiego
2. Charakterystyka środowiska województwa lubuskiego
3. System zaopatrzenia w wodę – element infrastruktury
krytycznej
4. Identyfikacja potencjalnych źródeł zagrożeń dla wód
powierzchniowych na obszarze województwa
lubuskiego
5. Analiza awaryjnych uwolnień substancji
niebezpiecznych dla środowiska wodnego na obszarze
województwa lubuskiego
Klasyfikacja substancji
Substancje w zależności od ich właściwości
stwarzanego zagrożenia zalicza się do jednej
z trzech klas ryzyka dla wód (WRC):
WRC 1 (nieznacznie niebezpieczne dla wód)
WRC 2 (niebezpieczne dla wód)
WRC 3 (wysoce niebezpieczne dla wód)
wykorzystując przepisy niemieckiego rozporządzenia
z 17 maja 1999 r. w sprawie klasyfikacji substancji
niebezpiecznych dla wód, w skrócie zwane VwVwS,
w którym zamieszczono także wykaz substancji
nie-niebezpiecznych dla wód.
Zwrotom ryzyka R przyporządkowano odpowiednie
wartości punktów (tzw. punkty oceny), np.:
R24
R25
R27
R28
R29, R33, R40
3
3
5
5
2
Punkty oceny i wartości domyślne przyznane
substancji są sumowane w celu uzyskania łącznej
liczby punktów, które w następujący sposób określają
kasy ryzyka dla wód (WRC):
od 0 do 4 punktów:
WRC 1,
od 5 do 8 punktów:
WRC 2,
od 9 punktów wzwyż:
WRC 3.
Wyznaczanie wskaźnika ryzyka wód
Dla każdej substancji zaliczonej do poszczególnych klas
ryzyka dla wód (WRC I), wylicza się masę równoważnika
trzeciej klasy ryzyka dla wód (mWRC3E) według
następującego wzoru:
mWRC3E = mWRCI / 103-I
gdzie:
• I to indeks klasy ryzyka dla wód,
• mWRCI to masa - wyrażona w kilogramach - substancji lub
mieszaniny indeksu I klasy ryzyka dla wód.
Wyznaczanie wskaźnika ryzyka wód
W celu określenia potencjalnego zagrożenia
dla wód stwarzanego przez analizowany
obiekt wyznacza się wskaźnik ryzyka dla
wód (WRI) jest to logarytm dziesiętny z
sumy masy wszystkich niebezpiecznych
substancji przeliczonej na równoważnik
trzeciej klasy ryzyka dla wód, tj.:
WRI = log10
mWRCE k
k
Inwentaryzacja obiektów
„punktowych” o potencjalnym
ryzyku awarii chemicznej,
zagrażającej wodom
w województwie lubuskim
Wstępna inwentaryzacja obiektów o potencjalnym ryzyku awarii chemicznej, zagrażającej wodom
Nazwa obiektu,
adres
Stacja Pomp Nr
6 PERN
"Przyjaźń" (nr 8)
APEXIM AB
P.W.
Baza Paliw
Płynnych
Baza
Magazynowa nr
93 PKN ORLEN
(nr 4)
Baza
Magazynowa
MERCAR
Miejscowość
/Powiat
Łupowo
Mirostowic
e Dolne
/żarski
Nowa Sól
Koziczn
/słubicki
Rodzaj substancji
niebezpiecznych
ropa naftowa,
surowa
paliwa2/
olej opałowy
EKOTERM,
etylina,
olej napędowy
paliwa2/
Ilość
[Mg]
277
60000
WRC
1/
3
3
4/
4/
WRC 3
(substancji)
277000
60000000
6000m3 1/
3
2
3780000
180000
1000
3000
3000
2 3/
2
3
100000
300000
3000000
3500m3 1/
3
2
1575000
127750
WRC 3,
(zakładu)
WR
I
60277000
7,8
3960000
6,6
3400000
6,5
1702750
6,2
70715135
7,8
.......
Suma/WRI dla województwa lubuskiego
Lokalizacja obiektów
o potencjalnym
ryzyku awarii
chemicznej
zagrażającej wodom
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Oczyszczalnie komunalne
Gospodarka ściekowa w zakładach przemysłowych
Składowiska odpadów
Miejsca wydobycia surowców naturalnych
Zbiorniki wodne
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Transport samochodowy:
Transport samochodowy wykorzystywany jest do przewożenia
niebezpiecznych substancji w opakowaniach lub zbiornikach
o różnej pojemności.
