Transcript hatasok modellezese
KÖRNYEZETI HATÁSOK MODELLEZÉSE
BME VÍZI KÖZMŰ ÉS KÖRNYEZETMÉRNÖKI TANSZÉK www.vkkt.bme.hu
MIÉRT MODELLEZÜNK?
HATÓTÉNYEZŐ
HATÁSFOLYAMAT
HATÁSTERÜLET FORRÁS TRANSZPORT HATÁSVISELŐ EMISSZIÓ
TRANSZMISSIÓ
IMMISSZIÓ MEGOLDANDÓ FELADATOK: OK-OKOZATI LÁNCOLAT FELDERÍTÉSE ELTÉRŐ LÉPTÉKŰ (TÉR, IDŐ) FOLYAMATOK KEZELÉSE
MIÉRT MODELLEZÜNK?
MI A CÉLJA A MODELLEZÉSNEK? (MIBEN SEGÍTENEK A KÖRNYEZETI MODELLEK?)
•
BONYOLULT RENDSZEREK MEGISMERÉSÉBEN (Segítenek a kölcsönhatások megismerésében, a meghatározó folyamatok felismerésében, a rendszer működésének megértésében).
•
ELŐREJELZÉSEK KÉSZÍTÉSÉBEN (Meg tudjuk mondani, hogy egy meglévő/új létesítmény esetében milyen környezeti hatások várhatók).
MILYEN TERÜLETEKEN HASZNÁLUNK KÖRNYEZETI MODELLEKET?
•
A VÁRHATÓ KÖRNYEZETI HATÁSOK ELEMZÉSÉHEZ (pl. autópálya, hulladéklerakó, a Környezeti Hatásvizsgálat részeként)
•
TERVEZÉSHEZ (pl. csatornahálózat, szennyvíztisztító telep).
•
RENDSZEREK ÜZEMELTETÉSHEZ (pl. szennyvíztisztító telep) MILYEN TÍPUSÚ MODELLEK LÉTEZNEK?
•
FIZIKAI MODELLEK
•
MATEMATIKAI (NUMERIKUS) MODELLEK
Numerikus modell Fizikai modell (kisminta) © Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék
PELYHES SZERKEZETŰ LEBEGŐANYAGOK LEVÁLASZTÁSA MÁGNESES ERŐTÉRREL MOZGATOTT NANO-RÉSZECSKÉKKEL Mágnesezett iszappelyhek Ülepítési kísérlet Numerikus modell Az iszapfázis térfogataránya az ülepedés ötödik percében © Buzás K., Karches T. ( TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002)
KÖRNYEZETI MODELLEK ÉS MONITORING
ADATGYŰJTÉS, FELMÉRÉS KÖRNYEZETI MONITORING KÖRNYEZETI MODELLEK MEGISMERÉS, MEGÉRTÉS TERVEZÉS, EŐREJELZÉS
Légkör Víz Szárazföld Talaj KÖRNYEZETI MONITORING RENDSZEREK Országos mérőhálózatok, adatgyűjtő rendszerek Hidrometeorológia Csapadék, sugárzás, szél, léghőmérséklet, párolgás Levegő minőségi monitoring Városi levegő minősége, vonalmenti források, transzmissziós mérések Vízrajzi monitoring Vízállás, vízhozam, vízhőmérséklet, hordalék, jégviszonyok Felszíni vízminőségi monitoring Fizikai, kémiai, hidrobiológiai Felszín alatti víz, mennyiségi, minőségi monitoring Talajvíz, rétegvíz, karszt, források Természetvédelmi monitoring Vizes élőhelyek Felszín alatti vizektől függő szárazföldi élőhelyek Talaj és földtani monitoring Talajtípusok, hidrogeológia Kármentesítési monitoring Szennyezett területek
Biológiai mintavétel
Helyszíni válogatás
MODELLEZÉS LÉPÉSEI 1.
2.
3.
4.
5.
6.
