UNIV E RSIT A KA RLOVA v Pr a ze Přírodovědecká fakulta Ústav pro životní prostředí Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v.v.i.
MODELOVÁNÍ ROZPTYLU TOXICKÝCH LÁTEK V ATMOSFÉŘE PŘI PRŮMYSLOVÝCH HAVÁRIÍCH
Petr Skřehot
Diplomová práce
květen 2008
Anotace Tato práce je zaměřena na modelování následků úniku amoniaku z vybraných zařízení – chladícího zařízení zimního stadiónu, železniční cisterny a velkého průmyslového zásobníku. Zařízení obsahující nebezpečné látky v množstvích menších než jaké jsou stanoveny zákonem č. 59/2006 Sb. o prevenci závažných havárií, jsou tzv. „podlimitními zdroji“ a často, na rozdíl od velkých průmyslových instalací, unikají pozornosti kompetentních orgánů. Riziko, které však s ohledem na možné ohrožení okolního obyvatelstva představují, je ale v mnoha případech vysoké, neboť se tyto zdroje nezřídka vyskytují i v centrech měst. Z pohledu širokého využití a také s přihlédnutím na historické „havarijní“ zkušenosti představují největší riziko zařízení obsahující právě amoniak. Je dobře známo, že toxicita amoniaku je vysoká a i malé koncentrace tohoto plynu v ovzduší mohou způsobovat vážné následky. Vlastní předmět řešeného tématu je proto založen na výstupech z analýzy a hodnocení rizik objektů a zařízení, ve kterých se amoniak používá, a na které dále navazuje analýza následků, zejména s přihlédnutím na poškození zdraví lidí a složek životního prostředí. Jedním z možných scénářů úniku amoniaku ze zařízení je jeho rozptyl v atmosféře, tzv. toxický rozptyl. Pro analýzu následků tohoto scénáře za různých vnějších podmínek bylo použito celkem pěti různých softwarových nástrojů, jejichž výstupy jsou v práci presentovány, vzájemně konfrontovány a zevrubně diskutovány. Vybrané nástroje byly použity pro modelování vybraných typů havárií, jejichž průběhy jsou dobře známy z praxe. Tímto způsobem bylo možné zajistit maximální objektivnost výstupů, neboť veškerá vstupní data byla definována na základě empirických zkušeností.
Klíčová slova: Seveso direktiva, riziko, toxický rozptyl, závažné havárie, software, modelování, atmosféra.
2
Čestné prohlášení: Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně s využitím uvedené literatury a informací, na něž odkazuji. Svoluji k jejímu zapůjčení s tím, že veškeré (i přejaté) informace) budou řádně citovány.
V Praze dne 22.4.2008 ……......................................... podpis
3
OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ.................................................................................................................. 6 1
ÚVOD ............................................................................................................................................................. 8
2
OBECNÁ ČÁST ............................................................................................................................................ 9 2.1 LEGISLATIVA SEVESO............................................................................................................................ 9 2.1.1 Právní úprava Evropské unie .......................................................................................................... 9 2.1.2 Právní úprava v České republice................................................................................................... 11 2.2 NEHODOVÁ UDÁLOST SPOJENÁ S ÚNIKEM NEBEZPEČNÉ LÁTKY ............................................................. 13 2.2.1 Statistika nehod a havárií .............................................................................................................. 13 2.2.2 Průběh havarijní události .............................................................................................................. 14 2.2.3 Nebezpečí spojená s únikem toxických plynů................................................................................. 14 2.3 FYZIKÁLNÍ MODELY PRO ÚNIK PLYNU ZE ZAŘÍZENÍ ................................................................................ 16 2.3.1 Kontinuální laminární únik plynu.................................................................................................. 17 2.3.2 Kontinuální turbulentní únik plynu................................................................................................ 18 2.3.3 Jednorázový únik plynu ................................................................................................................. 18 2.3.4 Únik kapaliny následovaný mžikovým odparem ............................................................................ 18 2.3.5 Dvoufázový výtok........................................................................................................................... 19 2.4 FYZIKÁLNÍ MODELY VYPAŘOVÁNÍ KAPALIN ........................................................................................... 19 2.5 FYZIKÁLNÍ MODELY PRO ROZPTYL PLYNU V ATMOSFÉŘE ....................................................................... 20 2.5.1 Gaussovské modely rozptylu.......................................................................................................... 20 2.5.2 Lagrangeovské a eulerovské modely rozptylu ............................................................................... 25 2.5.3 Model rozptylu těžkého plynu ........................................................................................................ 26 2.5.4 Model pro turbulentní rozptyl........................................................................................................ 28 2.5.5 Difúzní model pro rozptyl při jednorázové dotaci látky (PUFF)................................................... 29 2.5.6 Difúzní model pro rozptyl plynu při kontinuální dotaci látky (PLUME) ....................................... 29 2.5.7 Box model pro rozptyl těžkého plynu............................................................................................. 30 2.5.8 Modely „Computational Fluid Dynamics“ ................................................................................... 30 2.6 MODELY TOXICKÝCH DOPADŮ ............................................................................................................... 32 2.7 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ ROZPTYL LÁTEK V ATMOSFÉŘE.......................................................................... 33 2.7.1 Meteorologické podmínky.............................................................................................................. 33 2.7.2 Charakter okolního terénu............................................................................................................. 35 2.7.3 Chemické procesy v atmosféře a atmosférická depozice ............................................................... 37 2.8 SOFTWAROVÉ NÁSTROJE URČENÉ PRO MODELOVÁNÍ ROZPTYLU LÁTEK V ATMOSFÉŘE .......................... 38 2.8.1 Obecný popis softwarových nástrojů............................................................................................. 38 2.8.2 Základní problémy validity softwarových nástrojů........................................................................ 41 2.9 AMONIAK A JEHO VYUŽITÍ V PRŮMYSLOVÉ PRAXI .................................................................................. 42 2.9.1 Fyzikálně-chemické a toxikologické vlastnosti amoniaku ............................................................. 42 2.9.2 Manipulace s malými množstvími amoniaku ................................................................................. 45 2.9.2.1 2.9.2.2 2.9.2.3
2.9.3 3
Chladící zařízení.........................................................................................................................................46 Železniční cisterny .....................................................................................................................................46 Automobilové cisterny ...............................................................................................................................48
Riziko úniku amoniaku při jeho přepravě...................................................................................... 49
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...................................................................................................................... 53 3.1 POUŽITÉ SOFTWAROVÉ NÁSTROJE .......................................................................................................... 53 3.1.1 Výběr softwarových nástrojů ......................................................................................................... 53 3.1.2 ALOHA .......................................................................................................................................... 54 3.1.2.1 3.1.2.2
3.1.3 3.1.3.1 3.1.3.2
3.1.4 3.1.4.1 3.1.4.2
3.1.5 3.1.5.1 3.1.5.2
Charakteristika programu ...........................................................................................................................54 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu ALOHA ..........................................................55
SAVE II .......................................................................................................................................... 57 Charakteristika programu ...........................................................................................................................57 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu SAVE II ..........................................................57
TEREX ........................................................................................................................................... 59 Charakteristika programu ...........................................................................................................................59 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu TEREX ...........................................................60
EFFECTS ...................................................................................................................................... 61 Charakteristika programu ...........................................................................................................................61 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu EFFECTS........................................................62
4
3.1.6 3.1.6.1 3.1.6.2
ROZEX Alarm................................................................................................................................ 63 Charakteristika programu ...........................................................................................................................63 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu ROZEX Alarm................................................64
3.2 OVĚŘENÍ VALIDITY POUŽITÝCH SOFTWAROVÝCH NÁSTROJŮ ................................................................. 65 3.2.1 Popis vybrané havarijní události................................................................................................... 65 3.2.2 Výstupy z použitých softwarových nástrojů ................................................................................... 68 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.2.4 3.2.2.5
Výstupy programu ALOHA .......................................................................................................................68 Výstupy programu SAVE II.......................................................................................................................71 Výstupy programu EFFECTS ....................................................................................................................72 Výstupy programu TEREX ........................................................................................................................75 Výstupy programu ROZEX Alarm.............................................................................................................77
3.2.3 Vzájemné srovnání získaných výstupů ........................................................................................... 77 3.3 MODELOVÁNÍ PŘÍPADOVÝCH HAVARIJNÍCH UDÁLOSTÍ........................................................................... 80 3.3.1 Parametry pro modelování............................................................................................................ 80 3.3.2 Únik amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu................................................................. 81 3.3.3 Únik amoniaku ze železniční cisterny ............................................................................................ 81 3.3.4 Únik amoniaku z velkého průmyslového zásobníku....................................................................... 82 4
VÝSLEDKY A DISKUSE .......................................................................................................................... 84 4.1 VÝSLEDKY MODELOVÁNÍ PŘÍPADOVÝCH HAVARIJNÍCH UDÁLOSTÍ ......................................................... 84 4.1.1 Rozptyl amoniaku po úniku z chladícího zařízení zimního stadionu.............................................. 84 4.1.2 Rozptyl amoniaku po úniku ze železniční cisterny ......................................................................... 84 4.1.3 Rozptyl amoniaku po úniku z velkého průmyslového zásobníku.................................................... 85 4.2 DISKUSE K POUŽITÍ VYBRANÝCH SW NÁSTROJŮ A KE KVALITĚ ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ ........................ 86 4.2.1 ALOHA .......................................................................................................................................... 86 4.2.2 SAVE II .......................................................................................................................................... 86 4.2.3 EFFECTS ...................................................................................................................................... 87 4.2.4 TEREX ........................................................................................................................................... 88 4.2.5 ROZEX Alarm................................................................................................................................ 90
5
SHRNUTÍ A ZÁVĚR .................................................................................................................................. 91
6
LITERATURA ............................................................................................................................................ 93
PŘÍLOHA A: POPIS VYBRANÝCH TOXIKOLOGICKÝCH LIMITNÍCH HODNOT ........................... 97 PŘÍLOHA B: POPIS VYBRANÝCH HAVÁRIÍ SPOJENÝCH S ÚNIKEM NEBEZPEČNÝCH PLYNNÝCH LÁTEK ......................................................................................................................................... 99 B.1 HAVÁRIE PRŮMYSLOVÉ TECHNOLOGIE V BHÓPÁLU (INDIE) ........................................................................ 99 B.2 NEHODA AUTOCISTERNY S AMONIAKEM V TEXASU (USA) ....................................................................... 100 B.3 ÚNIK AMONIAKU Z CHLADÍCÍHO ZAŘÍZENÍ ZIMNÍHO STADIONU VE ZNOJMĚ (ČESKÁ REPUBLIKA) ............. 101 B.4 NEHODA VLAKŮ U KÁRANIC (ČESKÁ REPUBLIKA)..................................................................................... 102 PŘÍLOHA C: SOFTWAROVÉ NÁSTROJE URČENÉ PRO MODELOVÁNÍ ROZPTYLU TOXICKÝCH LÁTEK V ATMOSFÉŘE ....................................................................................................... 104 C.1 AERMOD ................................................................................................................................................. 104 C.2 ADMS 3 .................................................................................................................................................... 104 C.3 AODM ...................................................................................................................................................... 105 C.4 ARCHIE.................................................................................................................................................... 105 C.5 CALPUFF ................................................................................................................................................. 106 C.6 DEGADIS ................................................................................................................................................. 106 C.7 DOT 2000.................................................................................................................................................. 107 C.8 HGSYSTEM ............................................................................................................................................. 107 C.9 INPUFF-2 ................................................................................................................................................. 108 C.10 PEAC ...................................................................................................................................................... 108 C.11 SCREEN ................................................................................................................................................. 109 C.12 HISTORIE VÝVOJE PROGRAMU ALOHA ..................................................................................................... 109 C.13 LITERATURA K PŘÍLOZE C ....................................................................................................................... 112
5
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A0
půdorysná plocha zdroje
ao
rychlost zvuku v plynu při teplotě plynu
c
průměrná koncentrace látky v ovzduší
c(x,y,z)
koncentrace látky v bodě o souřadnicích x, y, z
c0
koncentrace látky u únikového otvoru
Cd
únikový koeficient
Cp
molární tepelná kapacita za konstantního tlaku
CpL
měrné teplo látky v kapalné fázi
Cv
molární tepelná kapacita za konstantního objemu
Cy , C z
zobecněné difúzní koeficienty
D
plocha únikového otvoru
d
průměr únikového otvoru
d0
rozměr zdroje
Dtox
toxická dávka
fy , fz
Draxlerovy funkce
g
gravitační zrychlení
H
výška zdroje nad terénem
Ki , k i
konstanty pro výpočet zdravotních následků po expozici nebezpečné látce
Ky , Kz
koeficienty turbulentní difúze v osách y a z
LV
měrné výparné teplo látky
m
hmotnost uniklé látky
M
množství látky uvolněné za jednotku času
Mm
hmotnost mžikově odpařené látky
n
koeficient závislý na teplotním zvrstvení atmosféry
nm
meteorologický exponent (vztažený k drsnosti terénu)
pa
atmosférický tlak
pz
tlak v zařízení
Qc
objem látky uvolněné za jednotku času
r
radiální vzdálenost od osy oblaku
Re
Reynoldsovo číslo
Ri
Richardsonovo číslo
Rio
Richardsonovo číslo ve zdroji
rkri
kritický poměr tlaků
T
teplota
t
čas
T
celková doba trvání expozice
TV
teplota varu látky
U
rychlost větru
U∗
rychlost tření 6
U10
rychlost větru ve výšce 10 metrů nad zemí
Uc
rychlost postupu čela oblaku
Vi
objem uvolněné látky
x, y, z
vzdálenosti od zdroje v jednotlivých osách
z0
koeficient drsnosti povrchu
ρ0
hustota uvolněné látky ve zdroji
ρa
hustota vzduchu
σv , σw
efektivní kolísání rychlosti větru v příčných a vertikálních směrech
σy , σz
směrodatné odchylky (horizontální, resp. vertikální rozptylový koeficient)
γ
poměr molárních tepelných kapacit
ψ
výtokový faktor
7
1 ÚVOD Stále častěji jsme svědky nejrůznějších nehod a havárií, při nichž dochází k úniku nebezpečných chemických látek do životního prostředí, velmi často do ovzduší. Každý takový únik však kromě dočasného zhoršení kvality ovzduší může způsobovat také vznik nežádoucích následků na zdraví člověka. Atmosféra je výborným prostředím, ve kterém se většina plynů velmi dobře šíří, resp. se zde mísí se vzduchem. Tento proces nazýváme rozptylem látky. Než však dojde v atmosféře k úplnému rozptýlení dané látky, může u osob, které jsou této látce vystaveny, dojít k poškození jejich zdraví, často až nevratnému. V takovém případě hovoříme o toxickém rozptylu, tedy o rozptylu s toxickými následky. Existuje-li riziko, že po úniku látky z průmyslového zařízení může tento scénář nastat, je nezbytné provést důkladnou analýzu a vyhodnocení rizik. K tomu je ale potřeba dokonale pochopit procesy, které se při rozptylu látky za reálných podmínek uplatňují, a také mít k dispozici vhodné nástroje, které umožní dosahy nebezpečných koncentrací modelovat. V současnosti existuje celá řada moderních softwarových nástrojů určených k tomuto účelu. Jejich validita je však různá a při rozhodování, který nástroj použít, obvykle nemá analytik k dispozici žádné podpůrné informace. Žádný oficiální rating ani těch nejpoužívanějších programů totiž neexistuje a to i přes to, že odkazy na možnost použití řady programů pro účely modelování následků průmyslových havárií lze nalézt i v oficiálních doporučeních Ministerstva životního prostředí. Proto se zrodila myšlenka toto téma blíže rozpracovat – dokonale
popsat
procesy
rozptylu
látek
v atmosféře,
a
provést
také
srovnání
nejpoužívanějších softwarových nástrojů. Pro tento účel bylo nutné nejen prostudovat široké spektrum odborných prací, ale také zprávy o událostech, které se za reálných podmínek již staly. Pouze takto načerpané zkušeností a zjištění mohou posloužit pro definování podmínek a vstupních parametrů pro provádění modelových výpočtů. Problematika modelování rozptylu nebezpečných látek v atmosféře přestavuje náročnou oblast, pro jejíž zvládnutí je nutná dokonalá znalost širokého spektra aspektů. Výsledky dobře provedené rozptylové studie však mohou vynaložené úsilí vynahradit – umožňují totiž prokazatelným způsobem odhalovat podmínky, při kterých se vzniklý oblak bude rozptylovat nejpomaleji, a především stanovovat bezpečné zóny, kde již lidé nebudou nebezpečnou látkou ohroženi.
8
2 OBECNÁ ČÁST 2.1 Legislativa SEVESO 2.1.1 Právní úprava Evropské unie Právní úprava problematiky prevence závažných havárií má v Evropské unii pětadvacetiletou historii. Její počátky je však nutno hledat již v 70-tých letech 20. století. Když se v roce 1976 stala nehoda v italském chemickém závodě ICMESSO v Sevesu, při které uniklo do ovzduší asi 20 kilogramů silně toxických dioxinů, nikdo již nepochyboval o tom, že na rozvoj chemického průmyslu musí reagovat i právní úprava, která by podobným událostem dokázala účinně předcházet. Státy tehdejšího Evropského společenství (ES) proto přijaly jednotnou filozofii pro prosazování aktivní prevence průmyslových havárií, jež vyústily v přijetí směrnice 82/501/EEC, která je často označovaná jako směrnice SEVESO I [23]. Základní teze této směrnice lze shrnout následovně [66]:
nejlepší politikou je prevence možných nehod přímo u zdroje (technický pokrok je potřeba řídit s ohledem na nutnou ochranu životního prostředí),
požadavky na bezpečnost je třeba integrovat ve všech stadiích vzniku a technického života zařízení (vývoji, projekci, konstrukci, provozu, intenzifikaci i po ukončení životnosti, tj. při likvidaci),
u nebezpečných průmyslových činností je potřeba věnovat pozornost ochraně veřejnosti a životního prostředí,
provozovatel je povinen učinit veškerá opatření pro předcházení nehodám,
provozovatel je povinen poskytnout kompetentním orgánům podrobné informace o látkách, procesu a zařízeních a o krocích směřujících ke snížení rizika a následků,
všechny osoby mimo objekt musí být vhodným způsobem informovány o bezpečnostních opatřeních v případě závažné havárie,
členské státy musejí předávat komisi ES informace o závažných nehodách,
neomezuje se právo členských států přijímat opatření zajišťující vyšší stupeň ochrany člověka a životního prostředí,
komise poskytne členským státům souhrnné informace o závažných nehodách,
členské státy musí sdělit ustanovení přijatá v rámci národní legislativy pro tuto oblast.
Jak se však postupem času ukázalo, řada bodů nebyla dostatečně řešena a situace si vyžádala přijetí nové, opravené směrnice. Tato potřeba vyplynula zejména ze zkušeností získaných implementací direktivy SEVESO I a dále z havárií, které se staly v období po jejím přijetí. Byla proto přijata nová směrnice 96/82/EC, která bývá označována jako direktiva SEVESO II [24]. 9
Směrnice SEVESO II přinesla tyto hlavní změny [66]:
Rozsah působnosti byl rozšířen a zjednodušen – je odkazováno na přítomnost nebezpečných látek v podniku – množství překračující určité prahové hodnoty (SEVESO I poukazovala pouze buď na látky ve spojení s určitými průmyslovými činnostmi, nebo na oddělené skladování látek).
Opakovaně stanovuje opatření, která musí přijmout provozovatelé podniků, aby předešli závažným haváriím a omezili jejich následky, a nově bylo zahrnuto ustanovení o „přístupu k prevenci závažných havárií". (Záměrem je zdůraznit závazek provozovatelů podniků ve smyslu zavedení systémů řízení bezpečnosti jako nejdůležitějšího prvku k dosažení vysoké úrovně ochrany z hlediska prevence závažných havárií.)
Zvýšený důraz na opatření pro minimalizaci dopadů závažných havárií na životní prostředí včetně havarijního plánování a územního plánování, identifikaci možných domino efektů, informování veřejnosti tam, kde je to přiměřené, včetně sousedních států. (viz „UN ECE's Convention on the Transboundary Effects of Industrial Accidents“ = Úmluva o účincích průmyslových havárií překračujících hranice států, také zvaná Helsinská úmluva, podepsána 17. 3. 1992).
Podrobné stanovení povinností pověřených úřadů ve vztahu k hodnocení bezpečnostních zpráv (čl. 9.4) a zvláště ve vztahu k ustavení systému inspekcí nebo jiných kontrolních opatření, která jsou definovaná podrobně v článku 18 směrnice.
Právní základ směrnice SEVESO I byl v článcích 100 a 235 Římské smlouvy, protože účelem této směrnice je prevence závažných havárií a harmonizace úsilí v tomto oboru v rámci Společenství, aby byly eliminovány výrazné rozdíly v opatřeních pro prevenci závažných havárií, které by mohly záporně ovlivnit fungování společného trhu.
Právní základ směrnice SEVESO II je v článku 130 o ochraně životního prostředí, který bere v úvahu novou legislativu Evropské unie o ochraně zdraví pracovníků a bezpečnosti práce, která vešla v platnost od přijetí směrnice SEVESO I, zvláště pak směrnici 89/391/EHS.