W zależności od rodzaju i ilości przewożonej substancji, a także
warunków meteorologicznych zagrożenie może mieć zasięg od
kilku do kilkunastu kilometrów.
Szczególne zagrożenie dla środowiska wodnego występuje na
obszarach, na których utworzy powierzchniowe nie stanowią
wystarczającej warstwy izolacyjnej dla wód gruntowych oraz
na mostach i w ich okolicy
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Najczęściej przewożonymi materiałami
niebezpiecznymi są w transporcie drogowym:
Øpaliwa płynne, benzyna, olej napędowy,
Øgazy techniczne, gazy płynne, propan-butan,
Økwasy (siarkowy, solny, fluorokrzemowy),
chlor, tlenek etylu, wodorotlenek sodowy,
dwutlenek siarki, toluen,
Øamunicja, materiały wybuchowe.
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Transport kolejowy:
Poważne potencjalne zagrożenia wiążą się
z
masowym przewozem koleją materiałów
niebezpiecznych substancji o właściwościach
toksycznych.
Z analizy katastrof kolejowych
połączonych z wystąpieniem zagrożenia dla
zdrowia i życia ludzkiego oraz środowiska wynika,
że mają one najczęściej miejsce na stacjach
kolejowych lub rozrządowych oraz w ich
sąsiedztwie
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Materiały niebezpieczne przewożone koleją
Najczęściej:
Øamoniak, tlenek etylenu i dwutlenek siarki,
Øchlorek winylu, dwutlenek etylenu, fluorowodór,
dwutlenek siarki, kwas siarkowy dymiący
Sporadycznie:
Øtlenek etylenu, alkohol metylowy, chlorowodór,
amoniak, materiały wybuchowe i rozrywające
/transport krajowy/ oraz w transporcie
międzynarodowym ładunek promieniotwórczy
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Żegluga śródlądowa:
Potencjalne zagrożenie dla wód powierzchniowych stanowią
awarie statków i barek, urządzeń technicznych w portach, jak
również uszkodzenia budowli hydrotechnicznych.
Rurociągi:
Ø rurociąg PERN "Przyjaźń", transportujący ropę
naftową do rafinerii w Schwedt (RFN),
Ø gazociąg jamalski, którym płynie paliwo z Rosji do
Europy Zachodniej, przecinający Odrę na 601,8 km
Źródła rolnicze
Inne źródła zagrożeń związane z działalnością człowieka
Źródła zagrożeń naturalnych
Powodzie zwiększają zagrożenia rzek awaryjnymi
zanieczyszczeniami od obiektów zlokalizowanych na
obszarach zalewowych, w których są substancje
niebezpieczne.
W czasie katastrofalnej powodzi w lipcu 1997 roku
w dorzeczu Odry doszło do zalania oczyszczalni
ścieków, stacji paliw, składowisk odpadów komunalnych
i
przemysłowych,
zakładów
przemysłowych
magazynujących substancje organiczne i nieorganiczne.
Wyznaczono strefy zagrożone powodzią.
Rekomendowane podejście do oceny losu
i transportu substancji zagrażających
wodom powierzchniowym
Główne procesy rządzące transportem skażeń w środowisku wodnym
Proste modele oceny skażeń rzek w wyniku
awaryjnych uwolnień substancji chemicznych
Na podstawie zagranicznych badań i publikacji dot.:
- metody nomogramów,
- metody czasu przepływu,
- modeli analitycznych służących do symulowania
transportu skażeń w różnych środowiskach wodnych
opracowano na potrzeby projektu CIVILARCH
programy komputerowe:
- program NOMOToT
- program dyspersja wodna,
ułatwiające analizę skutków awaryjnych uwolnień
substancji niebezpiecznych do wód powierzchniowych.
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Założenia
Øsubstancja chemiczna, która wskutek awaryjnego
uwolnienia przedostała się do wody, ma postać ciekłą
i jest dobrze w niej rozpuszczalna,
Øprzekrój rzeki jest stały i ma kształt prostokątny,
Ørozkład stężeń w całym przekroju cieku jest
jednakowy, a uwolnienie substancji ma charakter
długotrwały,
Østosunek szerokości do głębokości rzeki jest
mniejszy niż 100.