ISMERETEK GYŰJTÉSE A VIZSGÁLANDÓ RENDSZERRŐL (MÉRÉS!) MODELL FELÉPÍTÉSE (ÁLLAPOTVÁLTOZÓK, KÖLCSÖNHATÁSOK) KALIBRÁLÁS: „BEÁLLÍTJUK” A MODELL PARAMÉTEREKET A MÉRÉSEK ALAPJÁN IGAZOLÁS: MŰKÖDIK-E A MODELL? (FUTTATÁSOK: EREDMÉNYEK ÖSSZEHASONLÍTÁSA A KALIBRÁLÁSTÓL FÜGGETLEN ADATSORRAL) BIZONYTALANSÁGOK VIZSGÁLATA: MILYEN PONTOSAN TUDUNK ELŐREJELEZNI?
MODELL HASZNÁLATA HOGYAN VÁLASSZUNK MODELLT?
MI A CÉL?
MILYEN MÉRÉSI ADATAINK VANNAK?
CSAK OLYAN MODELLT HASZNÁLJUNK, AMELYIKRŐL TUDJUK, HOGYAN MŰKÖDIK (A MODELLEK NEM HELYETTESÍTIK A SZAKTUDÁST ÉS KÖNNYEN TÉVÚTRA VEZETNEK!!!)
TRANSZPORT MODELLEK: SZENNYEZŐANYAGOK TERJEDÉSE KÜLÖNBÖZŐ KÖZEGEKBEN (VÍZ, LEVEGŐ, TALAJ) KONVEKTÍV TRANSZPORT (KONVEKCIÓ) A SZENNYEZŐK „UTAZNAK” AZ ÁRAMLÁSSAL A SEBESSÉGGEL ARÁNYOS DIFFÚZIÓ ELKEVEREDÉST OKOZ KONCENTRÁCIÓ CSÖKKENÉSHEZ VEZET A SEBESSÉGTÉR (ÁRAMLÁS) VÁLTOZÉKONYSÁGA, TURBULENCIA BEFOLYÁSOLJA ÜLEPEDÉS, KÉMIAI-BIOKÉMIAI ÁTALAKULÁSOK NEM KONZERVATÍV SZENYEZŐANYAGOK ESETÉN
Az osztott paraméterű hidrológiai modell elvi felépítése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
SAJÓ-HERNÁD VÍZGYŰJTŐ: felszíni lefolyás modellezése
ZALAVÍZ ELKEVEREDÉSE: 2 D TRANSZPORT
© Koncsos L.
SZENNYEZŐANYAG CSÓVA FOLYÓBAN (sodorvonali bevezetés, konzervatív szennyező)
M [kg/s]
c
max
c
max
l
1 Csóva alakja: normál eloszlás (Gauss)
C(x,y)
=
2
h M D
P
y
v
x
x
exp(
-
4
v
x
D
y
y x
2 ) c max Első elkeveredési távolság (part elérése): V x : sebesség (m/s) D y : keresztiráyú diszperziós tényező (m 2 /s)
l
1
=
0 .
027
v x D y B
2
AES Tiszai Hőerőművek
M
Csóva parti bevezetésnél (fél-Gauss) C (x 1 , y)
C (x,y)
=
h
x 1
l
1
D M
y
P
v
x
x
exp(
-
v
x
y
2 4
D
y
x
) c max Part elérése:
l
1
=
0 .
11
v x D y B
2
S ZENNYEZŐANYAG-HULLÁM LEVONULÁSA FOLYÓBAN Lökésszerű, havária-jellegű terhelések Időben erősen változó koncentráció Konzervatív anyagra X Alapegyenlet (1 dimenzióban):
C
t
v x
x C
=
D x
2
C
x
2
v x : sebesség (konst,), D x : diszperziós tényező (konst.) Analitikus megoldás:
C
(
x
,
t
) = 2
A G D x
P
t
exp( (
x
-
v x t
4
D x t
) 2 )
Nagybánya, 2000.01.30. 100 t cianid, réz és cink A koncentráció csúcsok több nagyságrenddel meghaladják a határértékeket 1000 tonna halpusztlás két hét alatt
Cianid hullám levonulása a Tiszán:
mért és számított cianid koncentrációk
Cyanide 6 (mg/l) 5 4 3 2 1 0 febr .03
febr .04
febr .05
febr .06
febr .07
febr .08
febr .09
febr .10
febr .11
febr .12
febr .13
Balsa (computed) Csongrád (computed) Balsa (measured) Csongrád (measured) Kisköre (computed) Tápé (computed) Kisköre (measured) Tápé (measured)
LÉGKÖRI KIBOCSÁTÁS (GAUSS ELOSZLÁS)
Koncentráció számítása (3 dimenzió, konzervatív anyag) a bevezetéstől x távolságra:
C (x, y, z) = M 2π w σ y σ z exp 0.5
y 2 z H 2 /σ 2 z
w: Szélsebesség
: Távolságtól függő szórás, függ a légkör stabilitásától H : Effektív kéménymagasság (h + Δh) Kéményméretezés: Emisszió (M), szélsebesség (v) ismert feladat: x, y, z pontban adott határérték betartásához a kémény milyen H magas legyen?