Další právní úpravou, kterou si vyžádaly okolnosti, byla směrnice č. 2003/105/ES [22]. Ta upravila směrnici SEVESO II tak, že zahrnula do oblasti řešené direktivou SEVESO II také těžební činnosti, skladování odpadů, a také rozšířila tuto směrnici o nové poznatky z toxikologie karcinogenních látek. Potřeba zakomponovat tyto úpravy do společné evropské legislativy vyplynuly zejména ze zkušeností, které odhalily havárie v Aznalcollár (Španělsko, 1998), v Baia Mare (Rumunsko, 1999), v Enschede (Holandsko, 2000), či v Toulouse (Francie, 2001) [5]. 10
2.1.2 Právní úprava v České republice Před vstupem České republiky do EU u nás existoval v podstatě jediný předpis, který danou problematiku řešil. Tímto předpisem byla instrukce ministerstva obrany CO-51-5 z roku 1981 [15], která jako jediná stanovovala povinnosti na úseku havarijní připravenosti. Ačkoli se jednalo o instrukci určenou pro složky civilní ochrany, aplikována byla i na průmyslové podniky. Obsahovala celkem dvanáct hlavních průmyslových toxických látek uvedených v tomto pořadí: chlor, amoniak, kyanovodík, formaldehyd, fosgen, sirovodík, sirouhlík, oxid siřičitý, fluorovodík, chlorovodík, chlorid fosforitý, nitrozní plyny (z hlediska toxicity nebo početnosti výskytu na teritoriu státu). Pomůcka obsahovala mimo jiné požadavky na havarijní plán objektu, kde byla specifikována obecná a grafická část plánu, poplachové směrnice, plán vyrozumění a spojení a plán havarijních prací. V polovině 90-tých let 20. století, tedy dlouho před vstupem ČR do EU, však byl zahájen proces přibližování národní legislativy s právem Evropského společenství, který pro oblast prevence závažných havárií vyvrcholil dne 30. 12. 1999, kdy byl přijat zákon č. 353/1999 Sb., o prevenci závažných havárií [20]. Jeho účinnost byla stanovena od 29. ledna 2000. Důležitou skutečností v tomto ohledu je, že tento zákon do českého právního řádu implementoval obě směrnice direktivy SEVESO. Tento krok představoval tedy zásadní milník v této oblasti u nás. Účelem zákona bylo deklarovat požadavky pro předcházení závažným haváriím, což představovalo stanovení povinností příslušným podnikům, jež splňovaly podmínku pro tzv. zařazení (tj. na které se dle příslušných kritérií tento zákon vztahoval), vytvořit systém prevence vzniku závažných havárií, včetně požadavků pro nakládání s vybranými nebezpečnými chemickými látkami. Konkrétně zákon upravoval:
povinnosti právnických nebo fyzických osob oprávněných k podnikání při prevenci vzniku závažných havárií,
způsob zařazení podniku do příslušných skupin (podle množství a druhu nebezpečné látky),
zvláštní požadavky pro stanovení občanskoprávní zodpovědnosti za škody vzniklé v důsledku závažné havárie,
poskytování informací veřejnosti,
výkon státní správy na úseku prevence.
K zákonu č. 353/1999 Sb. byly vydány také příslušné prováděcí předpisy:
Nařízení vlády č. 6/2000 Sb., kterým se stanoví způsob hodnocení bezpečnostního programu prevence závažné havárie a bezpečnostní zprávy, obsah ročního plánu 11
kontrol, postup při provádění kontroly, obsah informace a obsah výsledné zprávy o kontrole.
Vyhláška č. 7/2000 Sb., kterou se stanoví rozsah a způsob zpracování hlášení o závažné havárii a konečné zprávy o vzniku a následcích závažné havárie.
Vyhláška č. 8/2000 Sb., kterou se stanoví zásady hodnocení rizik závažné havárie, rozsah a způsob zpracování bezpečnostního programu prevence závažné havárie a bezpečnostní zprávy, zpracování vnitřního havarijního plánu, zpracování podkladů pro stanovení zóny havarijního plánování a pro vypracování vnějšího havarijního plánu a rozsah a způsob informací určených veřejnosti a postup při zabezpečování informování veřejnosti v zóně havarijního plánování.
Vstupem České republiky do Evropské unie však proces úpravy legislativy zdaleka neskončil. V roce 2004 byl přijat zákon č. 349/2004 Sb. K tomuto zákonu byly také přijaty zcela nové prováděcí předpisy, kterými byly:
Vyhláška č. 366/2004 Sb., o některých podrobnostech systému prevence závažných havárií.
Vyhláška č. 367/2004 Sb., kterou se mění vyhláška č. 7/2000 Sb., kterou se stanoví rozsah a způsob zpracování hlášení o závažné havárii a konečné zprávy o vzniku a následcích závažné havárie.
Vyhláška č. 373/2004 Sb., kterou se stanoví podrobnosti o rozsahu bezpečnostních opatření fyzické ochrany objektu nebo zařízení zařazených do skupiny A nebo do skupiny B.
Nařízení vlády č. 452/2004 Sb., kterým se stanoví způsob hodnocení bezpečnostních programu prevence závažné havárie a bezpečností zprávy, obsah ročního plánu kontrol, postup při provádění kontroly, obsah informace a obsah výsledné zprávy o kontrole.
V roce 2003 přijala EU směrnici č. 2003/105/ES, která byla věnována problematice nakládání s chemickými látkami, a která upravovala také směrnici SEVESO II. V reakci na to bylo nutné opětovně provést změny v české legislativě, což představovalo přijetí nového zákona č. 59/2006 Sb., o prevenci závažných havárií [21]. K tomuto zákonu byly opět přijaty zcela nové prováděcí předpisy, kterými jsou:
Vyhláška č. 103/2006 Sb., o stanovení zásad pro vymezení zóny havarijního plánování a o rozsahu a způsobu vypracování vnějšího havarijního plánu.
Vyhláška č. 250/2006 Sb., kterou se stanoví rozsah a obsah bezpečnostních opatření fyzické ochrany objektu nebo zařízení zařazených do skupiny A nebo do skupiny B.
Vyhláška č. 256/2006 Sb. o podrobnostech systému prevence závažných havárií.
12
Vyhlášku č. 255/2006 Sb. o rozsahu a způsobu zpracování hlášení o závažné havárii a konečné zprávy o vzniku a dopadech závažné havárie.
Tyto výše uvedené předpisy jsou aktuálně platné.
2.2 Nehodová událost spojená s únikem nebezpečné látky 2.2.1 Statistika nehod a havárií Vílches a kol. [69], kteří analyzovali celkem 5325 průmyslových havárií proběhlých mezi lety 1900 až 1992, zjistili, že drtivá většina havárií spojených s významným únikem nebezpečných látek vzniká při sedmi činnostech, jejichž výčet a zastoupení na celkovém podílu havárií je následující:
přeprava látek (39,1%)
zpracování látek v průmyslových technologiích (24,5 %)
skladování látek ve velkokapacitních zásobnících (17,4 %)
vykládání/nakládání látek (8,2 %)
používání látek a výrobků v domácnosti nebo pro komerční účely (5,8 %)
manipulace s látkami ve velkokapacitních skladištích (3,8 %)
ukládání odpadu (1,2 %)
Z výše uvedeného plyne, že nejvíce havárií vzniká při přepravě nebezpečných látek. Z celkového počtu těchto havárií došlo podle Vílchese k úniku nebezpečné látky ze železniční cisterny ve 27 % případů z automobilové cisterny ve 22 % případů, z přenosného přepravního kontejneru v 16 % případů, z potrubí v 15 % případů, z lodi nebo vlečného člunu v 17 % případů a zbylých 3 % z jiných typů přepravních zařízení. Příčinou vzniku havárií při přepravě nebezpečných látek může být člověk, dopravní prostředek, dopravní cesta, dopravní technologie nebo dopravní informace. Dlouhodobé statistické údaje z různých zemí se shodují v tom, že tou hlavní příčinou je selhání člověka – a to zhruba v 85 %. Dopravní cesta a prostředí je primární příčinou v 10 % dopravních nehod a vozidlo, resp. jeho technický stav, je primárním zdrojem 5 % dopravních nehod. Často se na vzniku dopravních nehod podílí více faktorů současně [35]. V České republice se podle dat z Dopravního informačního systému DOK [18] za posledních 12 let nestala žádná dopravní nehoda zařízení přepravujícího amoniak, chlór nebo LPG s následkem vážného poškození pláště cisterny a následným únikem velkého množství těchto látek. 13
Všeobecně může jakákoli havarijní událost bez ohledu na původ, typ zařízení nebo vykonávanou činnost, vést k jednomu z pěti hlavních následků podle toho, do jakého prostředí látka uniká, a jakých procesů se zde účastní. Jedná se o: toxický rozptyl (vzniká přibližně ve 21 % případů), požár (vzniká přibližně ve 21 % případů), výbuch (vzniká přibližně ve 12 % případů), znečištění ovzduší (vzniká přibližně v 17 % případů) anebo znečištění vody (vzniká přibližně v 45 % případů) [8]. Pokud jde o detailní pohled na havárie s následkem úniku látky do atmosféry, pak podle zjištění Vílcheze lze odvodit, že v přibližně 97 % případů vzniká oblak těžkého plynu, a pouze ve 2 % případů oblak lehkého plynu, resp. v 1 % případů oblak neutrálního plynu [69].
2.2.2 Průběh havarijní události Na počátku události existuje výtok nebezpečné látky ze zařízení do prostředí. Tento výtok může být jen výtokem plynu nebo jen výtokem kapaliny anebo nastává výtok obou těchto fází současně (dvoufázový výtok), což nastává např. při úniku kapalného amoniaku. Únik kapaliny z menšího otvoru v plášti zařízení nebo z potrubí je obvykle doprovázen sprejovým efektem, při kterém dochází k rozstřiku drobných kapének látky podél hrany lemující únikový otvor, což má za následek zvýšení přestupu kapalné fáze do ovzduší. Kromě malých úniků je samozřejmě možné také celkové rozvalení zásobníku a únik veškerého množství látky ve velmi krátkém čase (obvykle do 1 minuty). Tento scénář je sice velmi málo pravděpodobný, nicméně v hodnocení rizik je ho nutné také uvažovat. V případě amoniaku dochází v tomto případě k mžikovému odparu asi 20 % uniklého množství s následným vznikem hustého mlžného oblaku [42]. Nedojde-li k výparu veškerého množství unikající kapaliny ještě před jejím dopadem na zem, vytváří se kaluž, ze které se látka postupně odpařuje do atmosféry. Pokud je látka hořlavá, existuje možnost její okamžité nebo opožděné iniciace. V takových případech může nastat požár ještě kapalné fáze (Pool Fire), mžikový požár oblaku par (Flash Fire), anebo exploze oblaku par (VCE – Vapour Cloud Explosion). Největší riziko přestavují plynné toxické látky, které se po úniku rozptylují v atmosféře. Velmi často se jedná o látky bezbarvé nebo čichem nedetekovatelné, což snižuje možnost včasné reakce lidí. Pokud taková látka zamoří obydlenou oblast, každý člověk v závislosti na koncentrace látky a délce expozice obdrží příslušnou dávku, která v případě překročení určité prahové hodnoty, může vyvolat příslušné následky – poškození zdraví nebo dokonce smrt (viz kapitola 2.6).
2.2.3 Nebezpečí spojená s únikem toxických plynů Pro své široké využití se v praxi můžeme poměrně často setkávat s nebezpečnými toxickými plyny, jakými je amoniak či chlór. Kromě velkých průmyslových provozů, kde se tyto látky 14
využívají v množstvích až desetitisíců tun na jednu technologii (viz obrázky 1a a 1b), se s těmito látkami můžeme setkat i v řadě komunálních odvětvích. Jejich absolutní množství zde sice není velké, nicméně dislokace těchto potenciálních zdrojů úniků je poměrně hustá.
Obrázek 1a a 1b: Kulové zásobníky pro skladování až 550 tun amoniaku [9]; foto A. Bernatík.
Pro své specifické vlastnosti se amoniak využívá ve strojovnách chlazení, proto nachází velké využití v potravinářském průmyslu. Množství amoniaku ve strojovnách chlazení se liší především podle velikosti provozu. Například masokombináty mívají 1,8 tuny, 7 tun nebo i 48 tun amoniaku, pivovary 7 tun nebo 25 tun, mlékárny 6,6 tuny nebo 10 tun. Dále se amoniak nachází na zimních stadiónech pro účely chlazení ledu. Množství látky se zde pohybuje mezi 6 a 12 tunami v případě, že na celý systém chlazení je využíván amoniak. V případě, že na sekundární okruh je využívána například solanka, klesá množství amoniaku ve strojovně na zimním stadionu na cca 0,4 tuny [8]. Další nebezpečnou toxickou látkou vyskytující se v malých množstvích v jednotlivých provozech je chlór, který se využívá v procesu úpravy vod. Do velkých úpraven vod se chlor dodává v 500 kilogramových nebo 600 kilogramových sudech, jejichž počet zde může dosahovat až 20 ks. Menší dochlorovací stanice mají chlor v tlakových láhvích po 45 kg (např. 10 láhví). Rovněž na koupalištích a krytých bazénech se pohybuje zásoba chloru mezi 0,4 – 0,5 tuny [8]. Dosahy nebezpečných koncentrací v případě úniku nebezpečných látek z těchto provozů jsou shrnuty v tabulce 1.
15
Tabulka 1: Nebezpečné vzdálenosti pro jednotlivé druhy provozů Provoz
Množství látky
Nebezpečná vzdálenost do:
zimní stadión
7 t amoniaku
160 m
pivovar
25 t amoniaku
290 m
masokombinát
48 t amoniaku
410 m
úpravna vod (1 sud)
0,5 t chlóru
130 m
úpravna vod (celý sklad)
9 t chlóru
180 m
Kromě skladovacích zásobníků, menších manipulačních nádob, potrubních systémů i samotných provozních zařízení v průmyslových technologiích, se můžeme s toxickými plyny běžně setkávat také při jejich přepravě. Pro přepravu amoniaku a chlóru se používají převážně automobilové a železniční cisterny. Jedná se o velké, obvykle jednokomorové zásobníky válcovitého tvaru s jednoduchým pláštěm umístěné na příslušném podvozku (nákladní vůz, automobilový přívěs nebo návěs, dvou nebo čtyř nápravový železniční podvozek – viz kapitoly 2.9.2.2 a 2.9.2.3). Tyto mobilní zásobníky mohou být významnými zdroji nebezpečí, což ostatně potvrzují i zkušenosti z událostí proběhlých po celém světě.
2.3 Fyzikální modely pro únik plynu ze zařízení Modely pro únik (výtok) kapaliny nebo plynu jsou dobře známy z inženýrské praxe. Výběr vhodného modelu závisí na fázi (tj. zda únik je ve formě kapalné, plynné nebo dvoufázové) a podmínkách unikající látky. Typickým jednoduchým příkladem modelu úniku kapaliny je Bernouliova rovnice. Pro únik plynu by měly být však použity složitější modely a měl by být učiněn rozdíl mezi případem úniku plynu rychlostí supersonickou (tj. za vysokého tlaku) a subsonickou (tj. za nízkého tlaku). Jiným případem úniku látky v plynné fázi je únik z pojišťovacích ventilů, tj. ventilů specificky určených k tomu, aby odlehčily zvýšenému tlaku v nádobě a tak zabránily jejímu roztržení vlivem kritického přetlaku. Pro dvoufázové úniky byly navrženy příslušné empirické modely [12]. Modely úniku obvykle berou jako vstupy podmínky (např. tlak, teplotu) vně a uvnitř zařízení společně s charakteristikami látky. Požadovány jsou také velikost, tvar a umístění únikového otvoru. Tato data se odvodí přímo z provozních podmínek zařízení a z úvah spojených se scénářem dané nehody. Výstupem výtokových modelů jsou charakteristiky, které zahrnují:
vyteklé množství nebo hmotnostní rychlost úniku,
trvání úniku,
podmínky unikající látky, tj. zda se jedná o kapalnou nebo plynnou fázi nebo o mžikově se odpařující látku – dvoufázový výtok. 16
2.3.1 Kontinuální laminární únik plynu Laminarita nebo turbulentnost úniku plynu ze zařízení je určena hodnotou Reynoldsova čísla. Pro laminární únik platí podmínka Re<2300. Splnění této podmínky je prakticky charakterizováno velikostí přetlaku plynu v zařízení, který může být maximálně 100 kPa. Tato podmínka je charakterizována vztahem:
pz ≤ rkrit pa
(2-1)
kde rkrit je kritický poměr tlaků, pz je tlak v zařízení a pa je atmosférický tlak Zároveň platí: γ
rkrit
Cp p γ + 1 γ −1 = z = a γ = Cv p a krit 2
(2-2)
kde γ je poměr molárních tepelných kapacit, Cp je molární tepelná kapacita za konstantního tlaku a Cv je molární tepelná kapacita za konstantního objemu. Pokud je splněna tato základní podmínka pro laminární charakter úniku plynu, pak model uvažuje dva případy:
hmotnost uniklého plynu je známá (je například dána výkonem technologie), potom je do dalšího vyhodnocení použita přímo hodnota hmotnostního úniku plynu, anebo
hmotnost uniklého plynu je neznámá, ale jsou k dispozici parametry pro jeho výpočet. Výpočet množství unikajícího plynu pro další vyhodnocení vychází ze vztahu:
m = Cd × D ×
pz ×ψ ao
(2-3)
kde m je hmotnost uniklé plynné látky, Cd je únikový koeficient, D je plocha otvoru, kterým plyn uniká, pz je tlak v zařízení, ao je rychlost zvuku v plynu při teplotě plynu a ψ je výtokový faktor.
17
Pro laminární únik plynu je hodnota výtokového faktoru ψ dána vztahem:
ψ =
2γ p a γ − 1 p z 2
2
γ
(γ −1) γ 1 − p a p z
(2-4)
kde γ je poměr molárních tepelných kapacit, pz je tlak v zařízení a pa je atmosférický tlak.
2.3.2 Kontinuální turbulentní únik plynu Turbulentní únik plynu ze zařízení je určen hodnotou Reynoldsova kritéria. Pro turbulentní únik musí platit, že Re>104. Splnění této podmínky je prakticky charakterizováno velikostí přetlaku plynu v zařízení, který musí být minimálně 100 kPa. Pokud je splněna podmínka turbulentního úniku plynu, model umožňuje výpočet pouze pro případ, kdy hmotnostní únik plynu je neznámý, ale jsou k dispozici parametry pro jeho výpočet. Pro turbulentní únik plynu je pak hodnota výtokového faktoru ψ dána vztahem: γ +1
2 2 (γ −1 ) ψ = γ γ + 1
(2-5)
Zvláštním typem modelu kontinuálního turbulentního úniku jsou modely pro tryskový únik (Integral Jet Models) [40].
2.3.3 Jednorázový únik plynu Jednorázový únik plynu je přímo definován hodnotou "rychle" uniklého plynu ze zařízení nebo unikajícího množství v čase do 1 minuty. Do dalšího vyhodnocení je použita přímo hodnota množství uniklého plynu. Při vyhodnocení jednorázového úniku není rozlišováno, zda došlo k úniku plynu laminárním nebo turbulentním tokem.
2.3.4 Únik kapaliny následovaný mžikovým odparem Mnoho látek, které se za standardního tlaku a teploty nacházejí v plynném skupenství, jsou často z nejrůznějších důvodů skladovány pod vysokým tlakem v kapalném stavu. V takovém případě ale protržení pláště zásobníku nebo poškození ventilu způsobí náhlý pokles tlaku uvnitř zásobníku, následkem čehož kapalina začne okamžitě vřít, pěnit a stoupat směrem vzhůru [12]. Únik látky tak nastává bezprostředně po vzniku ruptury. V jeho průběhu dochází k úniku kapalné fáze pod tlakem a vznikající louže podléhá mžikovému odparu. Během tohoto procesu se rychlost vzniku plynné fáze ustavuje až do konstantní hodnoty, která 18
například při jednorázovém úniku chlóru ze železniční cisterny trvá 30 až 60 minut [65]. Stanovení hmotnosti látky odpařené mžikovým odparem vychází z aplikace zákona zachování energie při výměně tepla mezi částí látky podléhající odparu a částí vytvářející kapalnou fázi [19] a vede k závěru, že vztah mezi hmotností mžikově odpařené látky Mm a hmotností m veškeré uvolněné látky má tvar:
Mm =
m × (T − TV ) L (T − TV + V ) C pL
(2-6)
kde T je teplota [°C], TV je teplota varu látky [°C], LV je měrné výparné teplo látky [kJ.kg-1] s CpL je měrné teplo látky v kapalné fázi [kJ.kg-1].
2.3.5 Dvoufázový výtok Když současně uniká z poškozeného zásobníku kapalina a plyn, nazýváme tento jev dvoufázovým tokem. Dvoufázová směs, která uniká do atmosféry, se často chová jako těžký plyn. Oblak plynů a par je těžší než vzduch proto, že je zpočátku jeho teplota velmi nízká a proto i hustota je vyšší než hustota okolního vzduchu. Malé kapičky aerosolu, které kromě par tento oblak tvoří, se postupně odpařují, což vede k dalšímu ochlazování oblaku (viz obrázek 15).
2.4 Fyzikální modely vypařování kapalin Pro vypařování byla navržena řada modelů. Důležitým aspektem je zde mechanismus přenosu tepla do kaluže, a to zda je dominantní přenos z půdy nebo ze vzduchu, z vanoucího větru nebo zda se uplatní latentní teplo fázové přeměny v případě úniku přehřáté kapaliny (tzv. mžikový odpar). Všechny modely vypařování jsou založeny na základních principech termodynamiky. V případě, kdy je dominantním mechanismem přenos tepla z půdy nebo vzduchu, je hmotnostní rychlost vypařování dána energetickou rovnováhou, tj. úvahou, kdy je celkový tepelný tok ze vzduchu a podkladu využit pro zahřívání a vypařování uniklé látky. Pokročilejší modely se berou v úvahu v případech, kdy se poloměr kaluže zvětšuje (tj. tehdy, když neexistuje např. záchytná jímka). Modely vypařování obvykle vyžadují proměnné počítané výtokovými modely a proměnné meteorologických podmínek. Jelikož však je tato práce věnována především modelům úniku a rozptylu, není problematika odparu blíže řešena.