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Zadanie 1.
Wyznaczyć stężenie kwasu solnego, który
w ilości 10 Mg dostał się do rzeki w
wyniku awarii instalacji przemysłowej w
odległości x=10 kilometrów od
powierzchniowego ujęcia wód i ocenić
zagrożenie dla ludności
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Wymagane dane:
Øszacunkowa masa uwolnienia – M
(Mg)
Øśrednia szerokość rzeki – W (m)
Øśrednia głębokość rzeki – d (m)
Øśrednia prędkość przepływu rzeki – V
(m/s)
Øodległość wzdłuż koryta rzeki – x(km).
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 1. Nomogram 1
Wyznaczanie czasu osiągnięcia odległości
l0 km za pomocą równania:
x = 60·t·V (m)
(1)
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 2. Nomogram 2
Wyznaczanie promienia hydraulicznego
r (m) za pomocą równania:
W ⋅d
r=
W + 2d
(2)
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 3. Nomogram 3
Wyznaczanie współczynnika dyspersji wzdłużnej E
za pomocą równania:
E = 225 · u* · r (m2/s)
(3)
gdzie:
- szybkość ścinania w m/s,
n – współczynnik szorstkości Manninga (0,030).
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 4. Nomogram 4
Wyznaczanie pomocniczego współczynnika α (m) za
pomocą równania:
(4)
α = 240π * E * t
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 5. Nomogram 5
Wyznaczanie współczynnika pomocniczego Δ (kg/m)
za pomocą równania:
M
∆=
*1000
α
(5)
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 6. Nomogram 6
Wyznaczanie stężenia substancji w ppm w odległości
10 km za pomocą równania:
∆/ A
6
C=
10
∆ / A + ρW
(6)
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Krok 7. Wynik
Porównanie otrzymanego wyniku (13 ppm) z
daną (> 100-350 ppm) z tabeli ze stężeniami
toksycznymi dla organizmów wodnych
wskazuje, że stężenie kwasu solnego w
odległości 10 km od miejsca uwolnienia nie
będzie szkodliwe.
STĘTENIA SZKODLIWE
DLA ORGANIZMÓW WODNYCH
Lp.
Rodzaj substancji
Stężenie (ppm)
1.
Kwas octowy
> 47-250
2.
Kwas solny
> 100-350
3.
Kwas siarkowy
>10-100
3a.
Kwas azotowy
>100
4.
Benzen
>10-20
5.
Chlorobenzen
>1
6.
Butanol
>1000
7.
Toluen
>10-100
8.
Paliwo lotnicze
>2
9.
Alkohol izopropylowy
>100
10.
Formaldehyd
>2
11.
Etylina
> 5-100 (rozkład 5 dni)
12.
Ług sodowy
>6
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
Zadanie 2
Obliczyć stężenie amoniaku uwolnionego
natychmiastowo w ilości 10Mg wyniku
awarii instalacji przemysłowej na 5,12 km
poniżej miejsca uwolnienia,
z wykorzystaniem programu NOMOToT,
opracowanego w ramach projektu
CIVILARCH.
TECHNIKA NOMOGRAMÓW
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Ogólna zasada przeprowadzania badania CZASU
PRZEPŁYWU sprowadza się do szybkiego
wprowadzenia do rzeki znanej ilości rozpuszczalnej
substancji wskaźnikowej oraz do obserwacji zmian
jej stężeń wraz z jej przepływem w rzece. Na rys. a
pokazano rozkład stężenia substancji.
Równania uproszczono na podstawie
bardzo licznych danych pomiarowych
prowadzonych w USA, identyfikując
korelacje, wyprowadzając zależności.
Rys. a. Mieszanie poprzeczne i dyspersja wzdłużna
przedstawiona przez zmiany stężenia substancji
wskaźnikowej szybko uwolnionej przekrojach rzeki
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Parametry (czasy mierzone są od momentu jej uwolnienia)
opisujące krzywą odpowiedzi (rys. b):
Ø Cp, szczytowe stężenia obłoku substancji wskaźnikowej;
Ø Tl, czas nadejścia początku obłoku substancji wskaźnikowej do
punktu pomiaru;
Ø Tp, czas nadejścia miejsca o szczytowym stężeniu w obłoku
substancji wskaźnikowej do punktu pomiaru;
Ø Tt, czas nadejścia końca obłoku substancji wskaźnikowej do
punktu pomiaru;
Ø Td, czas przepływu obłoku (Tt-Tl);
Ø T10d, czas pomiędzy nadejściem początku obłoku i nadejściem
miejsca o stężeniu równym 10% stężenia szczytowego;
Ø n, liczba punktów pomiarowych w dół rzeki od miejsca
uwolnienia.