NEM KONZERVATÍV (LEBOMLÓ SZENNYEZÉS) FOLYÓBAN Szennyvízbevezetések vízminőségi hatása azonnali elkeveredés és első rendű kinetika szerinti lebomlást feltételezve
B c C 0A A C 0B C HÉ C h2 C h2
C(x,t) = C 0 exp (-k t) t = x/v x
x, t
E A E B C 0 [g/m 3 ]: Koncentráció az elkeveredés után k [1/nap]: a lebomlás sebességét jellemző kinetikai állandó [nap]: a vízfolyás sebességétől függő utazási (levonulási) idő
ELKEVEREDÉS UTÁNI KONCENTRÁCIÓ SZÁMÍTÁSA (ANYAGMÉRLEG FELÍRÁSA)
Szennyező
Szennyvíz jellemzői: C szv =100 g/m 3 , q = 0.1 m 3 /s Bevezetett anyagáram (emisszió): E = 100 g/m 3 * 0.1m
3 /s = 10 g/s
Folyó
Folyó jellemzői: felvíz (háttér) szennyezettség: C h = 2.5 g/m 3 vízhozam: Q = 10 m 3 /s Anyagáram: 2.5 g/m 3 * 10 m 3 /s = 25 g/s
C
o
= ?
Koncentráció a bevezetés alatt, elkeveredés után ( imisszió)
Anyagmérleg készítése (konzervatív anyag, teljes elkeveredés)
2.5 g/m 3 * 10 m 3 /s + 100 g/m 3 * 0.1m
3 /s = = (10 + 0.1) m 3 /s * C 0
Koncentráció az elkeveredés után: C
o
= (2.5*10 + 100*0.1) 10 + 0.1
= 3.5 g/m
3
Általános esetben C
o
= (C
h
*Q + C
szv
*q)/(Q+q)
KONCENTRÁCIÓ SZÁMÍTÁSA, HA A SZENNYVIZET TISZTÍTJUK (ANYAGMÉRLEG TISZTÍTÁS UTÁN) Az eltávolítás hatásfoka: R=80%
Folyó Szennyező
SZVTT Tisztítás függvényében az eltávolítás: R[%]/100 * E = 0.8 *10 g/s = 8 [g/s] Bevezetett anyagáram tisztítás után: E * (1 – R/100) = 10 g/s * (1 – 0.8) = 2 [g/s] Felvízi anyagáram változatlan: 2.5 g/m 3 * 10 m 3 /s = 25 g/s
C
o
= ?
C
o
=(2.5*10 + 100*0.1*0.2) / (10+0.1) = 2.7 g/m
3
Általános: C
o
=(C
h
*Q + C
szv
*q*[1-R/100]) / (Q+q)
SZERVESANYAG LEBOMLÁS HATÁSA AZ OXIGÉN HÁZTARTÁSRA SZERVESANYAG EMISSZIÓ LÉGKÖRI O 2 DIFFÚZIÓ Streeter & Phelps (1925-ben az Ohio folyóra alaklmazott modell) BOI ÜLEPEDÉS O 2 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Oldott oxigén koncentráció változása a szennyvízbevezetés alatt:
C min x krit 0 100
Emisszió
200 x (km) 300 400 500 Koncentráció minimuma → kritikus hely
VÍZSZENNYEZÉS: Oxigén probléma
KIS-BALATON FLSŐ TÁROZÓJÁRA ALKALMAZOTT VÍZMINŐSÉGI MODELL (FOSZFOR FORGALOM LEÍRÁSA) 0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 jan febr márc ápr máj jún mért júl aug szept okt számított H nov dec VÍZ h ÜLEDÉK (aktív réteg)
ELŐREJELZÉS A TÁPANYAG (P) VISSZATARTÁS VÁRHATÓ JÖVŐBELI ALAKULÁSÁRA
% 70 60 50 40 30
FELSŐ TÁROZÓ
20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Évek 50 40 30 20
ALSÓ TÁROZÓ
10 0 -10 -20 -30 -40 -50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
A halgazdálkodás hatása a Tatai Öregtóban
halszerkezet változása algák csökkenése Chl-a
mg/m 3 400 300 200 100
1996
S zámítás M érés 0 J F M Á M J J A S O N D Az eredeti vízminőségi modell a megváltozott struktúrát nem követi, ezért nem alkalmas előrejelzésre.