19
2.5 Fyzikální modely pro rozptyl plynu v atmosféře Plynná látka po úniku do atmosféry vytváří oblak, který je následně rozptylován ve směru vanutí větru. Existují tři hlavní mechanismy rozptylu:
vznášivý rozptyl (též pozitivně vzlínavý) pro plyny lehčí než vzduch; tyto oblaky jsou pasivně transportovány větrem;
rozptyl neutrálního plynu, tj. plynu o přibližně stejně hustotě vzduchu, resp. plynů naředěných na hustotu vzduchu;
rozptyl těžkého plynu nebo směsí těžších než vzduch.
Pro fyzikální popis rozptylu plynů v atmosféře existuje mnoho modelů, které se dají rozdělit podle:
chování vytvořeného oblaku:
modely pro vznášivý rozptyl (pasivní modely nebo gaussovské modely),
modely pro rozptyl těžkého plynu,
turbulentní modely
trvání úniku:
modely pro okamžitý únik plynu (PUFF),
modely pro kontinuální únik plynu (PLUME),
složitosti modelování:
jednoduché „box modely“,
složité 3D modely (CFD).
Níže jsou některé z výše uvedených modelů blíže popsány.
2.5.1 Gaussovské modely rozptylu Za gaussovský model rozptylu je nazýván původní model Taylorův dopracovaný Suttonem ve 30-tých letech 20. století [6]. Jedná se o jeden z nejjednodušších a patrně nejčastěji využívaných modelů, který je navržen pro plyny lehčí než vzduch nebo obecně pro popis pasivní rozptylové fáze [12]. Je založen na předpokladu, že koncentrace látky je normálně distribuována na horizontální a vertikální ose. Pro kontinuální únik z vyvýšeného bodového zdroje o výšce H je koncentrace v bodě (x, y, z) dána:
20
M c( x, y.z ) = 2πUσ yσ z
2 2 − y2 − (z − H ) − (z + H ) + exp exp 2 × exp (2-7) 2 2 σ 2 σ 2σ z2 y z
kde x, y, z jsou vzdálenosti od zdroje (x – po směru větru, y – kolmo na směr větru, z – vertikálně) [m], c(x,y,z) je koncentrace látky v bodě (x, y, z) [kg.m-3], M je hmotnostní rychlost úniku látky [kg.s-1], U je rychlost větru [m.s-1], H je výška zdroje nad terénem [m], σy, σz jsou směrodatné odchylky, někdy odznačované jako horizontální, resp. vertikální rozptylové koeficienty. Tento vztah, který je v anglicky psané literatuře označován jako „Gaussian PLUME Model“, je však platný pouze pro malé výšky nad zemí a za podmínek, že se nevyskytuje inverze ani konvekce. V případě, že tyto podmínky splněny nejsou, pak rovnice (2-7) nabývá složitějšího tvaru, který lze nalézt například v [14]. Pro okamžitý únik látky je koncentrace c v bodě (x, y, z) od zdroje dána vztahem: 2 (x − Ut)2 y 2 − y 2 − (z − H)2 − (z + H) c(x, y, z) = − 2 2 × exp + exp exp− (2π )3 / 2 σ xσ yσ z 2σ x2 2σ y 2σ y 2σ z2 2σ z2
m
(2-8) kde x, y, z jsou vzdálenosti od zdroje (x – po směru větru, y – kolmo na směr větru, z – vertikálně) [m], c(x,y,z) je koncentrace látky v bodě (x, y, z) [kg.m-3], m je množství uvolněné látky [kg], U je rychlost větru [m.s-1], H je výška zdroje nad terénem [m], σx, σy, σz jsou směrodatné odchylky a t je doba, která uplynula od okamžiku úniku [s]. Výše uvedený vztah bývá v anglicky psané literatuře označován jako „Gausssian PUFF Model“ nebo „Instaneous PUFF Model“. Gaussovské modely jsou určeny pro modelování šíření plynů, které se ve vzduchu dobře rozptylují. Podle těchto modelů představuje rychlost větru a turbulence hlavní faktory, které mají vliv na pohyb molekul uvolněného plynu, takže plyn se šíří ve směru větru a postupně se promíchává se vzduchem, popř. pozvolna stoupá vzhůru. Podle gaussovských modelů má koncentrační profil každé látky podobu Gaussovy křivky (odtud zobecněný název pro tento model), jehož šířka je závislá na rozptylu dané látky. Čím širší tato křivka je, tím výrazněji se rozptyl uplatnil (viz obrázek 2).
21
Obrázek 2: Profil píku koncentrace látky při rozptylu probíhajícího ve směru vanutí větru (x) podle [9]. Poznámka: V okamžiku úniku je koncentrace látky ve vzduchu (c(x,y,z) velmi vysoká a pík je úzký, ale jak se uplatňuje rozptyl, postupně se rozšiřuje a zplošťuje (maximum klesá). Plocha píku, která je úměrná množství uniklé látky, však zůstává konstantní.
Obecný Suttonův model byl postupně upraven do řady variant. Nejčastěji se můžeme setkat s Pasquillovou či Pasquillovou-Giffordovou variantou [65] anebo variantou pro vzdálená pole (Far-field Model) [14]. Většina modelů je určena pro modelování v blízkosti zdrojů úniků, „Far-field Model“ je naproti tomu používán jako určitá rozumná aproximace pro výpočet koncentrací ve velkých vzdálenostech od zdroje. Jelikož jde o zjednodušení, je koncentrace počítána pouze pro plochu nalézající se pod centrální linií šíření oblaku dané látky, která je representována osou shodnou s převažujícím směrem větru. Tento model tedy předpokládá neměnný směr a rychlost větru v čase, čehož samozřejmě nebývá v reálných podmínkách dosaženo. Proto lze tento přístup použít pouze pro hrubé odhady. V gaussovských modelech vystupují směrodatné odchylky σx, σy a σz, které popisují rozšiřování vzniklého oblaku podél základních os v prostoru a v čase. Jejich hodnoty kromě explicitní závislosti na souřadnici x závisejí na rychlosti větru a intenzitě turbulentní difúze [6]. Jedná se v podstatě o směrodatné odchylky v dvojrozměrném normálním rozložení. Teoretické práce i experimenty prováděné v reálných podmínkách ukázaly, že rozptylové parametry úzce závisí na rychlosti a střihu větru, vzdálenosti od zdroje, na stabilitě atmosféry, výšky zdroje a výšky oblaku rozptylující se látky [14]. Promítnout vzájemné závislosti těchto veličin do fyzikálních vztahů však není jednoduché. Proto existuje řada různých, jednodušších i složitějších přístupů pro určení těchto rozptylových koeficientů. Za základní vztahy pro určení σy a σz jsou považovány vztahy postavené na rychlosti větru a koeficientech turbulentní difúze (viz rovnice 2-9). 22
σ y = 2K y
x U
resp. σ z =
2K z
x U
(2-9)
kde Ky a Kz jsou koeficienty turbulentní difúze v osách y a z [m2.s-1] a U rychlost větru podél osy x [m.s-1]. Jelikož ale určení koeficientů turbulentní difúze Ky a Kz vyžaduje složitější výpočty, navrhl již Sutton výpočet rozptylových koeficientů (směrodatných odchylek) pomocí empiricky odvozených zobecněných difúzních koeficientů Cy, a Cz [6] a to podle vzorců popsaných rovnicemi (2-10).
σy =
1 × C y2 × x 2−n resp. σ z = 2
1 × C z2 × x 2− n 2
(2-10)
kde hodnoty Cy, Cz a n lze určit pro různé výšky zdroje a pro různé třídy stability atmosféry podle níže uvedené tabulky 2. Tabulka 2: Závislost zobecněných koeficientů difúze Cy a Cz na výšce zdroje H a na stabilitě podmínek podle [6]. Instabilní zvrstvení
Indiferentní zvrstvení
Slabá inverze
Silná inverze
n = 0,20
n = 0,25
n = 0,33
n = 0,50
H (m) Cz
Cy
Cz
Cy
Cz
Cy
Cz
Cy
0
0,36
0,64
0,12
0,21
0,048
0,084
0,030
0,053
10
0,36
0,64
0,12
0,21
0,048
0,084
0,030
0,053
25
0,36
0,36
0,12
0,12
0,048
0,048
0,030
0,030
50
0,30
0,30
0,10
0,10
0,040
0,040
0,025
0,025
75
0,27
0,27
0,09
0,09
0,036
0,036
0,022
0,022
100
0,21
0,21
0,07
0,07
0,028
0,028
0,018
0,018
V roce 1961 Pasquill s Giffordem navrhli vztahy pro výpočet rozptylových koeficientů pro rozptyl látek emitovaných přízemními zdroji, které se budou šířit nad relativně hladkým povrchem do vzdáleností několika kilometrů od zdroje [38]. Hodnoty rozptylových koeficientů σy a σz jsou úzce závislé na podmínkách panujících v atmosféře, zejména pak na turbulencích vyvolaných konvektivními proudy vzniklými na základě nerovnoměrného ohřevu různých míst zemského povrchu. Za účelem určení rozptylových koeficientů σy a σz pomocí převodu pozorovatelných parametrů stavu atmosféry definoval Pasquill jednoduché kvantitativní hodnocení, které je postaveno na šesti třídách stability atmosféry. Tento přístup je nejčastěji používán u nejjednodušších modelů (screeningové a jednoduché modely).
23
Jestliže jsou ale k dispozici detailnější informace, jako například informace o kolísání rychlosti větru v čase, pak je možné určit koeficienty σy a σz pomocí statistické teorie turbulentní difúze. Například Draxler v roce 1976 navrhnul následující vztahy [38]:
σy =
σv u
x× fy a σ z =
σw u
x× fz
(2-11)
kde σv a σw jsou efektivní kolísání rychlosti větru v příčných a vertikálních směrech (v a w), x je vzdálenost od zdroje úniku a fy a fz jsou funkce, které v blízkosti zdroje mají hodnotu 1 a se vzrůstající vzdáleností x od zdroje pak tato hodnota klesá. V roce 1975 pak formuloval Briggs modelový přístup, ve kterém zohlednil vliv charakteru krajiny a stability atmosféry na proudění v přízemní vrstvě [54,62]. Definoval zde jednoduché vztahy o jedné proměnné (v tomto případě se jedná o vzdálenost ve směru souřadné osy x), s jejichž pomocí lze snadno počítat koeficienty σy a σz pro jednotlivé třídy stability atmosféry (tabulka 3). Na základě provedených experimentů je však tento model, včetně příslušných vztahů, validní pouze pro oblast od 0,1 do 10 km od zdroje, což ale pro modelování havarijních úniků průmyslových látek obvykle postačuje. Tabulka 3: Určení koeficientů σy a σz podle Briggse. Charakter krajiny
Třída stability atmosféry
-1/2
0,20x
0,16x(1+0,1x)
-1/2
0,12x
C
0,11x(1+0,1x)
-1/2
0,08x(1+0,2x)
-1/2
D
0,08x(1+0,1x)
-1/2
0,06x(1+1,5x)
-1/2
E
0,06x(1+0,1x)
-1/2
0,03x(1+0,3x)
-1
F
0,04x(1+0,1x)
-1/2
0,016x(1+0,3x)
A-B
0,32x(1+0,4x)
-1/2
0,24x(1+0,1x)
C
0,22x(1+0,4x)
-1/2
0,20x
D
0,16x(1+0,4x)
-1/2
0,14x(1+0,3x)
E-F
0,11x(1+0,4x)
-1/2
0,08x(1+0,15x)
B
Urbanizovaná krajina
σy
0,22x(1+0,1x)
A
Otevřená krajina
σy
-1
1/2
-1/2 -1/2
Existují samozřejmě i další přístupy pro výpočet rozptylových koeficientů, které jsou složitými funkcemi rychlosti větru, vzdáleností od zdroje a koncentrací (např. Carruthers et al. [14]), avšak tyto algoritmy jsou určeny pro speciální varianty gaussovských modelů.
24
2.5.2 Lagrangeovské a eulerovské modely rozptylu Lagrangeovské modely simulují rozptyl plynu lehčího než vzduch. Model předpokládá únik řady částic a studuje jejich vzdušný přenos v předem stanoveném větrném poli. Často využívanou praktickou aplikací lagrangeovských modelů jsou konstrukce tzv. zpětných trajektorií v poli fiktivního proudění, jehož rychlost má stejnou velikost jako rychlost skutečného proudění, ale opačný směr. Tímto způsobem lze při rozboru přenosu znečištění na velké vzdálenosti provádět přibližnou identifikaci oblastí zdrojů znečištění ovzduší [6]. Lagrangeovské modely nedisponují numerickými rozptyly hodnot a jsou více konzervativní. Tyto modely byly často užívány pro modelování rozptylu znečišťujících látek emitovaných z pozemní dopravy či letadel – vždy však byl uvažován bodový zdroj a tzv. homogenní terén, tj. ideální terén bez překážek. V praxi již ale byly lagrangeovské modely aplikovány také nad tzv. nehomogenním terénem, tj. reálným, zvlněným terénem s menšími překážkami. V takových případech se pro modelování používají tzv. pseudočástice, které imitují pohyb skutečných molekul či velmi malých částic v poli proudění. Trajektorie těchto částic jsou pak vypočítány pomocí středních hodnot rychlosti větru, uplatnění turbulence i náhodného pohybu. Tyto klasické modely jsou však používány pro výpočty koncentrací látek pouze pro dva rozměry, tj. nad uvažovanou plochou. Yamada a Bunker navrhli již i tří dimenzionální lagrangeovský model typu PUFF, který nese označení HOTMAC–RAPTAD (Higher-Order Turbulence Model for Atmospheric Circulation–Random Puff Transport and Diffusion) [71]. Tento integrovaný model, který zahrnuje původně dva samostatné modely, je založen na metodě náhodného posunutí sledovaných veličin. I v tomto případě platí, že úspěšné výpočty distribuce koncentrací sledované látky jsou vždy determinovány přesnosti měření směru a rychlosti větru a turbulencí. Eulerovské modely jsou postaveny na tzv. rovnicích konečného rozdílu hmotností látek. Tato metoda je representována velkými numerickými rozptyly hodnot, které často bývají větší než odpovídající reálné koncentrace. Rozptyl hodnot je úměrný vzdálenosti jednotlivých bodů sítě, pro které jsou koncentrace látek počítány. Obvykle se používá síť s body vzájemně vzdálenými 1 až 10 km. Ovšem taková síť je pro výpočet koncentrací z bodového zdroje nevyhovující, protože je velmi řídká, což také často negativně ovlivňuje výpočty. Nejčastěji se lagrangeovské i eulerovské modely využívají pro modelování přenosu znečišťujících příměsí na velké vzdálenosti (řádově stovek až tisíců kilometrů) [6], což neodpovídá potřebám modelování havarijních dosahů látek uniklých při průmyslových haváriích. I když se tedy těchto modelů pro tento typ modelování nevyužívá, přesto lze konstatovat, že v případě emisí z bodových zdrojů poskytují lagrangeovské modely věrohodnější výsledky než modely eulerovské. 25
2.5.3 Model rozptylu těžkého plynu V případě, že je plyn těžší než vzduch, hovoříme o těžkém plynu. Plyn, který má molekulovou hmotnost větší než vzduch (cca 29 g.mol-1), vytvoří po úniku ze zdroje plynný oblak, jehož velikost je závislá na celkovém množství uvolněného plynu. Plyny, které jsou lehčí než vzduch (při teplotě okolního vzduchu), ale které jsou uskladněny v kryogenním (podchlazeném) stavu, mohou také po svém úniku vytvářet oblaky těžší než vzduch. Tento stav u nich trvá do okamžiku, kdy jejich teplota stoupne natolik, že se hustota sníží pod 1,1 kg.m-3, což je hustota vzduchu za standardních fyzikálních podmínek [61]. V krátkém časovém intervalu od okamžiku uvolnění do atmosféry se takový plyn proto chová jinak, než jak je tomu v případě plynu lehčího než vzduch. Rozptyl těžkého plynu probíhá v několika, po sobě následujících fázích [54]:
klesavá fáze (negativní vzlínání), během níž je dominantní silou gravitace; během této fáze vstupuje do oblaku vzduch, který ho zahřívá a zřeďuje, a tím ho činí lehčím,
přechodná fáze následovaná pasivní rozptylovou fází, kdy je již hustota oblaku významně nižší, a oblak se stává lehčím než vzduch,
fáze vznášivého rozptylu, která je poslední fází rozptylu a která nastává po dostatečném naředění oblaku.
Výše uvedené fáze rozptylu jsou ukázány na obrázku 3, reálný vzhled oblaku při přechodné fázi pak zachycuje obrázek 4.
Obrázek 3: Ukázka postupných fází rozptylu oblaku těžkého plynu podle Markiewicze [40]. U je rychlost větru, tj. vzduchu vstupujícího do oblaku a Uc je rychlost postupu čela oblaku.
26
Obrázek 4: Vzhled oblaku aerosolu rozptylujícího se jako těžký plyn (snímek pořízený při terénních testech projektu SPREAD zachycuje tvar oblaku 120 sekund po úniku ze zdroje); foto autor.
V okamžiku, kdy hustota oblaku dosáhne hustoty vzduchu, začne se plyn rozptylovat pasivním rozptylem, který lze popsat podle gaussovského modelu, což v praxi představuje rozšiřování oblaku podél kužele s vrcholem ve zdroji a osou ležící ve směru vanutí větru. Empirické zkušenosti hovoří, že vyrovnání hustoty oblaku s hustotou vzduchu nastává při objemové koncentraci plynu okolo 10 000 ppm, což odpovídá objemové koncentraci látky ve vzduchu cca 1 % obj. [61]. V případě malých úniků nastává vyrovnání hustot již ve vzdálenosti několika metrů od zdroje, u velkých úniků pak mnohdy až ve vzdálenostech stovek metrů od zdroje ve směru větru. V takových případech se již výrazněji uplatňuje charakter okolního terénu, a proto je nutné jej předem do programu zadat. Například údolí, kaňony, uliční zástavba měst a jiné uzavřené lokality ředění a rozptyl oblaku značně zpomalují. Určit v praxi, zda se plyn bude rozptylovat podle modelu těžkého plynu či gaussovského modelu, však není tak snadné. Pouhá znalost hodnoty molární hmotnosti dané látky totiž nepostačuje, protože oblaky různých látek podléhají vnějším vlivům různě. Proto navrhl Reynolds v roce 1992 vztah pro výpočet bezrozměrného „Richardsonova čísla ve zdroji“ Rio, jehož hodnota determinuje charakter rozptylu uniklého plynu z přímého zdroje [47]. Je-li Rio ≤ 1, pak se plyn bude rozptylovat podle gaussovského modelu; je-li Rio > 1, pak se plyn bude chovat jako těžký plyn. Pro jednorázový únik se Rio vypočte podle následujícího vzorce:
Rio =
g × ( ρ 0 − ρ a ) × Vi ρ a × A0 × U ∗2
(2-12)
27
kde g je gravitační zrychlení [m.s-2], ρa je hustota vzduchu [kg.m-3], ρ0 je hustota uvolněné látky ve zdroji [kg.m-3], Vi je objem uvolněné látky [m3], A0 je půdorysná plocha zdroje [m2], U∗ je rychlost tření [m.s-1]. Pro kontinuální únik se Rio vypočte podle následujícího vzorce:
Rio =
g × (ρ0 − ρa ) × Q ρ a × d 0 × U 10 × U ∗2
(2-13)
kde mimo výše uvedených veličin je Q objem látky uvolněné za jednotku času (objemová rychlost úniku látky) [m3.s-1], d0 je rozměr zdroje [m], U10 je rychlost větru ve výšce 10 metrů nad zemí [m.s-1]. Jelikož Richardsonovo číslo kvantitativně charakterizuje rozvoj turbulentních a konvektivních pohybů ve vzduchové hmotě [6], což v případě rozptylu oblaku dané látky v podstatě vyjadřuje relativní míru potenciální energie vzniklého oblaku plynu s ohledem na mechanickou
energii
získanou
prostřednictvím
turbulentního
proudění
[63].
Pravděpodobnost, že se uniklý plyn bude chovat jako těžký plyn, roste s jeho celkovým uvolněným množstvím, resp. rychlosti úniku, s klesající rychlostí větru a zvyšující se stabilitou teplotního zvrstvení. Hodnota Ri = 1 odpovídá stavu, kdy je veškerá turbulentní kinetická energie v mezní vrstvě spotřebována působením stability teplotního zvrstvení [6]. Rychlost tření U∗ je za reálných podmínek podle Hanny [63] rovna 5 % až 10 % hodnoty rychlosti větru ve výšce 10 metrů nad zemí. Řada programů, které využívají Richardsonova čísla coby kritéria pro výběr příslušného modelu (např. i ALOHA), používají do výpočtů střední hodnotu rychlosti tření U∗, která se podle Reynoldse [47] rovná hodnotě 0,0625násobku rychlosti větru ve výšce 10 metrů (U10). Veličina d0, která charakterizuje rozměr zdroje, představuje počáteční šíři či průměr oblaku bezprostředně po jeho vzniku, tj. do okamžiku, než se začne ředit vzduchem. V případě, že oblak vzniká odpařováním kapaliny z louže, bere se za d0 průměr této louže [63].
2.5.4 Model pro turbulentní rozptyl Model popisující turbulentní rozptyl je založen na skutečnosti, že látka dotující tvorbu oblaku vnáší do tvorby oblaku kinetickou energii a tato energie způsobuje intenzívní promíchávání unikající plynné látky s okolním vzduchem. Důsledkem je výrazně rychlejší zřeďování unikajícího plynu, což se projevuje zkrácením dosahu oblaku, oproti difúznímu modelu rozptylu.