Rys. b. Szkic krzywych odpowiedzi
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Masa substancji przepływająca przez przekrój poprzeczny
jest zdefiniowana całką podwójną po czasie i przestrzennej
współrzędnej poprzecznej:
(a)
W jest całkowitą szerokością rzeki,
Cv jest pionowo uśrednionym stężeniem substancji,
q jest jednostkowym przepływem
Po całkowitym wymieszaniu równanie a upraszcza się do:
(b)
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Stężenie jednostkowe, Cu, definiowane jako
milionowa wielokrotność stężenia
wynikającego z uwolnienia jednostkowej masy
substancji zachowawczej rozpuszczalnej w
wodzie można obliczyć z równania:
(2.13)
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Zanik jednostkowego stężenia szczytowego
Zgodnie z modelem dyspersji Fishera, stężenie szczytowe
powinno zanikać w czasie jak:
(2.14)
gdzie: Cup jest jednostkowym stężeniem szczytowym, t –
czasem od uwolnienia, a β – czynnikiem liczbowym. β
powinno wynosić ok. 1,5 dla bardzo krótkich czasów
dyspersji i zmniejszać się do wartości 0,5 dla bardzo
długich czasów dyspersji (sekcja V na rys. a).
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Prędkość przepływu stężenia szczytowego
W oparciu o dane z 939 punktów uzyskano
najdokładniejsze wyrażenie na prędkość punktu
szczytowego stężenia wyrażoną w m/s:
(2.21)
gdzie: błędy wartości stałej i nachylenia prostej wynoszą
odpowiednio 0,026 m/s i 0,0003.
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
W przypadku analizy uwolnień awaryjnych, interesująca
zazwyczaj jest największa prawdopodobna prędkość,
która spowoduje najwyższe stężenie. Na powyższym
rysunku pokazano linię obwiedni, poniżej której znajduje
się 99% zmierzonych prędkości. Równanie opisujące te
linię, czyli największą prawdopodobną prędkość w
metrach na sekundę (Vmp) ma postać:
(2.22)
Rys. c. Wykres prędkości punktu szczytowego
stężenia w funkcji bezwymiarowej powierzchni
spływu, względnego przepływu, nachylenia,
lokalnego przepływu oraz powierzchni spływu.
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Korelacja empiryczna między czasem przepływu
punktu szczytowego stężenia (Tp) a czasem od
uwolnienia do zarejestrowania nadejścia przedniej
krawędzi obłoku (Tl)
Czas przepływu
przedniej
krawędzi
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Zadanie 3.
Założenie: Podczas katastrofy kolejowej, która miała
miejsce na moście w okolicy Rzepina, nastąpiło w
wyniku uszkodzenia cysterny o pojemności 80 m3,
uwolnienie do wód rzeki Ilanki 33 Mg fluorowodoru
Cel: Oszacować najbardziej prawdopodobne oraz
spodziewane dla najgorszego przypadku skutki
awaryjnego uwolnienia dla rzeki Odry, znajdującej się
34,2 km w dół skażonej rzeki. Najgorszy przypadek
powinien mieć miejsce dla najkrótszego
prawdopodobnego czasu transportu.