Éghajlati modellek térbeli felbontása
GCM: 500 km, Leskálázás (RCM): 50x50 km-es háló
Bizonytalanság a térbeli felbontás finomodásával növekszik.
A regionális, beágyazott modellek a globális modellek szolgáltatta eredményeket bemenő paraméterként (peremfeltételként) kezelik, képesek finom, akár 5-10 km-es térbeli felbontásra is.
KLÍMAVÁLTOZÁS, MODELLEK A tudományos világban növekvő egyetértés tapasztalható abban, hogy klímánk változik és ennek, - legalább részben - az emberi tevékenység az oka.
Különböző gazdasági fejlődési szcenáriók Változás iránya azonos, mértéke bizonytalan Az éghajlati modellek időhorizontja 2071-2100 A kedvezőtlen emberi hatások felszámolása esetén is a változások még legalább 50 évig a mostani irányban folytatódnak!
EURÓPA: Hőmérséklet és csapadék változás előrejelzése A Kárpát-medence térségében az évi középhőmérséklet 3-5 °C-os növekedése várható, és növekszik a nyári hőhullámok és az extrém meleg napok gyakorisága. A tél enyhébbre változik.
IPCC, WGI, 2007
Statisztikai modellek Thomas-Fiering modell a Balaton természetes vízkészlet változásának előrejelzése, különböző éghajlatváltozási forgatókönyvekkel
A 30 CM ALATTI ÉVES VÍZSZINTEK ELŐFORDULÁSA 5000 ÉV ALATT
Balaton vízállás előrejelzés:200 szimuláció trajektóriái szabályozási szint pótlási küszöb Vízpótlás nélkül szabályozási szint Karsztvíz bevezetés + vízpótlás a Rábából
1. Mire használhatók a környezeti modellek az építőmérnöki gyakorlatban? Soroljon fel példákat!
2.
Mi a különbség a fizikai modellek és a numerikus modellek között?
3.
4.
Sorolja fel a modellezés fontosabb lépéseit! Mit jelent a kalibrálás? Mi a különbség a kalibrálás és igazolás között?
5.
Mit jelent, hogy a szennyező konzervatív / nem konzervatív?
6. Mi a konvekció és a diffúzió? Mi a hatásuk a szennyezők terjedésére?
7.
8.
Rajzolja fel a szennyezőanyag csóva alakját (a) egy kéményből kilépő füstgáz emisszió, (b) folyóbeli szennyvíz bevezetés esetére! Milyen eloszlást követ a csóva közelítőleg?
Számítsa a szennyezőanyag kibocsátást (anyagáramot) és az elkeveredés utáni koncentrációt folyóban! Számítsa az anyagáramot és a koncentrációt a tisztítási hatásfok függvényében is!
9.
Rajzolja fel folyóban egy lebomló szennyező bevezetése alatti koncentráció változást! Általában milyen függvénnyel szokás közelíteni a szennyezők lebomlását? 10.Rajzolja fel, hogyan változik egy folyóban az oldott oxigén koncentrációja szervesanyag tartalmú szennyvíz bevezetése alatt?
11.Milyen térbeli felbontás jellemzi az éghajlati modelleket?
12.Mi jellemzi a környezeti monitoring és a modellezés kapcsolatát? 13.
Milyen célból működtetnek környezeti monitoring rendszereket hazánkban? Soroljon fel példákat!