28
Turbulentní model rozptylu je vyjádřen vztahem:
ρ d r c( x,r ) = k1 × c0 × × a ⋅ exp - k 2 × x ρ0 x
2
(2-14)
kde c(x, r) je koncentrace plynu v bodu daném souřadnicemi x a r, k1 a k2 jsou empirické parametry, c0 je koncentrace plynu při úniku z otvoru, d je průměr únikového otvoru, x je vzdálenost od únikového otvoru ve směru osy oblaku, r je radiální vzdálenost od osy oblaku, ρa je hustota vzduchu a ρ0 je hustota plynu ve zdroji (u únikového otvoru). Vzhledem k omezené platnosti použitého modelu (platí pouze pro některé limitní stavy), je výpočet automaticky kontrolován difúzním modelem rozptylu pro kontinuální dotaci látky. Proto je v zadání modelů, provádějících vyhodnocení turbulentního modelu rozptylu pro kontinuální dotaci látky, nutno zadávat i parametry terénních a atmosférických podmínek.
2.5.5 Difúzní model pro rozptyl při jednorázové dotaci látky (PUFF) Difúzní model rozptylu při jednorázové dotaci látky je model popisující tvorbu oblaku, který je vytvářen časově omezenou dodávkou látky do oblaku. Model je založen na skutečnosti, že látka dotující tvorbu oblaku nevnáší do tvorby oblaku žádnou kinetickou energii a tvorba oblaku a jeho časová stálost je funkcí difúze, množství látky dotující tvorbu oblaku, terénních a atmosférických podmínek. Pro difúzní model rozptylu (při jednorázové dotaci látky) je použit vztah:
c(x, y, z,t) =
2 1 ( x − U × t ) y 2 z 2 exp− × + 2+ 2 σ x2 σ y σ z 2 ×σ x ×σ y ×σ z
2×m
(2 × π )3
(2-15)
kde c(x, y, z, t) je koncentrace látky v bodě daném souřadnicemi x, y, z a časem t, m je množství (jednorázově) uniklé látky, x, y, z – souřadnice oblaku (délka, šířka, výška), σx, σy, σz jsou směrodatné odchylky pro délku, šířku a výšku oblaku (rozptylové koeficienty), U je rychlost větru a t je čas (doba od úniku).
2.5.6 Difúzní model pro rozptyl plynu při kontinuální dotaci látky (PLUME) Difúzní model rozptylu při kontinuální dotaci látky je model popisující tvorbu oblaku, který je vytvářen nepřetržitou dodávkou látky do oblaku, za vytvoření rovnováhy mezi látkou dotující tvorbu oblaku a látkou unikající z vytvořeného oblaku (ředění látky nad danou hodnotu koncentrace). Model je řešen jako časově stálý. 29
I tento model vychází z předpokladu, že látka dotující tvorbu oblaku nevnáší do tvorby oblaku žádnou kinetickou energii. Tvorba oblaku a jeho časová stálost je funkcí difúze, množství látky dotující tvorbu oblaku, terénních a atmosférických podmínek [12]. Pro difúzní model rozptylu při kontinuální dotaci látky je použit vztah:
1 y 2 z 2 M c(x, y, z ) = × exp− × 2 + 2 U × π ×σ y ×σ z 2 σ y σ z
(2-16)
kde c(x, y, z) jsou koncentrace látky v bodě daném souřadnicemi x, y, z, M je množství látky množství látky uvolněné za jednotku času, x, y, z jsou souřadnice oblaku (délka, šířka, výška), σy, σz jsou směrodatné odchylky pro šířku a výšku oblaku, U je rychlost větru. Směrodatné odchylky pro šířku a výšku oblaku jsou funkcí délky oblaku x a typu počasí ve tvaru:
σ y = a ⋅ xb
, resp.
σz = c⋅ xd
(2-17)
kde a, b, c, d jsou empirické konstanty.
2.5.7 Box model pro rozptyl těžkého plynu Jedná se o nejjednodušší model použitelný pro úniky těžkého plynu. Uvolněný oblak je modelován jako válec se stejným počátečním poloměrem a výškou, který se skládá ze směsi látky v plynné a kapalné fázi (kapičky) a vzduchu. Jelikož je válec přemísťován ve směru větru, převažující silou je gravitace, a proto se výška válce snižuje a jeho poloměr zvětšuje. Tato fáze je známa jako „klesavá fáze“. Protože vzduch vniká do oblaku z okrajů a shora, celá směs se ohřívá a zřeďuje. Existuje určitý bod během této fáze, ve kterém je oblak natolik zředěn, že se stává lehčí než vzduch a je neutrálně rozptylován vzduchem. Od tohoto okamžiku může být pro popis rozptylu uplatňován gaussovský model. Co se týče kontinuálního úniku, zformovaná významná vlečka je modelována jako sled tenkých pravoúhlých vrstev, pro které jsou aplikovány stejné principy [12].
2.5.8 Modely „Computational Fluid Dynamics“ Modely
„Computational
Fluid
Dynamics“
(CFD)
v současnosti
představují
nejpropracovanější, nejvýkonnější, ale také nejsložitější skupinu rozptylových modelů. V podstatě se jedná o modely založené na studiu dynamiky proudění tekutin pomocí numerického řešení bilančních rovnic zaměřených na velké detaily při současném zachování
30
komplexní geometrie a časové kontinuity. Algoritmus CFD modelů tak zahrnuje mimo jiné rovnice popisující látkovou bilanci, rovnice popisující bilanci hybnosti, rovnice popisující energetickou bilanci, a také rovnice pro výpočet Reynoldsova napětí. Účelem těchto složitých výpočtů je umožnit modelovat šíření/rozptyl látek nad složitým terénem (tzv. komplexním terénem) zahrnující překážky různého tvaru a ohraničení při současném vzniku nehomogenit (turbulence) v proudění [12]. Pro havarijní plánování je využití CFD modelů možné, ale pro jednoduché geometrie bez překážek je efektivnější využívat klasické modely. Důvodem je to, že pro CFD modelování je stále ještě problém přesně definovat stabilitu atmosféry a okrajové podmínky. V současnosti probíhá usilovné bádání zaměřené na zlepšování CFD modelů, které je podpořené také četnými experimenty prováděnými za reálných podmínek (např. Fladis experimenty prováděné Risø National Laboratory ve Švédsku). Na obrázcích 5a a 5b jsou presentovány výsledky jednoho z testů, kdy byl z umělého zdroje do atmosféry dvojfázovým výtokem emitován po dobu 3 až 40 minut amoniak. Studium rozptylu vzniklého oblaku, který byl ve všech fázích rozptylu detailně sledován, přineslo zjištění, že amoniak vytékající rychlostí 0,25 až 0,6 kg.s-1 se rozptyluje jako těžký plyn až do vzdálenosti 20 metrů od zdroje, a do vzdálenosti 70 metrů od zdroje pak jeho rozptyl velmi dobře odpovídá modelu pro neutrální plyn [32]. Současné modely umožňují poměrně dobře získávat 2D výpočty, tj. vertikální profily koncentrací, avšak toto platí pouze pro omezené vzdálenosti od zdroje (přesnost CFD modelů se vzdáleností od zdroje klesá). Lze již samozřejmě získávat také 3D modely, avšak k jejich provádění si vyžaduje vysoce výkonných počítačů, které musejí zpracovávat náročné výpočty pro několik milionů buněk prostorové sítě [32].
Obrázek 5a a 5b: Koncentrační izolinie pro rozptyl amoniaku za podmínek testu Fladis09 získané pomocí CFD modelu (7a) versus výsledky získané experimentem (7b) podle [32].
31
2.6 Modely toxických dopadů Modely toxických dopadů se používají pro hodnocení dopadů expozice toxických plynů na lidské zdraví. Z mnoha důvodů je obtížné přesně ocenit účinek expozice toxických látek. Hlavními důvody jsou skutečnosti, že existují rozmanité účinky (např. podráždění, dušení, slepota, poškození smyslových orgánů, poleptání, smrt….) a rozmanité stupně odezvy jednotlivců v typické populaci. Navíc existuje výrazný nedostatek klinických dat týkajících se těchto účinků a experimentování není možné. Data jsou obvykle získávána z řízených experimentů s laboratorními zvířaty. Extrapolace těchto dat na člověka je proto jedinou dostupnou technikou, která jsou však zatížena určitou nejistotou. Toxické účinky látek se běžně posuzují podle dávky. U plynných látek, které působí na tělní systémy, je důležité celkové množství inhalované látky a dávka je jednoduše násobkem koncentrace a doby expozice. Pro zahrnutí místních účinků, regenerace a exkrece se výpočet dávky provádí podle následujícího vztahu: T
Dtox = ∫ c( x, y, z ) k (t )dt
(2-18)
0
kde Dtox je toxická dávka [mg.m-3.min] nebo [ppm.min], c(x,y,z) je koncentrace látky v ovzduší v daném bodě [mg.m-3] nebo [ppm], t je čas [min], T je doba expozice [min] a k je empirická konstanta charakteristická pro příslušnou toxickou látku (nabývá hodnot 0,6 až 3 [36]). Z empirických zkušeností je známo, že vzájemný vztah rozsahu následků expozice nebezpečné chemické látce a koncentrace této látky má sigmoidální charakter. Jelikož není jednoduché
řešit
problém
související
s kvantifikací
pravděpodobnosti
následků
a
koncentrace látky, byla vyvinuta probitová analýza. Ta vhodným způsobem transformuje data o mortalitě na tzv. probit hodnoty (probability unit), které již mají na logaritmu koncentrace nebo dávky přibližně lineární závislost, a mohou tak posloužit pro odhad pravděpodobnosti úmrtí následkem expozice. Výpočet probit hodnot se provádí pomocí probitových funkcí, které byly navrženy na základě statistických analýz účinku dané látky na populaci laboratorních zvířat extrapolovaných na člověka. Tyto extrapolace samozřejmě mohou být zatíženy chybou, která vychází z empiricky zjištěné zkušenosti, že škody způsobené populaci stejnou dávkou stejné látky se mohou významně lišit v závislosti na síle, zdravotním stavu a charakteristice jednotlivců [33]. Nejjednodušším způsobem se dají toxické účinky hodnotit srovnáním reálné koncentrace s některou ze stávajících „bezpečnostních hladin“. Při pokusu studovat a analyzovat účinky toxických látek byly proto definovány příslušné prahové hodnoty uvedené v Příloze A. 32
2.7 Faktory ovlivňující rozptyl látek v atmosféře 2.7.1 Meteorologické podmínky Mezi meteorologické podmínky, které výrazným způsobem ovlivňují rozptyl látek v atmosféře, patří zejména rychlost a směr vanutí větru, charakter proudění vzduchu, třída stability atmosféry, teplota a vlhkost vzduchu, atmosférický tlak, srážky a výška, ve které se nachází vrstva inverze. Dominantní vliv na rozptyl látek v atmosféře má charakter proudění vzduchu a rychlost větru. Jejich vliv se uplatňuje ve všech fázích rozptylu, ponejvíce pak ve fázi pasivního rozptylu. Rychlost větru je vlivem tření vzduchu o zemský povrch v různých výškách různá. Tento fakt se může výrazně uplatnit při rozptylu vertikálně mohutnějších oblaků, kdy přízemní část oblaku se již po několika sekundách od úniku ve svém postupu značně opožďuje oproti jeho horním partiím. Nad stejnorodým terénem, za podmínek neutrální atmosférické stability (třída D), je rychlost větru logaritmickou funkcí výšky [38], kterou je možno přibližně určit ze vztahu: nm
z 2 − nm U ( z ) = U 10 × 10
(2-19)
kde z je výška nad zemí, pro kterou rychlost větru U počítáme, U10 je rychlost větru ve výšce 10 metrů nad zemí a nm je meteorologický exponent (vztažený k drsnosti terénu), jehož přibližné hodnoty přepočtené pro neutrální stabilitu atmosféry (třída D) uvádí tabulka 4. Hodnota koeficientu nm roste nejen s rostoucí stabilitou atmosféry, ale také se zvětšující se drsností terénu [38]. Tabulka 4: Hodnoty meteorologického exponentu nm podle [67]. Rychlost větru [m/s]
Vertikální teplotní gradient [°C/100m], resp. t řída stability
Průměrný meteorologický exponent nm
2
- 0,2 (stabilní)
0,5
5
- 0,6 (neutrální)
0,25
7
- 1,0 (mírně instabilní)
0,2
33
Nejen rychlost větru, ale také charakter proudění vzduchu je výrazně závislý na stabilitě atmosféry. Rozlišujeme tři základní třídy stability [61]:
instabilní
neutrální (indiferentní)
stabilní
Během instabilních povětrnostních podmínek se vyskytují největší turbulence. Instabilní povětrnostní podmínky se vyskytují tehdy, když slunce prohřívá půdu a vaky či kapsy teplého vzduchu stoupají vzhůru a mísí se v nižší vrstvě atmosféry – v mezní vrstvě. Za instabilních podmínek se oblaky plynů rychle promíchávají a poměrně rychle se snižuje přízemní koncentrace. Za těchto situací mohou být ale také plyny, jejichž zdroj je ve výšce, strhávány k zemi. Stabilní povětrnostní podmínky turbulenci potlačují. Vyskytují se tehdy, když je půda chladnější než vzduch, typicky při klidných chladných nocích a časně z rána. Stabilní povětrnostní podmínky způsobují úzké, tenké oblaky a vlečky s vysokými koncentracemi a nízkým stupněm promíchávání. Vysoko plující oblaky mohou cestovat okolo, aniž by pod oblakem vznikaly vysoké koncentrace daných látek. Zmíněné procesy shrnuje obrázek 6.
Obrázek 6: Zjednodušená charakteristika tří základních tříd stability atmosféry podle [61].
34
Pro účely modelování rozptylu znečišťujících příměsí navrhli Pasquill a Gifford členění sestávající ze šesti stabilitních tříd v rozsahu od A (extrémně instabilní) po F (extrémně stabilní) [6]; třída D pak charakterizuje indiferentní teplotní zvrstvení. Obecně platí, že když je teplotní zvrstvení stabilní (třídy E, F) nebo neutrální (třída D), pak se očekává, že uniklé látky budou putovat na delší vzdálenosti, než se jejich koncentrace významně sníží. Z tohoto důvodu se třídy D, E a F považují z hlediska rozptylu nebezpečných látek za „špatné“ povětrnostní podmínky. Blíže viz tabulka 5. Tabulka 5: Určení třídy stability atmosféry podle vnějších podmínek (tzv. Pasquillova-Giffordova typizace) podle [6]. Rychlost přízemního -1 větru [m.s ]
Den
Noc
Dopadající sluneční záření
Oblačná pokrývka
silné
střední
slabé
< ½ oblohy
> ½ oblohy
<2
A
A–B
B
E
F
2–3
A–B
B
C
E
F
3–5
B
B–C
C
D
E
5–6
C
C–D
D
D
D
>6
C
D
D
D
D
Poznámka: Při zcela zatažené obloze ve dne i v noci se uplatňuje třída stability D bez ohledu na rychlost větru. Za noc se považuje časový úsek začínající hodinu před západem slunce a končící hodinu po východu slunce.
2.7.2 Charakter okolního terénu Důležitým parametrem, který se uplatňuje při rozptylu látek v atmosféře, je charakter terénu (místní topografie). Topografie každého bodu je reprezentována jeho souřadnicemi vztaženými k určité soustavě. Pro modelování rozptylu je hlavní vertikální souřadnice – výška. Drsnost povrchu má rovněž velký význam. Při modelování rozptylů je obvykle uvažováno pět kategorií drsnosti charakterizovaných konstantou z0. Jedná se o tyto kategorie:
rovný volný terén,
obdělávané pozemky, zemědělská půda, louky, pastviny,
terén s řídce rozptýlenými menšími stavbami,
obydlené oblasti,
urbanizované, hustě obydlené oblasti s výškovými budovami.
Koeficient drsnosti povrchu z0 se používá k popisu vlivu terénu na rozptyl oblaku plynu, který se uplatňuje v přízemní vrstvě, kde vznikají vlivem tření proudění o povrch drobné turbulence 35
či indiferentní vrstvy. Použití této veličiny předpokládá, že nejsou přítomny žádné výrazné terénní překážky. Obecně se používá jednoduchá střední hodnota pro nejbližší okolí zdroje úniku plynu, která odpovídá přibližně 3 % až 10 % výšky překážek [38]. Standardní hodnoty koeficientu drsnosti z0 doplněné o hodnoty uváděné Brutsaertem [61] jsou uvedeny v tabulce 6. Tabulka 6: Charakteristika jednotlivých druhů povrchů a určení příslušných koeficientů drsnosti povrchu z0 a k nim příslušných meteorologických koeficientů nm. Typ terénu
zo [cm]
nm
Zaledněná plocha
0,001
0,13
Letištní ranvej
0,002
Rozlehlé vodní hladiny
0,01 – 0,06
Pěstěný trávník (do výšky 1 cm)
0,1
Travní plocha letištního typu
0,45
Travnatý povrch prérie
0,64
Trávnatý povrch 7,5 cm vysoký
1,0
0,33
Trávnatý povrch 10 cm vysoký
2,3
0,39
Rovinaté strniště
2,44
0,40
Buš (travnatý povrch s občasnými keři a stromy)
4,0
Vzrostlá tráva, obilné pole (50 cm výšky)
5,0
0,46
Terén obrostlý vegetací 1 – 2 m vysokou
20,0
0,42
Stromy (10 – 15 m vysoké)
40,0 – 70,0
Savana (travnatý povrch s hustější vzrostlou vegetací)
40,0
Velká města
165,0
0,18 – 0,23
0,29
Velké terénní překážky mění rozptyl oblaku velmi výrazně (viz obrázky 7 a 8). Vyskytují-li se v zájmové oblasti, pro které rozptyl počítáme, ve větším množství, zohlednění koeficientu drsnosti povrchu z0 pozbývá smyslu. Běžné jednodušší modely přítomnost velkých objektů při výpočtu rozptylu zohledňovat nedokáží. Tento vliv lze řešit pouze s pomocí počítačových programů, které obsahují algoritmy ověřené experimenty v aerodynamickém tunelu. To potvrdil již v roce 1975 Egan, který na základě svých rozsáhlých experimentů prováděných v aerodynamickém tunelu dokázal, že nejen menší překážky, jako jsou například domy, ale také výraznější terénní nehomogenity, proudnice nikdy plně nekopírují [38].
36
Obrázek 7: Obtékání velkých terénních překážek vzduchem při malé rychlosti větru podle [61].
Obrázek 8: Turbulence v horizontálních směrech vznikající následkem proudění vzduchu podél překážek menších rozměrů podle [61].
2.7.3 Chemické procesy v atmosféře a atmosférická depozice Chemické procesy probíhající v rozptylujícím se oblaku je třeba uvažovat zejména tehdy, pokud mohou výrazně ovlivnit jeho rozptyl anebo vedou ke zhoršení toxických dopadů na zasažené populaci. Příkladem může být únik fluorovodíku. Tento plyn v ovzduší snadno podléhá dimeraci, a také ochotně reaguje s vodní parou, což v obou případech vede ke vzniku disperze těžší než vzduch. Podobně se chová i amoniak. Ten sice v ovzduší nepodléhá sekundárním chemickým reakcím, ale velmi ochotně se rozpouští v kapičkách vodního aerosolu a vytváří tak kondenzovanou molekulu NH3.H2O, jejíž hmotnost je vyšší než průměrná molekulová hmotnost vzduchu (tj. 29 g.mol-1). Rozptyl disperze také ovlivňují procesy suchého nebo vlhkého usazování (suchá resp. mokrá depozice). Suchá depozice je proces pomalý avšak kontinuální, mokrá depozice je pak spojena s vymýváním plynné látky z atmosféry, tj. rozpouštění plynů v padajících (kapalných) srážkách. Obecně lze ale říci, že procesy depozice se na změně koncentrace rozptylující se plynné látky příliš nepodílejí (vyjma specifických případů – např. při intenzivních srážkách, či 37
výskytu mlhy při rozptylu látek s vysokou afinitou k vodě), a také proto nejsou v převážné většině modelů uvažovány. Pakliže je ale k dispozici dostatek relevantních dat, lze i depozici do modelů zahrnout. Všechny zmíněné procesy, které ovlivňují rozptyl oblaku v ovzduší, jsou i s příslušnými grafickými detaily ilustrovány na obrázku 9.
Obrázek 9: Procesy ovlivňující rozptyl disperze v atmosféře podle [39].
2.8 Softwarové nástroje určené pro modelování rozptylu látek v atmosféře 2.8.1 Obecný popis softwarových nástrojů V dnešní době je již většina modelů dostupná v softwarové podobě. Všechny softwarové (SW) aplikace jsou postaveny na základních typech modelů úniků a rozptylových modelů, resp. jejich fyzikálních rovnicích. Využití výpočetní techniky může uplatnění daného modelu v praxi významně rozšířit a to na základě empirických zkušeností přenesených do příslušných algoritmů. Stejně tak ale nemusí být způsob zpracování algoritmů a jejich provázanost správná nebo uživatelské rozhraní přehledné. V takových případech může dojít k paradoxní situaci, kdy jednotlivé SW nástroje generují za stejných podmínek odlišné výstupy. Podle zkušeností s využíváním jednotlivých modelů, lze modely rozdělit na modely preferované a modely doporučené [58]. Preferované modely jsou takové, které jsou obecně 38
dobře dostupné a v praxi jsou používány nejčastěji. Mají však řadu omezení či nepřesností, o kterých jejich uživatelé často ani neví. Naproti tomu vylepšené modely, které umožňují do výpočtu zahrnout řadu dalších vlivů a jejichž výstupy jsou tedy přesnější, představují zástupce skupiny modelů doporučených. Jejich hlavní nevýhodou je však to, že jsou uživatelsky složité a vyžadují zakoupení uživatelské licence, což představuje nemalé náklady. Při výběru vhodného modelu je nutno přihlížet k několika požadavkům. Model musí být postaven na základních fyzikálních vztazích platných pro rozptyl disperze a poskytovat validní
odhady
koncentrací
sledované
látky
ve
směru
větru,
které
musejí
být
reprodukovatelné. To však vyžaduje detailní informace o zdroji emise a informace o vnějších podmínkách, tj. o terénu a atmosférických podmínkách. Obecně je ale žádoucí, aby rozsah vstupů byl co možná minimální a model byl uživatelsky co možná nejednodušší. Všechny modely by měly mít plně zdokumentovaný popis výpočetních algoritmů, v případě SW aplikací pak podrobnou uživatelskou příručku a vhodné uživatelské rozhraní. Každý model by měl projít fází testování v reálných podmínkách nebo alespoň srovnáním jeho výstupů s jiným, již ověřeným modelovacím počítačovým programem. SW modely se obecně dělí [38] na čtyři typy:
screeningové modely (Gross Screening Models),
jednoduché modely (Intermediate Models),
pokročilé modely (Advanced Models),
specializované modely (Specialized Models).