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Wyszczególnienie
Dane wejściowe:
Odległość od uwolnienia do ujścia Ilanki do
Odry
x = 34,2 [km]
Powierzchnia spływu w Maczkowie
(wodowskaz)
Da = 357,3 [km²]
Średnie roczne natężenie przepływu w
Maczkowie
Qu a = 3,64 [m³/s]
Natężenie przepływu w miejscu uwolnienia
Qu = 2,43 [m³/s]
Natężenie przepływu w miejscu docelowym
Qd = 4,46 [m³/s]
Współczynnik zachowania substancji
Rr = 1
Masa uwolnionej substancji
Mi = 5 [Mg]
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Wyniki obliczeń przy uwolnieniu
fluorowodoru:
Jednostka
Wartość
Prędkość punktu szczytowego stężenia
Vp
[m/s]
0,37
Największa prawdopodobna prędkość
Vmp [m/s]
0,84
Czas przepływu stężenia szczytowego
Tp [h]
25,5
Prawdopodobny min. czas przepływu
szczytowego stężenia
Tmp [h]
11,3
Tl [h]
22,7
Jednostkowe stężenie szczytowe
Cup [s-1]
87,01
Czas przepływu zanieczyszczenia
Td10 [h]
6,4
Stężenie szczytowe w funkcji czasu przepływu
Cp [mg/l]
97,54
Czas przepływu przedniej krawędzi obłoku
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Fuorowodór (CAS 7664-39-3):
- jest związkiem niebezpiecznym silnie żrącym i
trującym
- powodującym uszkodzenie skóry, błon śluzowych
oczu i dróg oddechowych
- mogącym determinować skutki śmiertelne u ludzi
- jest także bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie
- stanowi skrajne zagrożenie dla wód
- działa trująco na organizmy wodne i roślinne.
MODEL CZASU PRZEPŁYWU
Uzyskane wyniki wskazują, że w miejscu ujścia Ilanki
do Odry jej wody będą skażone nawet powyżej
przedziału czasowego 11-33 godzin od uwolnienia,
ponieważ stężenie szczytowe fluorowodoru będzie
wciąż wyższe od wartości stężenia śmiertelnego dla
ryb w wodach śródlądowych, które wynosi 60 ppm.
Przy założonych parametrach hipotetycznej katastrofy
kolejowej pod Rzepinem nastąpiłoby nadzwyczajne
zagrożenie środowiska, czyli skażenie wód Ilnaki i
Odry, które stanowiłoby pośrednio zagrożenie dla
ludności.
MODEL CZASU PRZEPŁYWU –
Program NOMOToT
MODEL CZASU PRZEPŁYWU –
Program NOMOToT
Modele analityczne do symulowania transportu skażeń w rzekach
Wzór na stężenie:
(3.3)
ci (x, y, z, t) =
2×QL
((4π ×t)
3/ 2
× (Dx × Dy × Dz ))
× Fx × Fy × Fz
b - pół szerokości rzeki (m),
ci - stężenie substancji chemicznej w wodzie (kg/m3),
Cdl - współczynnik rozpadu pierwszego rzędu (1/s),
Di - współczynnik dyspersji wzdłuż współrzędnej i (m2/s),
QL - masa uwolnionej substancji chemicznej (kg),
us - średnia prędkość nurtu (m/s),
ysp - odległość środka rozlewiska od środka rzeki (m),
t - czas od momentu uwolnienia (s),
x - współrzędna wzdłuż nurtu (m),
y - współrzędna w poprzek nurtu (m),
z - współrzędna głębokości (m).
PROGRAM DYSPERSJA WODNA
Program dyspersja.exe, udostępniony przez Centrum
Doskonałości MANHAZ na potrzeby projektu
CIVILARCH, wylicza wartość stężenia (kg/m3) danej
substancji chemicznej lub koncentracji (Bq/m3) danego
radionuklidu w żądanych trzech odległościach od źródła
uwolnienia. W programie zastosowano najprostsze
przybliżenie jednowymiarowe problemów związanych z
symulowaniem transportu skażeń w różnych
środowiskach wodnych. Największy wpływ na
rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w rzekach ma
turbulencja związana głównie z prądem podłużnym w
rzece. Decydujący wpływ na wielkość koncentracji
zanieczyszczenia ma odległość punktu pomiaru od
miejsca uwolnienia wzdłuż koryta rzeki.
PROGRAM DYSPERSJA WODNA
PROGRAM DYSPERSJA WODNA
PROGRAM DYSPERSJA WODNA
Wszystkim uczestnikom Seminarium
dedykowanego projektowi CIVILARCH
zostanie przesłane CD zawierające oprócz
- raportu „Potencjalne źródła zagrożeń
wód powierzchniowych w województwie
lubuskim” - zaprezentowane programy
obliczeniowe przydatne w zarządzaniu
kryzysowym wraz z programami
instalacyjnymi umożliwiającymi ich
wykorzystanie
Dziękuję Państwu za uwagę