Screeningové a jednoduché modely, které nevyžadují mnoho vstupních údajů, poskytují konzervativní výsledky – tedy mírně nadhodnocují. Tento přístup je odůvodnitelný, protože se jedná o modely určené pro rychlou aplikaci v terénu, kdy s ohledem na časové dispozice a možnosti uživatele není možné získat vstupní data zejména o povětrnostní situaci v požadované kvalitě. Tyto modely se proto musí spokojit pouze s odhady např. rychlosti větru, vlhkosti, stability atmosféry apod., které provádí uživatel na základě subjektivního pozorování kupříkladu průvodních jevů. Z praxe je však známo, že zvláště v náročnějších případech uživatel ocení přínos těchto jednoduchých modelů, neboť jejich použitím získá rychlou odpověď na základní otázky, mezi které patří například, zda je nutné uvažovat přesah nebezpečných koncentrací za určitou vzdálenost či nikoli. Pokročilé modely často požadují kromě výkonného počítače také další externí digitální pracovní stanice. Tyto složité modely totiž vyžadují rozsáhlá meteorologická data a data o
39
koncentraci emitované látky v ovzduší, která získávají ze sítě externích stanic rozmístěných nad inkriminovanou oblastí. Jedná se tedy o modely určené převážně pro stacionární použití. Tyto modely vyžadují také podrobné informace o terénu (tzv. komplexní terén), tedy rozmístění terénních překážek, jejich velikost a také aktuální informaci o teplotním zvrstvení atmosféry. Specializované modely jsou často užívané pro předpověď rozptylu zvláštních materiálů či nebezpečných nákladů, jako jsou bojové chemické látky či biologické zbraně. Modely pro rozptyl těžkého plynu jsou používány také v chemickém průmyslu pro modelování emisních vleček vznikajících jak při běžném provozu, tak především při havarijních únicích. Tyto modely již vyžadují zadávat hodnoty mnoha termodynamických veličin a podrobná meteorologická data. Ačkoli kvalita a rozsah vstupních údajů zvyšují spolehlivost a přesnost výstupů, přesto platí, že komplikované modely jsou citlivější na chybu, která může snadno vzniknout zadáním ne zcela přesné hodnoty některé z požadovaných veličin. Kromě toho, také požadavky na znalosti uživatele jsou u složitých modelů vyšší a snadno se tak může stát, že nezkušený uživatel provede chybu při zadávání vstupních dat či výpočtu samotném. Proto, aby bylo možné různé softwarové modely vzájemné porovnávat, bylo definováno třináct základních posuzovacích kritérií [58], které je možné využít i před samotným výběrem příslušného SW nástroje. Tyto kritéria jsou:
(1)
uživatelská přívětivost a vhodně navržené rozhraní (scelovače, ovladače, barvy apod.),
(2)
požadavky na hardwarovou podporu,
(3)
nároky na znalosti a dovednosti uživatele,
(4)
cena SW nástroje a požadavky na další výdaje (např. přidružené instalace, výcvikové kurzy, manuály apod.),
(5)
míra využitelnosti nástroje a schopnost modelovat daný typ rozptylu/znečištění,
(6)
rozsah požadovaných vstupních údajů,
(7)
schopnost modelu počítat ztrátu znečišťující látky mokrou a suchou depozicí,
(8)
schopnost modelu zahrnout do výpočtů také příslušné chemické procesy probíhající v atmosféře,
(9)
schopnost modelu počítat různě dlouhé trvání úniků (tj. jak časově krátké, tak i dlouhodobé úniky),
(10) velikost území, pro které model dokáže počítat koncentrace znečišťující látky (jako minimum se udává vzdálenost 1 až 5 km od zdroje),
40
(11) schopnost modelu zahrnout do výpočtu vliv charakteru okolního terénu (tj. stavby, les, volnou krajinu apod.),
(12) formát výstupních informací, jejich srozumitelnost a použitelnost pro případné další využití,
(13) rating modelu, zkušenosti s jejich použitím apod. (např. odkazy u U.S. EPA nebo v pracích uznávaných odborníků).
2.8.2 Základní problémy validity softwarových nástrojů Při používání různých SW nástrojů modelujících rozptyl látek v atmosféře se můžeme setkat s rozdílnými výsledky. Tyto rozdíly obvykle nejsou příliš výrazné, ale dosti často přesahují mez přijatelné statistické odchylky. Většinou je tato skutečnost dána tím, že jednotlivé modely jsou postavené na odlišných algoritmech. Může se ale stát, že i když dva modely využívají tentýž základní matematický algoritmus, přesto poskytují různé výsledky. V takových případech pak lze důvod hledat v různé kalibraci použitého aparátu. Dvě nejčastěji používané matematické formulace, na kterých jsou SW nástroje postaveny, jsou:
gaussovský rozptylový model neboli model pasivního rozptylu,
model rozptylu těžkého plynu (Dense Gas Dispersion; Heavy Gas Dispersion).
Bez ohledu na to, zda SW nástroj užívá jeden nebo druhý typ modelu, musí být kalibrován podle skutečných dat. Je proto nutné mít k dispozici experimentální data. Například gaussovský model rozptylu užívaný v ALOHA obsahuje matematické výrazy pro σy a σz, které vycházejí z experimentálních dat Garyho Briggse (1973) [61]. V jeho pojetí představuje σy směrodatnou odchylku koncentrace bočního větru ve vzdálenosti x ve směru větru (x = 0 je v místě zdroji) a σz je směrodatná odchylka vertikální koncentrace ve vzdálenosti x ve směru větru. Tyto hodnoty popisují, jak se výsledný oblak rozšiřuje v čase, a také jak se koncentrace plynu uvnitř snižuje naředěním. Briggs vyvinul empirické výrazy pro σy a σz pro různou atmosférickou stabilitu a to pomocí experimentů s SO2 v kansaské prérii prováděných ve vzdálenostech mezi 100 a 10 000 metrů od zdroje. Pracoval s tří minutovými integračními dobami pro měření koncentrací SO2 a drsností povrchu z0 = 10 cm. V případě, že drsnost uvažovaného povrchu je větší než 30 cm, pracuje ALOHA (verze 5.2.3 a novější) s jinou sadou hodnot pro σz, které taktéž vyvinul Briggs a to na základě studií v St. Louis v Missouri za využití 60-ti minutových integračních dob. Dnes je známa také celá řada dalších typů datových souborů pro σz, které byly publikovány [63]. 41
Obecným problémem je, že nelze provádět experimenty se všemi možnými kombinacemi různých chemikálií, s jejich různými poměry, při různých rychlostech větru, při různé drsnosti povrchu, při různých atmosférických stabilitách a při různé integrační době. Proto je snaha vyvinout z omezené skupiny experimentálních dat takové empirické výrazy nebo algoritmy, které budou schopny poskytovat maximálně pravdivé výsledky i pro podmínky, při kterých model nebyl doposud reálně testován. Z tohoto důvodu jsou v ALOHA používány stejné hodnoty Briggsových σy a σz (a Bealsova σx) pro modelování všech úniků látek pomocí gaussovského modelu, a to bez ohledu na typ látky, rychlost větru, integrační dobu, nebo drsnost povrchu. V případě modelování šíření těžkých plynů ALOHA používá metodologii vyvinutou Spicerem a Havensem z University of Arkansas v jejich modelu DEGADIS.
2.9 Amoniak a jeho využití v průmyslové praxi 2.9.1 Fyzikálně-chemické a toxikologické vlastnosti amoniaku Základní údaje o nebezpečnosti amoniaku, které jsou důležité pro modelování havarijních scénářů a jejich následků, byly čerpány jak z odborných zdrojů [67], tak z bezpečnostního listu jednoho z výrobců [10]. Amoniak je při 20 °C bezbarvý plyn typického štiplavého zápachu. Jeho fyzikálně-chemické parametry shrnuje tabulka 7. Tabulka 7: Fyzikálně-chemické parametry amoniaku -1
molární hmotnost
17,03 g.mol
hustota plynu při 20 °C
0,75 kg.m
-3
hustota kapaliny při 20 °C
682 kg.m
-3
teplota tání
-77,7 °C
teplota varu za atmosférického tlaku
-33,4 °C
bod vzplanutí
650 °C
dolní mez výbušnosti
15 % obj.
horní mez výbušnosti
28 % obj.
hutnost nasycených par při 20 °C
0,60
měrné výparné teplo
1370 kJ.kg
měrné teplo v kapalné fázi
4,73 kJ.kg .K
spalné teplo (výhřevnost)
31,3 MJ.kg
tenze par při 20 °C
8,6 bar
rozpustnost ve vodě při 20 °C
34 %
-1
-1
-1
-1
42
Přestože jsou stanoveny hodnoty hořlavosti, lze amoniak za přítomnosti atmosférického kyslíku jen obtížně zapálit. Podle zákona č. 356/2003 Sb. je amoniak klasifikován jako T: toxický, C: žíravý, N: nebezpečný pro životní prostředí. Nejzávažnější nepříznivé účinky amoniaku na zdraví člověka představuje poleptání a toxické účinky při vdechování. Podráždění nebo poleptání může být velmi silné s těžkými následky. Jedná se zejména o oči, dýchací cesty, plíce a kůži. Křeč nebo edem glottis může vést k udušení. Nadýchání vysoké koncentrace plynu může vést k náhlé smrti. Při styku kapalného amoniaku s kůží mohou vznikat i omrzliny bílé barvy. Nejzávažnější nepříznivé účinky na životní prostředí pak jsou zvyšování hodnoty pH vodního prostředí. Termickým rozkladem amoniaku vznikají oxidy dusíku. Toxikologické vlastnosti amoniaku jsou poměrně dobře prozkoumány. Stručně je shrnují níže uvedené tabulky 8 a 9. Tabulka 8: Toxikologické limitní hodnoty pro amoniak podle [3,48]. Toxikologická limitní hodnota
Koncentrace [ppm] 5 min
10 min
15 min
LD50
30 min
1 hod
4 hod
není stanoveno
LCLo
5000
7000
2000
(člověk)
(králík)
(potkan)
LC50 ERPG-3
750
ERPG-2
150
ERPG-1
25
IDLH
300
TEEL-0
25
TEEL-1
25
TEEL-2
150
TEEL-3
750
PEL
194
NPK-P
50
43
14170
4230
(potkan)
(potkan)
8 hod
10 hod
Tabulka 8 – pokračování AEGL-1
30
30
AEGL-2
380
AEGL-3
3800
30
30
30
30
30
270
160
110
110
110
2700
1600
1100
550
390
TWA
50
25
Tabulka 9: Příznaky zasažení amoniakem podle [3]. Doba působení [min]
Koncentrace [ppm]
Subjektivní příznaky
Objektivní příznaky
Vnímání čichem
Slabé podráždění čichového orgánu
0,1 až 1
0,02 až 30
Nepříjemný zápach, mírné dráždění nosu a nosohltanu
Mírné zarudnutí nosohltanu
2
50
Silné dráždění očí, nosu, nosohltanu
Zarudnutí spojivek a nosohltanu
120
100 až 200
Velmi silné dráždění
Zarudnutí spojivek, nosohltanu, slzení kýchání
60
200 až 300
Neúnosné dráždění očí, nosu, nosohltanu, bolesti za hrudní kostí
Silné zarudnutí nosu, nosohltanu, spojivek, slzení, kýchání, kašel
0,1
360
Okamžité dráždění, nevolnost, bolesti hlavy
Kýchání, kašel, slzení, zvýšené dýchání
0,1
360 až 500
Záchvaty kašle, zrudnutí v obličeji, pocení, krvácení z nosu, závratě, dušnost a nervové vzrušení
0,1
500 až 1000
Výše uvedené příznaky a křeče, zástava vylučování moči, ohrožení života
30
1000 až 2500
2 až 5
1730
> 10
5000
Okamžité dráždění, bolesti: za hrudní kostí, žaludku, očí; zmatenost a nevolnost, bolesti hlavy
Poruchy dýchání a krevního oběhu – ohrožení života Udušení následkem otoku plic, zástava dýchání – smrt
Subchronická – chronická toxicita, senzibilace, karcinogenita, mutagenita ani toxicita pro reprodukci nebyla u amoniaku doposud prokázána. Z tabulky 9 je zřejmé, že dávka, pojatá podle rovnice (2-18) a způsobující přitom stejně závažnou zdravotní újmu, není konstantní, ale že závisí na koncentraci vdechované škodliviny. Někteří autoři předpokládají, že pro stejně závažný zdravotní následek (označený 44
indexem i) má závislost mezi průměrnou koncentrací c, které ho způsobí, a tomu odpovídajícími dobami expozice škodlivině T v bilogaritmických souřadnicích lineární charakter, čili že je možno psát
K i = c ki × T = konst.
(2-20)
konstanty Ki, ki je možno určit ze dvou známých dvojic hodnot [c, T] pro stejně závažný zdravotní následek a jsou pojímány jako konstanty charakteristické pro uvažovaný stupeň zdravotního poškození [67]. Speciálně pro výše zmíněnou hranici, oddělující „smrtelné účinky“ od „zraňujících účinků“ (tj. od ostatních ireverzibilních, avšak nikoliv smrtelných následků), má rovnice (2-20) tvar:
K smrt = c smrt
k smrt
× Tsmrt = konst .
(2-21)
a pro hranici oddělující ireverzibilně zraňující účinky od ostatních účinků, tj. od reverzibilních účinků a inhalace bez zdravotní újmy, tvar:
K zran = c zran
k zran
× Tzran = konst .
(2-22)
2.9.2 Manipulace s malými množstvími amoniaku Zákon o prevenci závažných havárií [21] zavádí tzv. limitní hodnoty pro zařazení objektů nebo zařízení do skupin podle množství dané nebezpečné chemické látky. Ovšem zařízení, které obsahuje méně látky, než stanovuje její limit, již dikci tohoto zákona nepodléhá. Výjimkou je tzv. součtová hodnota, kdy i menší množství různých látek umístěných ve více zařízeních může po vzájemném součtu (podle příslušného vzorce) vést k zařazení do jedné z výše uvedených skupin. Není-li však tato podmínka splněna, pak označujeme objekt nebo zařízení jako „podlimitní zdroj“, což je termín spíše vžitý než oficiálně uznávaný. Podlimitní (tj. nezařazené) zdroje rizika jsou charakterizovány podle vlastností a množství umístěných nebezpečných látek. Jde především o látky toxické, hořlavé, výbušné nebo nebezpečné pro životní prostředí. Jako příklady typických nezařazených zdrojů rizik lze uvést kromě zařízení s amoniakem do 50 tun, také četná zařízení s chlorem do 10 tun nebo s LPG do 50 tun. Celkové množství těchto nezařazených zdrojů rizika se na území České republiky odhaduje na stovky až tisíce případů [8].
45
2.9.2.1 Chladící zařízení Mnohem častěji, než s objemnými zásobníky nacházejícími se v chemických provozech (o obsahu stovek až desetitisíců tun), se lze s amoniakem setkávat v tzv. komunální sféře a malovýrobě. Velké množství menších zásobníků o obsahu stovek kilogramů až desítek tun je využíváno v nejrůznějších provozech, kde se používají mrazicí nebo chladicí zařízení (masokombináty, mrazírny, chladírny, zimní stadiony apod.) [67] (viz obrázek 10). Na území ČR se nalézají stovky těchto zařízení – jen zimních stadiónů je 155 a počet velkokapacitních chladicích zařízení v potravinářském průmyslu je asi 500 až 600. Tato zařízení tedy právem představují vážné nebezpečí, neboť jsou mnohdy provozovány v centrech měst [42]. V České republice bylo za posledních 5 let registrováno cca 160 událostí spojených s únikem amoniaku z podlimitních stacionárních zdrojů [18]. Ve většině případů se jednalo o drobné úniky této látky netěsnostmi v množství nepřesahujícím desítky kilogramů.
Obrázek 10: Strojovna chlazení zimního stadionu; foto A. Bernatík.
2.9.2.2 Železniční cisterny Nejčastěji používaným typem železniční cisterny určené pro přepravu zkapalněného amoniaku jsou vozy řady (UIC) Zagkks, které mají vnitřní průměr kotle 2970 mm. Jedná se o dvounápravové nebo čtyřnápravové tlakové nádoby o standardních objemech 40 m3, 56 m3, 87 m3 nebo 95 m3 (viz obrázek 11). Existuje však možnost postavit železniční cisternu i s jiným objemem, omezením je však povolené zatížení na nápravu (20 tun) [59]. Plášť kotle, který je vyroben z oceli 11474.1 tloušťky 11,5 mm, umožňuje bezpečnou přepravu plynů při provozním přetlaku 1,7 MPa, resp. odolá vnitřními přetlaku až 2,6 MPa [7].
46
Bezpečné plnění cisteren se provádí na maximálně 80 % jejich přepravního objemu [65]. Cisterny jsou většinou opatřeny dvěma spodními výpustěmi – pro kapalnou fázi DN 80 a pro plynnou fázi DN 50 (viz obrázek 12). Železniční cisterny používané v ČR pro přepravu kapalného amoniaku nejsou vybaveny pojistným ventilem [59].
3
Obrázek 11: Schéma čtyřnápravové železniční cisterny o přepravním objemu 95 m , kde (1) je armatura pro odplynění cisterny opatřená jedním ventilem DN 50, (2) je armatura pro plnění a stáčení cisterny zahrnující ventily DN 80, (3) je hermeticky uzavřený průlez o průměru 500 mm a (4) je kryt z ocelového plechu proti slunečnímu záření (tloušťka 1,5 mm) podle [59].
Obrázek 12: Detailní pohled na armatury železniční cisterny – armatura pro odplynění DN 50 (levá armatura) a armatura pro stáčení DN 80 (pravá armatura) podle [9,43].
47
2.9.2.3 Automobilové cisterny V praxi se při přepravě amoniaku můžeme setkávat také s automobilovými cisternami. V našich podmínkách se používají především pro dodávky amoniaku do chladicích zařízení; pro dodávky do průmyslových závodů se využívá vesměs železničních cisteren. Malý rozsah používání autocisteren nejen u nás, ale i v jiných evropských zemích, pramení nejen z ryze provozních důvodů (pro přepravu velkých objemů se autocisterny nehodí), ale především z důvodů bezpečnostních. Osídlení ve střední a západní Evropě je totiž velice husté a každá dopravní nehoda autocisterny převážející amoniak může představovat vážné ohrožení obyvatelstva. Poučení lze v tomto ohledu nalézt v historii (např. událost z Texasu, viz Příloha B.2). Existují tři základní typy automobilových cisteren určených pro přepravu nebezpečných látek. Jedná se o (1) cisterny pro převoz látek pod tlakem, tzv. vysokotlaké cisterny, (2) cisterny pro převoz látek v kryogenním stavu a (3) cisterny pro převoz látek za atmosférického tlaku, tzv. atmosférické cisterny (viz obrázek 14), přičemž pro převoz amoniaku je možno používat první dvě z uvedených. Obvykle se jedná o jednokomorové cisternové návěsy (44 m3) nebo snímatelné jednokomorové cisterny (3 m3), existují však i cisterny vícekomorové, nejčastěji čtyřkomorové cisternové návěsy (4 x 11 m3) [25]. Rozdělení původně jednokomorové cisterny do více komor je prováděno z důvodů snížení celkového množství uniklé látky, a tedy i možných nežádoucích následků v případě vzniku dopravní nehody (blíže viz kapitola 2.9.3). Návěsové autocisterny umožňují (při bezpečném plnění na maximálně 80 %) přepravovat až 22 tun zkapalněného amoniaku, snímatelné jednokomorové pak 1,7 tuny. V České republice se pro převoz amoniaku používají pouze snímatelné cisterny, které mají délku 4,5 metru a průměr 0,9 metru (viz obrázek 13). Tyto cisterny, které nejsou vybaveny žádným pojišťovacím ventilem (konstrukce umožňuje odolávat přetlaku až 33,5 MPa), mají tři vývody – dva na kapalnou fázi a jeden na plynnou fázi.
Obrázek 13: Snímatelná cisterna určená pro přepravu amoniaku [26]. 48
Cisterna pro převoz kapaliny pod tlakem (vysokotlaká cisterna); typové označení MC-331 (High Pressure Tank) Cisterna pro převoz hluboce zchlazené kapaliny, resp. zkapalněného plynu (kryogenní cisterna); typové označení MC-338 (Cryogenic Liquid Tank) Cisterna pro převoz kapaliny bez tlaku (atmosférická cisterna); typové označení MC-306 (Nonpressure Liquid Tank) Obrázek 14: Jednotlivé typy automobilových cisteren určených pro přepravu nebezpečných látek [18].
2.9.3 Riziko úniku amoniaku při jeho přepravě Jak již bylo výše uvedeno, amoniak je přepravován nejčastěji v automobilových nebo železničních cisternách a tato fáze manipulace s ním, včetně vykládky a nakládky, představuje značné riziko. Statistiky jednoznačně potvrzují, že přeprava po železnici je z hlediska přepočtu na ujeté kilometry, v porovnání s přepravou po silnici, mnohonásobně bezpečnější. Důvodů tohoto stavu se nabízí několik – volná přepravní trasa, technické zabezpečení trati, menší provoz, předvídatelnost situace, plynulost přepravy, lepší konstrukční parametry železničních cisteren oproti automobilovým (tloušťka pláště), menší otřesy a namáhání kritických částí přepravního zařízení atd. Proto je potřeba v tomto ohledu věnovat zvýšenou pozornost právě problematice silniční přepravy. Duijm a kol. [25] zpracovali jednotnou statistiku nehodovosti autocisteren na jednotlivých typech silnic a to za použití tří zdrojů dat, jejichž údaje se v některých případech poměrně dosti lišily. Výsledek shrnuje tabulka 10.
49
Tabulka 10: Statistika počtu nehod autocisteren na evropských silnicích podle [25]. Střední počet nehod autocisteren přepočtených na 1 milion ujetých km Typ silnice
TNO
1
2
AVIV
Brockhof
Všechny silnice (bez rozlišení typu a omezení rychlosti)
44
22
39
Dálnice (max. rychlost 120 km/h)
20
11
4,3
Hlavní silnice mimo město (max. rychlost 80 km/h)
50
47
30
Městské komunikace (max. rychlost 50 km/h)
70
29
420
1
Poznámka : Podle TNO (1983). LPG, A Study, A comparative analysis of the risks inherent in the storage, transshipment, transport and use of LPG and motor spirit, 10 Main Report LPG, TNO, Apeldoorn, Netherlands. Poznámka 2: Podle AVIV (1994). Fundamenteel onderzoek naar kanscijfers voor risicoberekeningen bij wegtransport gevaarlijke stoffen (Basic research into probabilities for risk calculations for roudtransport of dangerous substances, in Dutch), Enschede, Netherlands.
Pomocí analýzy rizika metodou FTA (strom poruch) shrnul Brockhof [11] možné havarijní scénáře pro autocisterny převážející hořlavé a toxické nebezpečné látky (např. LPG nebo bezvodý amoniak). Jeho analýza pokrývala důsledky silničních nehod, nikoli však důsledky spontánních nežádoucích jevů, jako je vznik ruptur anebo lidská pochybení. Brockhof zde definoval čtyři mechanismy vedoucí k porušení pláště cisterny a následnému úniku látky: (1) propíchnutí pláště cisterny, (2) protržení cisterny vlivem nárazu, (3) proděravění pláště vlivem obrušování (týká se pouze tenkostěnných jednoplášťových cisteren) a (4) roztržení pláště cisterny vlivem působení tepla či ohně (totální ruptura). K těmto typům porušení pláště lze přiřadit předdefinované velikosti otvorů: malá díra (průměr 5 mm), velká díra (průměr 75 mm), totální ruptura (výrazné porušení části pláště s následkem úniku veškerého množství uskladněné látky do 1 minuty). Každé porušení pláště cisterny vede za příslušných okolností a daných podmínek k různým následkům. V případě amoniaku, který má vysoký bod vzplanutí, není v případě jeho úniku reálná jeho iniciace (např. od horkých částí), a tudíž ani vznik jevu VCE. Jev BLEVE však vzniknout může, avšak nikoli doprovázený iniciací uvolněných par a vznikem ohňové koule (Fire Ball), nýbrž pouze s následkem vzniku disperze [4,55]. Podle podmínek uskladnění a místa vzniku porušení integrity pláště může amoniak ze zařízení unikat (1) dvoufázovým únikem (viz obrázek 15), (2) jako plyn anebo (3) jako kapalina. S ohledem na zmíněné fyzikálně-chemické vlastnosti amoniaku vedou všechny tyto typy úniku amoniaku ke vzniku oblaku, který se bude rozptylovat v ovzduší.
50
-1
Obrázek 15: Dvoufázový únik zkapalněného amoniaku (rychlostí 0,25 – 0,6 kg.s ) simulující únik ze železniční cisterny (armaturou pro stáčení) [32]. Foto: Risø National Laboratory.
Jednou z možností snížení pravděpodobnosti nežádoucích následků způsobených srážkou autocisterny s jiným vozem, je rozdělení cisterny na více samostatných menších komor (obvykle čtyři komory po cca 11 m3). Pravděpodobnost, že dojde během jedné nehody k porušení několika takových nádrží současně, bude značně menší než pravděpodobnost poškození jen jedné z nich. Při nárazu obsah autocisterny absorbuje kolizní energii, která se projeví působením vyššího hydrostatického tlaku na stěny pláště. Rozdělíme-li cisternu na několik menších částí, bude hlavní část této kolizní energie předána pouze té komoře, která se bude nalézat nejblíže místu kolize. Následkem toho se sice pravděpodobnost porušení pláště jedné komory oproti porušení pláště v případě jednokomorové cisterny ze stejného konstrukčního materiálu zvýší (viz tabulka 11), avšak množství uniklé látky bude v tomto případě nezanedbatelně menší, což se výrazně odrazí na hodnotě individuálního rizika (viz obrázek 16). Tabulka 11: Pravděpodobnosti poškození jednokomorové, resp. čtyřkomorové autocisterny, s následkem úniku převáženého množství látky v případě srážky s jiným vozidlem podle [25]. Pravděpodobnost poškození komory cisterny jedoucí rychlostí 80 km/h 12 metrová cisterna (jednokomorová)
3 metrová cisterna (čtyřkomorová)
Kolize autocisterny s:
celkový podíl
čelní srážka
zadní srážka
boční srážka
čelní srážka
zadní srážka
boční srážka
nákladním vozem
12,0 %
8,9 %
23,8 %
19,7 %
30,2 %
44,7 %
40,7 %
dodávkou
8,0 %
0,0 %
0,9 %
0,7 %
6,1 %
23,8 %
17,6 %
osobním vozem
80,0 %
0,0 %
0,0 %
0,0 %
0,1 %
2,3 %
2,4 %
51
Obrázek 16: Srovnání nebezpečnosti jednotlivých typů cisteren podle [25].
Při přečerpávání amoniaku může dojít k menším únikům způsobených například netěsnostmi při napojení hadic nebo prasklinami v hadicích. S ohledem na toxicitu amoniaku však i takto vzniklé malé úniky mohou představovat vážná nebezpečí, která jsou reálná až do vzdáleností 150 metrů [25]. Tato vzdálenost mnohonásobně převyšuje zónu ohrožení při úniku podobného množství například benzínu nebo LPG (v jejich případě se jedná o ohrožení do vzdálenosti 40 m). Proto je nutné zavádět dodatečná technická opatření směřující k redukci pravděpodobnosti těchto úniků. V případě čerpacích stanic, kde je možné do speciálně upravených automobilů čerpat amoniak coby palivo, je za bezpečnou vzdálenost považována vzdálenost 70 metrů. Orientační srovnání rizika nežádoucích následků pro uvažované havárie nejčastěji převážených nebezpečných látek je uvedeno na obrázku 17, kde je vyneseno individuální riziko proti vzdálenosti od zdroje (místo kolize, silnice).
Obrázek 17: Srovnání individuálního rizika nežádoucích následků havárií autocisteren převážejících vybrané nebezpečné látky podle [25].
52
3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1 Použité softwarové nástroje 3.1.1 Výběr softwarových nástrojů Ministerstvo životního prostředí ČR vydalo v roce 2007 metodický pokyn, kterým doporučuje způsob pro zpracování dokumentu Analýza a hodnocení rizik závažné havárie, vyplývající z ustanovení zákona č. 59/2006 Sb., o prevenci závažných havárií [41]. Tento dokument, který je určen správním úřadům, právnickým a podnikajícím fyzickým osobám, a kontrolním orgánům, obsahuje také doporučený způsob pro modelování rozptylu disperzí a hodnocení příslušných toxických dopadů (toxický rozptyl). V kapitole „Odhad následků reprezentativních scénářů závažných havárií a jejich dopadů na životy a zdraví lidí, hospodářská zvířata, životní prostředí a majetek“ je uveden odkaz na doporučené softwarové produkty (ALOHA, WHAZAN, PHAST, SAFETI, RISKAT, EFFECTS, DAMAGE, ROZEX, TEREX), což posloužilo jako vodítko pro výběr vhodných modelovacích nástrojů. Kromě programu ALOHA, který je volně ke stažení z webových stránek U.S. EPA, jsou všechny ostatní softwarové aplikace licencovanými produkty, takže jejich použití si vyžádalo souhlas držitelů příslušných licencí nebo přímo výrobců. Souhrn vybraných nástrojů, které byly použity pro účely této práce podává tabulka 12. Tabulka 12: Přehled použitých softwarových nástrojů. Softwarový nástroj
Výrobce
Držitel licence použitého SW nástroje
ALOHA
U.S. Environmental Protection Agency ve spolupráci s National Oceanic and Atmospheric Administration, Spojené státy americké.
Volně dostupný nástroj
EFFECTS 4
TNO Environment, Energy and Process Innovation, Nizozemí
VÚBP, v.v.i.
EFFECTS 5.5
TNO Environment, Energy and Process Innovation, Nizozemí
Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
TEREX 2.3.5
T-SOFT s.r.o. ve spolupráci s ISATech s.r.o., Česká republika
T-SOFT s.r.o.
ROZEX Alarm 1.0
TLP, spol. s r.o. ve spolupráci s Medistyl s.r.o., Česká republika
TLP s.r.o.
SAVE II 3.01
SAVE Consulting Scientists, Nizozemí
VÚBP, v.v.i.
Níže jsou uvedeny charakteristiky použitých softwarových nástrojů a způsob jejich aplikace pro modelování rozptylu látek v atmosféře.
53
3.1.2 ALOHA 3.1.2.1 Charakteristika programu ALOHA je nástroj určený pro havarijní reakci, tedy pro potřeby zvládnutí rychlého rozvinutí záchranných týmů, jakož i pro havarijní plánování [61]. Zahrnuje sílu zdroje, gaussovský model a model rozptylu těžkého plynu. Výstup modelu je jak textový, tak i grafický a obsahuje nákres „stopy, otisku“ oblasti po větru od místa úniku, kde koncentrace může převýšit uživatelem nastavenou prahovou úroveň. ALOHA může dokonce přijímat údaje přenášené z přenosných monitorovacích stanic a může vykreslovat stopu na elektronických mapách v podnikové aplikaci MARPLOT TM. Modely ALOHA jsou validní pouze pro únik a rozptyl čistých, nereagujících chemikálií. Neplatí proto pro členitý terén a průběžné změny rychlosti větru včetně změny jeho horizontální složky. Také nemodeluje disperzi částic a počáteční přetlakový únik plynu z horkého zdroje. Program je validní také jen pro čisté a vzájemně nereagující (uniklé) látky, kterých lze v databázi chemických látek nalézt více jak 1600. Databázový systém CAMEO, jehož součástí program ALOHA je, pak obsahuje informace o více než 4000 čistých chemických látkách [61]. Při prováděných numerických výpočtech program předpokládá konstantní rychlost a směr vanutí větru ve všech horizontálních směrech. ALOHA však dokáže počítat i s účinky vertikálních větrných poryvů jak na gaussovskou disperzi, tak na disperzi těžkých plynů a na odpařování z kaluží. Odraz od povrchu země a od vrstvy nízké atmosférické inverze, je také v modelu zohledněn. Z termodynamického hlediska je také počítáno s přenosem tepla z odpařující se kaluže a povrchu země. Výstup modelu zahrnuje text sumarizující uživatelské vstupy, grafy odhadu koncentrace látky pro středovou linii šíření oblaku a nákres „stopy“ úniku v oblasti po větru, kde koncentrace může převýšit uživatelem nastavenou prahovou hodnotu. Úplný scénář výsledků lze uložit do archivních složek. Modelování následků prostřednictvím programu ALOHA umožňuje dobře postihnout následky působení toxické látky, resp. dosah zraňujících koncentrací. Model vychází z polohy zdroje rizika, informací o chemických vlastnostech chemické látky, atmosférických podmínek, charakteru krajiny a množství uniklé látky.
54
Obrázek 18: Úvodní obrazovka po spuštění programu ALOHA, verze 5.4
3.1.2.2 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu ALOHA Použití modelu rozptylu v programu ALOHA je určeno pro odhad velikosti a tvaru oblasti o příslušné koncentraci uniklé chemické látky v okruhu do 10 km od zdroje úniku. Doba úniku je omezena maximálně na 1 hodinu. Klíčové hodnoty pro nebezpečí plynoucí z úniku látky jsou její toxicita, hořlavost, tepelné záření, nebo přetlak ve skladovacím zásobníku. ALOHA není určena pro modelování úniků radioaktivních látek, kouřových stop nebo dlouhotrvajících přízemních emisí. Výstupy, které ALOHA generuje, jsou representovány vykreslenými oblastmi, kde bude překročena příslušná limitní koncentrace zadaná na začátku výpočtu, resp. oblastmi ohraničenými příslušnými limitními koncentracemi (tzv. zóny ohrožení). Odhadu zóny ohrožení předchází výběr (zadání) příslušných hodnot koncentrace látky v ovzduší LOC (Levels of Concern). ALOHA je vybavena databází standardně užívaných hodnot LOC pro danou látku (IDLH, ERPG, AEGL), ze kterých si může uživatel vybrat, anebo je možné, aby si uživatel zadal konkrétní referenční hodnotu podle svých potřeb. Zajímají-li nás dopady na obyvatelstvu vystavenému účinkům toxické látky, pak by zadání limitních hodnot mělo vycházet také z uvažovaného scénáře. Pokud ale nemáme žádné zvláštní požadavky, doporučuje se za těchto okolností zadávat toxikologické hodnoty ERPG. Maximálně je možné zadat tři hodnoty, které jsou následně vykresleny v grafických výstupech v podobě různě barevných izolinií. Červená křivka představuje nejvyšší koncentrace a tedy i největší nebezpečí. Následují pak oranžová a žlutá. Důležitou informací je, že ALOHA počítá koncentrace znečišťujících látek při zemi a to prostřednictvím dvou různých modelů rozptylu: (1) gaussovského modelu a (2) modelu těžkého plynu. Po zadání
55
příslušné látky, typu úniku a meteorologických podmínek program podle molekulové hmotnosti látky a podle hodnoty vypočteného Richardsonova čísla Ri následně automaticky vybírá ze zmíněných dvou modelů. Uživatel má však vždy možnost výběr modelu změnit. Toho lze využít zvláště tehdy, když má látka molekulovou hmotnost menší než vzduch, ale uživatel ví, že je skladována v kryogenním stavu. V takovém případě se bude bezprostředně po svém úniku látka chovat jako těžký plyn – příkladem může být právě amoniak. Pokud nemá program dostatek informací k tomu, aby jednoznačně určil, zda se po úniku těžký plyn vytvoří či nikoli, je výpočet rozptylu prováděn podle gaussovského modelu. V takovém případě ale ALOHA uživatele upozorní na skutečnost, že by výsledek měl být ověřen také prostřednictvím modelu těžkého plynu. Gaussovský model rozptylu je nejlépe použitelný pro malé úniky. Lze jej využít i pro modelování větších úniků, avšak musí být splněno, že molekulová hmotnost uniklé látky a její teplota jsou podobné okolnímu plynnému prostředí, tedy vzduchu. Model rozptylu těžkého plynu je dobře použitelný zejména pro modelování úniků velkého množství látek o molekulové hmotnosti vyšší jak okolní prostředí a o teplotách nižších, než je teplota okolí. Algoritmy pro modelování těžkých plynů užitých v programu ALOHA jsou postaveny na rovnicích odvozených Spicerem a Bavenou [61], jež byly použily již v modelu DEGADIS. Tento model je obecně uznávaný za vysoce validní, neboť byl ověřen sérií rozsáhlých terénních testů uskutečněných v 80-tých letech 20. století. Pro modelování programem ALOHA je po výběru látky a modelu nutné zadat ještě následující fyzikální parametry:
celkové množství uniklé látky,
střední rychlost větru a směr větru,
teplotu vzduchu,
koeficient drsnosti povrchu (uživatel může vybírat pomocí zástupných symbolů „volná krajina“, „vodní hladina“ a „město nebo les“, anebo může zadat vlastní specifickou hodnotu),
oblačnou pokrývku v desetinách,
relativní vlhkost vzduchu,
čas, datum a zeměpisnou délku a šířku místa (zeměpisné údaje pro jednotlivá významná města USA jsou uloženy v přiložené zeměpisné databázi) – ty jsou požadovány pro výpočet intenzity slunečního záření,
atmosférický tlak (počítaný z nadmořské výšky podle zeměpisné databáze), který ovlivňuje některé odhady síly zdroje.
56
3.1.3 SAVE II 3.1.3.1 Charakteristika programu Program SAVE II je numerický program určený pro modelování následků havarijních scénářů. Program umožňuje získávat komplexní výstupy analýzy a hodnocení rizik spojených s nebezpečnými chemickými látkami, včetně vykreslení izolinií individuálního rizika a F-N křivky společenského rizika. V tomto ohledu je to nástroj vysoce kvalitní a validní, který rozsahem výstupů převyšuje ostatní srovnatelné produkty. Algoritmus programu je postaven na tzv. holandských přístupech, tj. metodikách CPR 14 a CPR 18 [52]. Softwarové řešení programu je provedeno pro práci v prostředí MS Windows, nicméně s operačním systémem MS-DOS je také kompatibilní.
Obrázek 19: Úvodní obrazovka po spuštění programu SAVE II, verze 3.01
3.1.3.2 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu SAVE II Program umožňuje modelovat chování disperzí v atmosféře prostřednictvím čtyř modulů, které popisují způsob vstupu látky do atmosféry:
modul pro rozptyl unikajícího těžkého plynu (Dense/Cold Gas/Vapour),
modul pro sprejový rozstřik unikající kapaliny (Spray Release),
modul pro vroucí kapalinu (Boiling Liquid),
modul pro rozptyl unikajícího neutrálního plynu (Neutral Gas).
Kromě výběru modulu pro výpočet rozptylu disperze, musí uživatel zadat také typ úniku látky ze zařízení. Nabízí se pět možností:
kontinuální únik následovaný rozptylem toxické látky, 57
jednorázový únik následovaný rozptylem toxické látky,
kontinuální únik látky následovaný explozí oblaku,
jednorázový únik látky následovaný explozí oblaku,
turbulentní tryskový únik látky.
Pro modelování toxického rozptylu je možno použít pouze modul pro rozptyl těžkého plynu anebo modul pro rozptyl neutrálního plynu. Rozptyl neutrálního plynu počítá program podle gaussovského modelu. Do výpočtu je nutno zadat požadovanou třídu stability atmosféry podle Pasquillovy typizace, rychlost větru, koeficient drsnosti povrchu z0, rychlost úniku látky ze zařízení [kg.s-1], počáteční rozměry oblaku Ly a Lz (jedná-li se o objemový zdroj) a efektivní koncentraci, jejíž dosah nás zajímá [kg.m-3]. Pro modelování rozptylu těžkého plynu v atmosféře programem SAVE II je po výběru látky a modelu nutné zadat následující fyzikální parametry:
celkové množství uniklé látky,
střední rychlost větru,
třídu stability atmosféry,
teplotu vzduchu,
koeficient drsnosti povrchu,
rychlost úniku látky ze zařízení,
efektivní koncentraci,
počáteční hustotu látky,
počáteční teplotu při úniku,
rychlost unášení.
Kromě toho je potřeba zadat ještě hodnoty dalších veličin, které však nejsou blíže vysvětleny, takže tento krok představuje pro uživatele značnou komplikaci (detailněji rozvedeno v kapitole 4.2.2). Novější verze programu vyžadují pro výpočet rozptylu těžkého plynu zadat, zda se jedná o látku těžší než vzduch, anebo o látku nacházející se v kryogenním stavu, přičemž se v tomto případě neuvažuje žádné vypařování látky do atmosféry, ale pouze promíchání vzniklého oblaku s okolním vzduchem. To výrazně usnadňuje práci uživateli, který již nemusí zadávat hodnotu rychlosti unášení. Dále je zohledněno, zda při úniku dochází k rozstřiku kapaliny (sprejový efekt) či nikoli. V kladném případě program počítá rychlost výparu uvolněné kapaliny, přičemž uvažuje pouze využití tepla obsaženého v látce samotné a teplo využitelné z okolního vzduchu. Předpokládá se, že se veškerá kapalina vypaří. Program sám již při zadávání dat spočítá, zda využitelné teplo postačí na kompletní vypaření rozstříknutých 58
kapiček. Při uplatnění mžikového odparu program počítá s tím, že vzniklý oblak má teplotu rovnou teplotě varu dané kapaliny. Pro všechny výpočty rozptylu těžkého plynu je nutné, aby počáteční teplota plynu byla nižší než 288 Kelvinů. Výstupem výpočtu obou výše uvedených modelů jsou hodnoty maximální koncentrace látky v předdefinovaných vzdálenostech od zdroje a šířka oblaku v těchto vzdálenostech.
3.1.4 TEREX 3.1.4.1 Charakteristika programu TEREX je nástroj určený pro rychlou prognózu dopadů a následků působení nebezpečných látek nebo výbušných systémů, zejména při jejich kategorickém zneužití. Model je vytvořen jako počítačový program s návazností na geografický informační systém (GIS) pro přímé zobrazení výsledků v mapách [60]. Program byl původně určen zejména pro operativní použití jednotkami integrovaného záchranného systému během zásahu, pro rychlé určení rozsahu ohrožení a realizaci následných opatření ochrany obyvatel. Stejně tak je doporučován pro provádění analýzy a hodnocení rizik pro účely havarijního plánování. Program poskytuje výsledky i při nedostatku přesných vstupních informací. Výsledky výpočtu jsou uspořádány poměrně jednoduše a srozumitelně, takže usnadňují rychlé rozhodování. Výsledný havarijní model je možné uložit do databáze „Havarijních událostí“. Výrobce uvádí, že TEREX splňuje normy NATO pro systém předávání zpráv ve formátu ADatP-3 [60]. Poskytuje také výstup v textovém formátu či v XML. Program TEREX disponuje databází obsahující celkem 120 nebezpečných chemických látek [38], jejichž fyzikálně-chemické a toxikologické vlastnosti jsou uživateli dostupné. Toho lze s úspěchem využít i při řešení některých specifických problémů anebo jako vstupní parametry do jiných softwarových aplikací, jež nedisponují vlastními databázemi (např. SAVE II). Pro modelování samotné je kromě výběru příslušné látky a požadovaného modelu nutné zadat ještě následující vstupní údaje:
celkové množství uniklé látky,
střední rychlost větru v přízemní vrstvě,
teplotu vzduchu,
typ převažujícího povrchu v prostoru potenciálního šíření oblaku (korekce vlivu drsnosti povrchu),
59
oblačnou pokrývku v procentech,
dobu vzniku a průběhu havárie (den-noc, roční doba),
Obrázek 20: Úvodní obrazovka po spuštění programu TEREX, verze 2.3.5
3.1.4.2 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu TEREX Předpověď dopadů a následků je založena na konzervativní prognóze. V praxi to znamená, že výsledky odpovídají takovým podmínkám, při kterých dojde k maximálním možným dopadům a následkům na okolí – tzv. nejhorší varianta. TEREX nabízí uživateli standardní možnosti vyhodnocení základních havarijních situací, v rámci kterých je možno hodnotit také rozptyly plynů v atmosféře. Jedná se o modely typu TOXI, které vyhodnocují dosah a tvar oblaku, které jsou dány zvolenou koncentrací toxické látky. Program umožňuje navolit si příslušný typ úniku látky ze zařízení (PLUME resp. PUFF). U modelu PLUME program umožňuje modelovat:
déletrvající únik plynu do oblaku,
déletrvající únik vroucí kapaliny s rychlým odparem do oblaku,
pomalý odpar kapaliny z louže do oblaku.
V případě modelu PUFF je možno zvolit ze dvou možností:
jednorázový únik plynu do oblaku,
jednorázový únik vroucí kapaliny s rychlým odparem do oblaku.
Ačkoli do modelu pro rozptyl disperzí vstupuje údaj o atmosférické stabilitě, při vlastním použití programu si uživatel nemůže sám zvolit příslušnou třídu stability, ale může zadat 60
pouze příslušné časové určení prostřednictvím položky „doba vzniku a průběhu havárie“. Program pak automaticky vybere příslušnou třídu atmosférické stability podle vlastních algoritmů, resp. specifických tabulek, založených na Pasquillově-Giffordově typizaci [70]. Pro modelování rozptylu disperzí taktéž není umožněno zadávat výšku zdroje a model pro dvoufázový výtok látky. Kontinuální únik látky lze modelovat pouze pro zařízení pod tlakem, takže v případě modelování následků události v Bhópálu (viz kapitola 3.2.2.4) bylo nutné zvolit model pro jednorázový únik plynu, což není příliš vhodné.
3.1.5 EFFECTS 3.1.5.1 Charakteristika programu EFFECTS
je
program
umožňující
svým
uživatelům
odhadnout
fyzikální
efekty
neočekávaných úniků toxických a hořlavých chemických látek. Program sestává z několika modulů umožňujících modelování jednotlivých havarijních situací. Vhodným použitím jednotlivých modulů v kombinaci s databází nebezpečných látek, jež je součástí programu, lze modelovat široké spektrum možných scénářů. EFFECTS je určen pro provádění výpočtů určených pro odhad havarijních následků pro účely havarijního modelování, mezi které patří například dosahy nebezpečných koncentrací toxických plynů, úroveň tepelné radiace, přetlak na čele tlakové vlny vzniklé při explozi atd. [62]. Výsledky jsou generovány buď v textovém anebo grafickém formátu.
Obrázek 21: Úvodní obrazovka po spuštění programu EFFECSTS, verze 4
61
3.1.5.2 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu EFFECTS Rozptyl plynů v atmosféře umožňuje program počítat pomocí tří základních modelů:
model pro rozptyl neutrálního plynu,
model pro rozptyl těžkého plynu,
model pro turbulentní únik plynu.
Pasivní rozptyl lze modelovat pro různé zdroje úniku. Jedná se o:
okamžitý únik látky (do 1 minuty),
semi-kontinuální únik látky (od 1 do 10 minut),
kontinuální únik (delší jak 10 minut).
Výrobce uvádí [62], že kontinuální únik je vhodné použít pouze tehdy, je-li místo, pro které modelujeme koncentrační křivku, vzdálené od zdroje úniku méně jak hodnota 1,8-násobku součinu rychlosti větru a doby úniku látky ze zdroje. Okamžitý únik naopak je vhodné zadávat tehdy, je-li tento součin větší. Podobně jako jiné modelovací software i EFFECTS využívá pro výpočet rozptylu disperzí zadání atmosférické stability podle Pasquillovy typizace a rychlosti větru. Použité modely jsou založeny na algoritmech platných pro otevřený, ideálně hladký terén. Jelikož se ale v reálných podmínkách v terénu vyskytují překážky a porost, je nutné korigovat výpočty pomocí koeficientu drsnosti povrchu z0. Ten však nemusí uživatel zadávat v podobě číselné hodnoty, ale program mu sám nabízí příslušnou volbu. Model pro rozptyl neutrálního plynu je založený na gaussovském modelu, který je validní pro plyny o hustotě podobné hustotě vzduchu anebo pro plyny, jejichž koncentrace v místě úniku je velmi nízká. Program provádí výpočet koncentrací daného plynu podél osy vanutí větru, tj. maximální koncentrace pro jednotlivé vzdálenosti od zdroje úniku. Rozptyl těžkého plynu je užíván tehdy, má-li plyn vyšší hustotu než vzduch, anebo je uskladněn v kryogenním stavu. Uniká-li plyn pod tlakem, je možné, že na rozdíl od neutrálního plynu, se bude šířit i proti směru větru. Modelování rozptylu těžkého plynuje je možné provádět pro následující druhy úniku:
okamžitý únik,
únik plynu nebo disperze odpařováním z kaluže,
rozptyl disperze vznikající turbulentním/tryskovým únikem (v horizontálním nebo vertikálním směru).
62
Výstup z provedeného výpočtu rozptylu zahrnuje (1) rozměry oblaku (tj. délku a maximální šířku) v zadané výšce, (2) maximální koncentrace plynu v příslušné vzdálenosti, (3) grafické vyjádření zadaných koncentrací látky v podobě horizontálně orientovaných izolinií pro zadanou výšku a (4) grafické vyjádření maximální koncentrace látky, která může být dosažena v různých vzdálenostech od zdroje úniku.
3.1.6 ROZEX Alarm 3.1.6.1 Charakteristika programu Program ROZEX Alarm je softwarový nástroj obsahující rozsáhlou databázi přibližně 10 000 látek [49] a vlastní numerický program ROZEX 2003. Program je určen podnikatelským subjektům, orgánům státní správy, ale i zásahovým složkám, které se bezprostředně podílejí na likvidaci vzniklé havárie spojené s únikem nebezpečné chemické látky. Kromě toho jej lze využít i k přípravě modelových řešení možných úniků nebezpečných látek a prognózování dopadů havarijních událostí v rámci analýzy a hodnocení rizik. Program nabízí celkem 19 variant havarijních scénářů spojených s jednorázovým nebo kontinuálním únikem látek ze zařízení s následkem požáru, výbuchu nebo rozptylu toxické látky v atmosféře. Získané výsledky lze následně vyexportovat do mapových podkladů systému GIS. K modelování následků havarijních událostí je zvolen přístup, který je založen na filozofii maximálně možných následků havárie [68]. Takový přístup zajišťuje dostatečně přesnou prognózu dopadů havárie, přičemž počet vstupních parametrů pro výpočet je omezen na nezbytné minimum. Pro modelování programem ROZEX Alarm je po výběru látky a modelu nutné zadat ještě následující fyzikální parametry:
skupenství unikající látky,
teplotu látky v zařízení při úniku,
hodnotu přetlaku látky v zařízení,
velikost průměru kruhového otvoru, jehož plocha je ekvivalentem otvoru nekruhového o stejné ploše skutečné trhliny na aparátu,
výška sloupce kapaliny v zařízení (vzhledem k umístění únikového otvoru),
rychlost větru v přízemní vrstvě atmosféry,
třídu atmosférické stability,
typ převažujícího povrchu v prostoru potenciálního šíření oblaku (korekce vlivu drsnosti povrchu), 63
hodnotu zvolené koncentrace tvořící okraj toxického oblaku,
teplotu vyteklé kapaliny (teplota látky v zařízení před únikem),
plochu, kterou zaujme kapalná látka po úniku ze zařízení,
množství látky v havarovaném zařízení.
Obrázek 22: Úvodní obrazovka po spuštění programu ROZEX Alarm, verze 1.0
3.1.6.2 Modelování rozptylu látek v atmosféře pomocí programu ROZEX Alarm Úniky toxických látek program ROZEX Alarm hodnotí z hlediska dosahu a tvaru vzniklého oblaku při zvolené mezní koncentraci dané látky. Pro modelování rozptylu plynů v atmosféře nabízí program tyto varianty [68]:
jednorázový únik toxické látky – neutrální plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je lehčí než vzduch, uniklé v krátkém časovém intervalu;
jednorázový únik toxické látky – těžký plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je těžší než vzduch, uniklé v krátkém časovém intervalu;
kontinuální únik toxické látky – neutrální plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je lehčí než vzduch, unikající o známém množství v delším časovém intervalu;
kontinuální únik toxické látky – těžký plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je těžší než vzduch, unikající o známém množství v delším časovém intervalu;
64
kontinuální únik toxické látky otvorem – neutrální plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je lehčí než vzduch, unikající otvorem známé velikosti v delším časovém intervalu;
kontinuální únik toxické látky otvorem – těžký plyn: řeší dosah oblaku toxické látky, jejíž molekula je těžší než vzduch, unikající otvorem známé velikosti v delším časovém intervalu.
3.2 Ověření validity použitých softwarových nástrojů 3.2.1 Popis vybrané havarijní události Ověření validity výstupů použitých nástrojů bylo provedeno pomocí modelování následků události v Bhópálu, která se stala v chemické továrně Union Carbide India Ltd. těsně po půlnoci z 2. na 3. prosince 1984 (v čase mezi 00:15 a 2:00 IST, tj. místního času), a porovnání takto získaných výstupů se skutečnými následky, které jsou dobře známy z literatury (blíže viz Příloha B.1). Modelování bylo provedeno pro níže uvedené vnější meteorologické podmínky [10,12]:
rychlost větru: do 3 m.s-1,
směr větru: od severozápadu (azimut 315°),
přízemní teplota 10 °C,
výška inversní vrstvy: 250 m,
relativní vlhkost vzduchu: 90 %,
pokrytí oblohy oblačností: 8/8.
Stáčení větru ani turbulence nebyly uvažovány, byť dostupné zdroje uvádějí, že vítr se stáčel od azimutu 285° až po azimut 45° [37]. Následky byl y modelovány pro kontinuální 60-ti minutový únik methylisokyanátu (MIC) z válcového ležatého zásobníku o průměru 244 cm a délce 1219 cm obsahujícího 41 tun MIC střední rychlostí 18100 kg.hod-1. Ačkoli únik trval téměř dvě hodiny, dostupné SW programy neumožňují modelovat úniky delší jak 60 minut, proto je nutné pro toto omezení upravit vstupní data. Uvedené zdroje uvádějí, že do ovzduší se z uniklého množství MIC dostalo přibližně 73 %, což odpovídá rychlosti vzniku oblaku MIC (ať již při dvoufázovém výtoku, tak i odparem z kaluže) 13200 kg.hod-1. S ohledem na charakter události bylo využito modelu adiabatického odparu. Další důležitou skutečností je, že oblak se z uzavřené haly dostal do okolního prostředí přes 33 metrový ventilační komín, což je v tomto případě výška zdroje, pro který je nutné provést výběr vhodného modelu. Ačkoli Maithili Sharan a kol. [53] určili hodnotu Richardsonova čísla v okamžiku úniku při
65
zemském povrchu Ri ≈ 0,25 , přesto byl pro naše výpočty použit model těžkého plynu, protože ve výšce 33 metrů, odkud se oblak MIC dostával do ovzduší, dosáhlo Ri ≈ 1,4 (viz kritérium v kap. 2.5.3). Profil Richardsonova čísla resp. výšky inverzní vrstvy v době události shrnuje obrázek 23. Drsnost terénu, nad kterým se oblak pohybovat, odpovídala hodnotě pro urbanizovanou krajinu s množstvím překážek, tj. z0 = 100 cm.
Obrázek 23: vlevo odhad Richardsonova čísla Ri v různých výškách v čase 00:30 IST pro různé rychlosti větru Ug, vpravo změna výšky spodní hranice vrstvy radiační inverze v čase podle [53].
Zasažená oblast byla rozdělena do čtyř zón podle míry zasažení. Statistiku mortality události podle Singha a Ghoshe shrnuje tabulka 13, resp. obrázek 24: Tabulka 13: Statistika mortality události v Bhópálu v jednotlivých zónách zasažení odpovídajících obrázku 24 podle [53]. Zóna zasažení
Koncentrace MIC
Počet mrtvých
Plocha zóny 2 (km )
Hustota -2 mortality (km )
> 50 ppm
1265
1,33
951,1
II – silné zasažení
15 – 50 ppm
767
1,95
392,3
III – střední zasažení
1,5 – 15 ppm
270
4,6
58,7
IV – mírné zasažení
< 1 ppm
108
7,5
14,4
I – velmi silné zasažení
66
Obrázek 24: Mapka nejbližšího okolí továrny Union Carbide Ltd. v Bhópálu s nákresem jednotlivých zón zasažení podle [53].
67
3.2.2 Výstupy z použitých softwarových nástrojů 3.2.2.1 Výstupy programu ALOHA
SITE DATA: Location: BHOPAL, INDIA Building Air Exchanges Per Hour: 0.66 (unsheltered single storied) Time: December 3, 1984 0000 hours ST (user specified) CHEMICAL DATA: Chemical Name: METHYL ISOCYANATE Molecular Weight: 57.05 g/mol AEGL-2(60 min): 0.067 ppm AEGL-3(60 min): 0.2 ppm IDLH: 3 ppm LEL: 53000 ppm UEL: 260000 ppm Ambient Boiling Point: 37.2° C Vapor Pressure at Ambient Temperature: 0.30 atm Ambient Saturation Concentration: 317,533 ppm or 31.8% ATMOSPHERIC DATA: (MANUAL INPUT OF DATA) Wind: 3 meters/second from N at 3 meters Ground Roughness: urban or forest Cloud Cover: 10 tenths Air Temperature: 10° C Stability Class: E (user override) Inversion Height: 250 meters Relative Humidity: 90% SOURCE STRENGTH: Direct Source: 13200 kilograms/hr Source Height: 33 meters Release Duration: 60 minutes Release Rate: 220 kilograms/min Total Amount Released: 13,200 kilograms THREAT ZONE: (HEAVY GAS SELECTED) Model Run: Heavy Gas Red : 2.8 kilometers --- (15 ppm) Orange: 5.1 kilometers --- (5 ppm = ERPG-3) Yellow: greater than 10 kilometers --- (0.5 ppm = ERPG-2) THREAT AT POINT: Concentration Estimates at the point: Downwind: 2500 meters Max Concentration: Outdoor: 17.9 ppm Indoor: 7.91 ppm THREAT AT POINT: Concentration Estimates at the point: Downwind: 3190 meters Max Concentration: Outdoor: 11.6 ppm Indoor: 5 ppm THREAT AT POINT: Concentration Estimates at the point: Downwind: 4000 meters Max Concentration: Outdoor: 7.67 ppm Indoor: 3.23 ppm
68
Off Centerline: 0 meters
Off Centerline: 0 meters
Off Centerline: 0 meters
Obrázek 25: Grafický výstup dosahu přízemních koncentrací MIC z programu ALOHA: 15 ppm (červená izolinie); 5 ppm (oranžová izolinie); 0,5 ppm (žlutá izolinie).
Obrázek 26: Změna koncentrace MIC v závislosti na čase v místě vzdáleném 2500 m od epicentra úniku ve směru vanutí větru.
Interpretace výsledků Izokřivky uvedené ve výstupech znázorňují spojnice se stejnou koncentrací MIC v ovzduší. Červená křivka „Red LOC“ představuje koncentraci 15 ppm, což je minimální odhadovaná koncentrace MIC, které byli lidé vystaveni během havárie v Bhópálu [31]; oranžová křivka ERPG-3 představuje koncentraci 5 ppm, což je hodnota maximální koncentrace látky v ovzduší, do níž je možno se domnívat, že téměř všichni jednotlivci by mohli být nechráněni 69
po dobu jedné hodiny, aniž by zakusili nebo se u nich vyvinuly účinky ohrožující zdraví nebo život; žlutá křivka ERPG-2 pak představuje koncentraci 0,5 ppm, což je hodnota maximální koncentrace látky v ovzduší, do níž je možno se domnívat, že téměř všichni jednotlivci by mohli být nechráněni po dobu jedné hodiny, aniž by zakusili nebo se u nich vyvinuly nezvratné nebo další vážné účinky či příznaky, které by mohly poškodit jejich schopnosti podniknout záchrannou činnost. Tyto hodnoty byly čerpány z běžně dostupných zdrojů [31,61]. Program ALOHA vypočítal, že dosahy jednotlivých koncentrací ve venkovním prostředí byly v Bhópálu následující: 15 ppm (Red LOC) bylo možné naměřit až ve vzdálenosti 2,8 km, koncentraci 5 ppm (ERPG-3) ve vzdálenosti 5100 metrů a koncentraci 0,5 ppm (ERPG-2) pak dokonce ve vzdálenostech větších jak 10 kilometrů. Ve vzdálenosti 2500 metrů od epicentra, tj. v místě uváděném jako hranice zóny mortality, pak dosáhla koncentrace MIC hodnoty 17,9 ppm a ve vzdálenosti 4000 metrů od epicentra, tj. v místě, kde byly ještě pozorovány bezprostřední zraňující účinky, pak program spočítal maximální koncentraci za stejnou dobu 7,67 ppm. Jelikož ALOHA dokáže počítat i koncentrace uvnitř budov, bylo možné spočítat orientační hodnoty koncentrací MIC i zde, tedy v místech, kde se v okamžiku havárie nacházela většina místního obyvatelstva. Ve vzdálenosti 2500 metrů dosáhla maximální vnitřní koncentrace za 1 hodinu od počátku úniku hodnoty 7,91 ppm a ve vzdálenosti 4000 metrů pak 3,23 ppm. Tyto hodnoty při úniku trvajícím déle než 60 minut, což je i případ Bhópálu, však nejsou maximální, jak je zjevné i z trendu koncentrační křivky. Kromě jiného lze uvažovat, že reálné koncentrace uvnitř budov dosáhly bezesporu vyšších hodnot, neboť kvalitu staveb a jejich hermetičnost lze předpokládat na nižší úrovni, než je tomu v západních zemích, pro jejichž stavby je program navržen. Při uvážení, že hodinová expozice koncentraci 5 ppm již může představovat riziko, je nesporné, že několikahodinová expozice (uvažujeme-li spící osoby), musela u exponovaných osob zanechat vážné následky (a to i přes to, že koncentrace MIC i v objektech postupně klesala).
70
3.2.2.2 Výstupy programu SAVE II /S/A/V/E/ II Username: Occupational Safety Research Institute Dispersion: Toxic Continuous Release: Dense/Cold Gas/Vapour
Parameters: Specific Heat Effect Concentration Initial Density Initial Release Temp. Entrainment Rate Wind Speed Stability Class Surface Roughness Z0 Release Rate
1.62E3 5E-7 960 283 12 3 E 1 3.7
J/kg/K kg/m3 kg/m3 K kg/s m/s A to F m kg/s
Results: distance (m) cloudwidth (m) Lz (m) max.conc. (kg/m3) 5.0E+000 1.1E+001 1.3E+000 2.6E-001 1.1E+001 1.7E+001 5.2E-001 2.2E-001 1.8E+001 2.3E+001 4.2E-001 1.9E-001 2.7E+001 3.0E+001 3.7E-001 1.7E-001 3.7E+001 3.8E+001 3.4E-001 1.5E-001 5.0E+001 4.6E+001 3.2E-001 1.3E-001 6.5E+001 5.6E+001 3.0E-001 1.1E-001 8.2E+001 6.6E+001 3.0E-001 9.5E-002 1.0E+002 7.9E+001 3.0E-001 7.9E-002 1.3E+002 9.2E+001 3.1E-001 6.4E-002 1.6E+002 1.1E+002 3.3E-001 4.9E-002 2.0E+002 1.3E+002 3.7E-001 3.6E-002 2.4E+002 1.5E+002 4.4E-001 2.5E-002 3.0E+002 1.7E+002 5.5E-001 1.7E-002 ----transition to gaussian dispersion---3.6E+002 4.1E+002 3.7E+000 1.1E-002 4.4E+002 3.9E+002 2.3E+001 1.4E-003 5.3E+002 4.1E+002 3.6E+001 7.9E-004 6.4E+002 4.3E+002 4.9E+001 5.2E-004 7.7E+002 4.6E+002 6.2E+001 3.6E-004 9.3E+002 5.0E+002 7.5E+001 2.6E-004 1.1E+003 5.5E+002 8.8E+001 1.9E-004 1.4E+003 6.0E+002 1.0E+002 1.5E-004 1.6E+003 6.6E+002 1.2E+002 1.1E-004 2.0E+003 7.3E+002 1.3E+002 8.2E-005 2.4E+003 8.1E+002 1.5E+002 6.2E-005 2.8E+003 9.0E+002 1.7E+002 4.7E-005 3.4E+003 1.0E+003 1.9E+002 3.5E-005 4.1E+003 1.1E+003 2.1E+002 2.7E-005 4.9E+003 1.3E+003 2.3E+002 2.0E-005 5.9E+003 1.4E+003 2.5E+002 1.5E-005 7.1E+003 1.6E+003 2.7E+002 1.1E-005 8.5E+003 1.7E+003 3.0E+002 8.7E-006 1.0E+004 1.9E+003 3.2E+002 6.5E-006 1.2E+004 2.1E+003 3.4E+002 4.9E-006 1.5E+004 2.3E+003 3.6E+002 3.7E-006 71
1.8E+004 2.1E+004 2.5E+004 3.1E+004 3.7E+004 4.4E+004 5.3E+004 6.3E+004
2.5E+003 2.7E+003 2.9E+003 2.9E+003 2.8E+003 2.3E+003 2.2E+002 0.0E+000
3.8E+002 4.0E+002 4.0E+002 3.9E+002 3.6E+002 2.9E+002 2.7E+001 0.0E+000
2.8E-006 2.1E-006 1.6E-006 1.2E-006 8.9E-007 6.7E-007 5.0E-007 3.8E-007
Interpretace výsledků Program SAVE II je sice pokročilý modelovací nástroj, avšak výstupy z provedeného modelování rozptylu disperzí v atmosféře jsou presentovány pouze v textové podobě, kde je uvedena pro vybrané referenční vzdálenosti koncentrace příslušné látky v ovzduší a maximální rozměr oblaku. Nevýhodou této varianty je její nepřehlednost, a jelikož program používá striktně základních jednotek SI i mnohdy ztížená interpretace. Pro modelování havarijních dosahů ohrožujících koncentrací se v praxi využívá spíše jednotek ppm, které program nepoužívá, takže uživatel je nucen výsledky přepočítat. K přepočtu bylo přistoupeno také v tomto případě. Ve vzdálenosti 2500 metrů, kam sahala v Bhópálu zóna mortality, program spočítal koncentraci MIC 6,2.10-5 kg.m-3, což po přepočtu činí 25 ppm. Dosah koncentrace 5 ppm (ERPG-3), která v případě MIC odpovídá 1,2.10-5 kg.m-3, bylo ale nutné vypočítat pomocí lineární interpolace z dat uvedených v textovém výstupu. Koncentrace 5 ppm podle výstupů z programu dosáhne do vzdálenosti 5900 až 7100 metrů; po interpolaci byl dosah stanoven na 6800 metrů. Více informací z datových výstupů z programu SAVE II nelze získat.
3.2.2.3 Výstupy programu EFFECTS Project : Standard project -------------- START OF SESSION 1 MODEL 1 (SCENARIO CALCULATION) -----------------INPUT Model.......: Neutral gas; continuous release; concentration Chemical name............................................... Mass flow rate of the source................................ Length source in wind direction............................. Source width................................................ Length source in z-direction................................ Height leak above ground level.............................. Pasquill stability class.................................... Wind speed at 10 m height................................... Roughness length description................................ towns Concentration averaging time................................ Height (Zd)................................................. 72
contour (110) : MIC : 3.6 kg/s : 1 m : 1 m : 33 m : 33 m : E (Stable) : 3 m/s : Cities and : 3600 s : 0 m
Predefined concentration.................................... Threshold concentration..................................... Threshold concentration..................................... Threshold concentration..................................... X-coordinate of release (for mapping purposes).............. Y-coordinate of release (for mapping purposes).............. Predefined wind direction................................... Wind comes from (North = 0 degrees).........................
: : : : : : : :
User defined 37 mg/m3 12 mg/m3 3 mg/m3 0 m 0 m User defined 0 deg
RESULTS Maximum distance to threshold............................... : 1740 m Maximum width of vapour cloud............................... : 142 m Actual area of the vapour cloud............................. : 16.076 ha Maximum distance to threshold............................... : 4393 m Maximum width of vapour cloud............................... : 426 m Actual area of the vapour cloud............................. : 144.08 ha Maximum distance to threshold............................... : 11870 m Maximum width of vapour cloud............................... : 1069 m Actual area of the vapour cloud............................. : 971.06 ha
------- END OF SESSION 1 MODEL 1 (SCENARIO CALCULATION) -----------------
Neutral gas; continuous release; concentration contour Contour plot Created: 26 XII 2007 17:45:34 Session 1 Session 2 Session 3
500 450 400 350 300 250 200 150 100
Y [m]
50 0 -50 -100 -150 -200 -250 -300 -350 -400 -450 -500 1,000
2,000
3,000 4,000
5,000
6,000 7,000 X [m]
8,000 9,000 10,000 11,000 12,000
Obrázek 27: Grafický výstup dosahu přízemních koncentrací MIC z programu EFFECTS: 15 ppm (červená izolinie); 5 ppm (žlutá izolinie); 1 ppm (šedá izolinie).
73
Neutral gas; continuous release; concentration contour Maximum concentration vs. distance Created: 26 XII 2007 18:04:04 Session 1
27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 Concentration [ppm (vol)]
17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
500
1,000
1,500 2,000 Distance [m]
2,500
3,000
Obrázek 28: Maximální koncentrace MIC v různých vzdálenostech od epicentra úniku ve směru vanutí větru podle EFFECTS.
Interpretace výsledků Modelování rozptylu disperze MIC pro událost v Bhópálu pomocí EFFECTS vedlo k výpočtu koncentrace MIC ve vzdálenosti 2500 metrů, kam sahala v Bhópálu zóna mortality ve výši 12 ppm. Tuto hodnotu bylo nutné však odečíst z grafického výstupu „Dosah maximálních koncentrací“ (viz obrázek 28). Pro výpočet dosahu určité konkrétní „referenční“ koncentrace (Threshold Concentration) pak EFFECTS vyžaduje zadávat hodnoty těchto koncentrací v jednotkách mg.m-3. Kritické hodnoty v ppm bylo tedy nutné nejprve přepočítat na mg.m-3. Dosah koncentrace 5 ppm (ERPG-3), která v případě MIC odpovídá 12 mg.m-3, lze očekávat až do vzdálenosti 4393 metrů a koncentrace 1 ppm (3 mg.m-3) až do vzdálenosti 11870 metrů. Z výstupů se lze ještě dozvědět informaci o maximální velikosti části oblaku, kde dosahuje koncentrace dané látky hodnoty zadané „referenční“ koncentrace, resp. ji přesahuje (Maximum Width of Vapour Cloud).
74
3.2.2.4 Výstupy programu TEREX
Obrázek 29: Textový výstup z programu TEREX.
Obrázek 30: Vizualizace zón ohrožení na mapovém podkladu.
75
Obrázek 31: Grafický výstup „Doporučený průzkum“.
Interpretace výsledků Program TEREX je určen pro odhad maximální vzdálenosti dosahu nebezpečných koncentrací dané látky. Jelikož se jedná o software určený pro havarijní zásah, je potřeba tuto skutečnost zohlednit při interpretaci získaných výstupů. Modelování rozptylu disperze MIC pro událost v Bhópálu pomocí tohoto programu byla ve vzdálenosti 2500 metrů, kam až dosahovala zóna mortality, vypočtena koncentrace MIC ve výši 0,0004 kg.m-3, tj. 133 ppm. Dosah koncentrace 5 ppm (ERPG-3), která v případě MIC odpovídá 12 mg.m-3, bylo nutné odečíst z grafického výstupu „Doporučený průzkum“. Tato koncentrace odpovídá vzdálenosti 8680 metrů. Další informace, které by bylo možné využít pro potřeby modelování rozptylu látky v atmosféře, program neposkytuje.
76
3.2.2.5 Výstupy programu ROZEX Alarm
Obrázek 32: Textový výstup z programu ROZEX Alarm.
Interpretace výsledků Modelování rozptylu disperze MIC pro událost v Bhópálu pomocí tohoto programu vedlo k výpočtu koncentrace MIC ve vzdálenosti 2500 metrů ve výši 30 ppm a dosah koncentrace 5 ppm (ERPG-3) pak program spočítal do vzdálenosti 9380 metrů. Další informace, které by bylo možné využít pro potřeby modelování rozptylu látky v atmosféře, program neposkytuje.
3.2.3 Vzájemné srovnání získaných výstupů Modelování rozptylu MIC, který unikl při havárii v Bhópálu v roce 1984, bylo zaměřeno na provedení srovnávací studie pro odhad validity výsledků získaných při použití jednotlivých softwarových nástrojů. Základním kritériem bylo prověřit, zda algoritmy, které vybrané SW nástroje pro modelování využívají, umožňují získávat reálné a relevantní výsledky. Výstupy byly proto zaměřeny zejména na výpočet dosahu referenční koncentrace ERPG-3 (5 ppm) a výpočet koncentrace MIC ve vzdálenosti 2500 metrů od epicentra úniku a srovnání výsledků získaných modelováním pomocí jednotlivých programů s daty z místa havárie. Jak bylo uvedeno výše, na okrají zóny mortality, která sahala do vzdálenosti 2500 metrů od epicentra úniku MIC, odborníci odhadli minimální koncentraci MIC v přízemní vrstvě ovzduší 15 až 100 ppm. Koncentrace 5 ppm pak v Bhópálu dosahovala až do vzdálenosti 4000 metrů 77
(zde byly ještě pozorovány zraňující následky na obyvatelstvu). Tyto hodnoty byly potvrzeny řadou vládních i nezávislých studí [34] provedených po události v bezprostředním okolí továrny. Modelování bylo ve všech případech provedeno pro únik MIC z hlavice komínu nalézající se ve výšce 33 metrů nad zemí, přičemž oblak se šířil v převažujícím směru proudění vzduchu. Střední rychlost úniku MIC, tj. množství MIC vstupujícího do volné atmosféry za jednotku času, byla za pomocí dostupných dat vypočtena na 13200 kg.hod-1, tj. 220 kg.min-1, resp. 3,7 kg.s-1. Meteorologické podmínky, které byly do SW zadávány, pak korespondují s údaji uvedenými v kapitole 3.2.1. Výsledky získané provedeným modelováním shrnuje tabulka 14. Jelikož není možné z důvodů velkého množství fyzikálních a fyzikálně-chemických vlivů, které se uplatňují při šíření disperzí v přízemní vrstvě atmosféry za reálných podmínek, stanovit jednoznačná kritéria přijatelnosti získaných výstupů, bylo nutné kvalitu vypočtených hodnot posoudit expertním hodnocením. Pro tento účel byli osloveni odborníci z Výzkumného ústavu bezpečnosti práce, v.v.i., kteří s modelováním následků průmyslových havárií mají bohaté zkušenosti a jsou schopní posoudit relevantnost takto získaných dat. Na základě jejich hodnocení bylo konstatováno, že všechny použité SW nástroje lze z hlediska výpočtu koncentrace na okraji zóny mortality považovat za dostatečně validní; z hlediska výpočtu dosahu zraňující koncentrace ERPG-3 pak modely TEREX a ROZEX Alarm mírně nadhodnocují. Z praxe je ale dobře známo, že vliv terénních překážek, vlhkost vzduchu, turbulentní proudění, tření částic disperze o povrch a velikost částic tvořících disperzi mohou být velmi významné a jen těžko se kvantifikují. Všechny modely tedy vždy představují jen určité aproximace chování disperzí za reálných podmínek, při kterých působí na rozptylující se oblak všechny tyto vlivy současně, mnohdy se synergickým účinkem. V případě zmíněných programů TEREX a ROZEX Alarm, které poskytují mírně vyšší hodnoty dosahu referenčních koncentrací, je pak nutné vycházet z upozornění uváděných samotnými výrobci, a to, že se jedná o nástroje určené pro podporu havarijního zásahu. Bývá obvyklé, že v takových případech je použitý algoritmus upraven tak, aby výsledky výpočtu deklarovaly bezpečnou vzdálenost, tj. vzdálenost nutnou pro zajištění bezpečnosti záchranářů. Jelikož tedy získané výsledky nejsou primárně ovlivněny chybným algoritmem, nýbrž účelovou úpravou, lze za podmínek, že ve všech ostatních modelových případech budou tyto programy ve srovnatelné míře výsledek nadhodnocovat (oproti výsledkům z ostatních programů), připustit, že jsou dostatečně validní pro potřeby exaktního modelování rozptylu nebezpečných látek v ovzduší. 78
Tabulka 14: Porovnání výsledků jednotlivých modelovacích software
1
Reálný stav
ALOHA
SAVE II
EFFECTS
TEREX
ROZEX Alarm
Trvání úniku: cca 120 minut
Modeluje únik o maximální délce 60 minut
Modeluje maximální koncentrace ve směru šíření oblaku nezávisle na čase
Modeluje časově neomezený únik látky
Modeluje maximální koncentrace ve směru šíření oblaku nezávisle na čase
Modeluje maximální koncentrace ve směru šíření oblaku nezávisle na čase
Odhad koncentrace na okraji zóny mortality (ve vzdálenosti 2500 m):
Maximální koncentrace na okraji zóny mortality:
Maximální koncentrace na okraji zóny mortality:
Maximální koncentrace na okraji zóny mortality:
Maximální koncentrace na okraji zóny mortality:
Maximální koncentrace na okraji zóny mortality:
18 ppm
25 ppm
12 ppm
133 ppm
30 ppm
15 až 100 ppm Dosah zraňujících účinků ve venkovním prostředí, tj. dosah koncentrace ERPG-3 (5 ppm):
Dosah zraňující koncentrace 5 ppm:
4000 m Úmrtí osob ukrytých v uzavřených objektech nebo jejich intoxikace (odpovídá expozici koncentraci ERPG-3 a vyšší po dobu delší než 60 minut):
5100 m Koncentrace 5 ppm uvnitř budov po 60 minutách úniku až do vzdálenosti:
4000 m Rozloha zóny s koncentracemi MIC nad 15 ppm: 3,28 km
Dosah zraňující koncentrace 5 ppm:
2
Dosah zraňující koncentrace 5 ppm:
Dosah zraňující koncentrace 5 ppm:
Dosah zraňující koncentrace 5 ppm:
6800 m
4393 m
8680 m
9380 m
Neumožňuje modelovat koncentrace uvnitř budov
Neumožňuje modelovat koncentrace uvnitř budov
Neumožňuje modelovat koncentrace uvnitř budov
Neumožňuje modelovat koncentrace uvnitř budov
Neposkytuje grafický výstup v podobě přízemních izolinií
Plocha ohraničená izolinií koncentrace 15 ppm:
Neposkytuje grafický výstup v podobě přízemních izolinií
Neposkytuje grafický výstup v podobě přízemních izolinií
3190 m Plocha ohraničená izolinií koncentrace 15 ppm: 0,39 km
2
0,14 km
1
2
Některé software umožňují získávat výsledky pouze v mg/m3. Proto některé výstupy musely být přepočítány za pomocí programu ALOHA na jednotky ppm. Pro MIC platí přepočtové pravidlo: 37 mg/m3 = 15 ppm; 12 mg/m3 = 5 ppm; 3 mg/m3 = 1 ppm. 79
3.3 Modelování případových havarijních událostí Modelování bylo provedeno pro tři uvažované události:
(1) únik amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu, (2) únik amoniaku ze železniční cisterny, (3) únik amoniaku z velkého průmyslového zásobníku. Všechny tyto události vycházejí z reálných situací (viz přílohy B.3 a B.4) a v následujících kapitolách jsou blíže popsány.
3.3.1
Parametry pro modelování
Parametry důležité pro modelování rozptylu, které tvoří vstupní data pro jednotlivé softwary, korespondují s údaji získanými z provozní praxe (v tomto ohledu se jedná například o rozměry zařízení, typy a profily uvažovaných ruptur apod.) anebo byly získány od externích subjektů (jedná se zejména o meteorologické údaje o povětrnostních situacích, které poskytl Český hydrometeorologický ústav). Rychlost úniku látky ze zařízení byla ve všech třech případech nejprve propočítána pomocí programu ALOHA a takto získané hodnoty střední rychlosti byly následně použity jako vstupní údaj do všech ostatních programů. Výstupy modelování jsou representovány dosahy čtyř referenčních koncentrací:
5000 ppm (≈ smrt exponovaného jedince do 10 minut),
1900 ppm (≈ poleptání dýchacích cest, poruchy krevního oběhu a ohrožení života exponovaného jedince),
1000 ppm (≈ křeče, záchvaty kašle či krvácení z nosu u exponovaného jedince),
500 ppm (≈ záchvaty kašle, pocení, závratě, dušnost či nervové vzrušení u exponovaného jedince)
a dále výpočtem koncentrace amoniaku ve vzdálenosti 100 metrů od epicentra úniku (v jednotkách ppm), což představuje vzdálenost ochranného pásma pro případ menších úniků amoniaku pro denní i noční hodiny [18]. Volba výše uvedených koncentrací byla provedena jednak při zohlednění toxických následků na exponovaných osobách (viz tabulka 9), a jednak tak, aby alespoň rámcově kopírovala přístupy užívané Hasičským záchranným sborem ČR (HZS). HZS ve svých materiálech zaměřených na civilní ochranu obyvatelstva [45] předpokládá, že při úniku amoniaku ze zásobníku obsahujícího 8 tun této látky (ekvivalentní události úniku ze zásobníku chlazení zimního stadionu) za nejméně vhodných povětrnostních podmínek (tj. při rychlosti větru 80
1 m/s, teplotě 0 °C a t řídě stability F), může smrtelná koncentrace par amoniaku (≈ 5000 ppm a více) dosahovat až do vzdálenosti 1500 m od havárie ve směru větru a do vzdálenosti 2500 m pak může koncentrace dosáhnout hodnot vyvolávajících vážné zdravotní postižení (≈ 1000 až 1900 ppm). Ve vzdálenosti 4000 m od místa havárie pak může být člověk za těchto podmínek vystaven plynnému amoniaku maximálně 1 hodinu, aniž by hrozilo poškození jeho zdraví (≈ 150 až 750 ppm). Charakteristický čpavý zápach může být cítit dokonce až do vzdálenosti 15 kilometrů od havárie ve směru větru (≈ 0,02 až 30 ppm) [45].
3.3.2 Únik amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu Ačkoli jsou chladící zařízení zimních stadiónů podrobována pravidelným technickým revizím, přesto nikdy nelze vyloučit možnost, že může dojít k jejich poškození a k úniku používaného amoniaku. Jako příklad této události lze uvést únik amoniaku, ke kterému došlo ve Znojmě (28. května 2007) díky poškození těsnění u jedné z přírub na potrubí (blíže viz příloha B.3). Událost je zajímavá tím, že vyvolala velké znepokojení jak veřejnosti, tak i složek integrovaného záchranného systému, protože se zimní stadion, odkud amoniak unikal, nacházel v centru města a v blízkosti jedné z místních škol. Jelikož tato událost poměrně dobře vystihuje situaci, která se může v našich podmínkách vyskytnout, poslouží dobře pro účely této práce jako jedna z modelových situací. Pro modelování byl uvažován tzv. nejhorší možný scénář, tedy únik veškerého skladovaného množství amoniaku otvorem o průměru 3 cm. Pro modelování byly využity údaje o povětrnostní situaci získané z hlášení meteorologické stanice ČHMÚ Znojmo-Kuchařovice [44]:
rychlost větru: 2 m.s-1,
přízemní teplota vzduchu: 18 °C,
relativní vlhkost vzduchu: 90 %,
pokrytí oblohy oblačností: 2/8,
třída stability atmosféry E.
3.3.3 Únik amoniaku ze železniční cisterny Dne 9. února 2007 krátce po poledni došlo poblíž obce Káranice na Královéhradecku ke srážce nákladního vlaku a rychlíku. V nákladním vlaku byl řazen také cisternový vůz, ve kterém bylo převáženo 44 tun bezvodého kapalného amoniaku (blíže viz příloha B.4). I tato nehoda díky svému průběhu výborně poslouží jako modelový případ.
81
Pro zadání vstupních podmínek a parametrů lze vycházet ze známých skutečností. Nehoda ukázala, jak snadno může dojít k poškození přečerpávacích částí cisterny. Střet vlaků, pohybujících se stejným směrem, v místě křížení jednotlivých tratí – v tomto případě na špatně přehozené výhybce – umožňuje uvažovat případ, že dojde k uražení přečerpávacích částí cisterny při bočním nárazu. Tyto přečerpávací části sestávají z krátkých trubek (viz obrázek 12) ústících do tělesa cisterny, jejichž vnější konce jsou opatřeny uzavíracími armaturami DN 80 pro kapalnou fázi, resp. DN 50 pro plynnou fázi. Vzniklou dírou (uvažujeme uražení trubky pro stáčení kapaliny) bude amoniak vytékat ven, přičemž ~ 20 % z tohoto množství bude podléhat sprejovému efektu (vytvoří se oblak) a zbytek bude přecházet přímo do plynné fáze. Výtok kapalného amoniaku až na železniční násep je nepravděpodobný. Pokud by však k němu docházelo, pak se bude amoniak ze zemského povrchu velmi rychle odpařovat a klasická kaluž se nevytvoří. I v tomto případě byl pro modelování uvažován tzv. nejhorší možný scénář, tedy únik veškerého množství amoniaku z cisterny otvorem o průměru 8 cm. Pro modelování byly využity údaje o povětrnostní situaci získané z hlášení amatérské meteorologické stanice v Kolíně [51] a meteorologické stanice ČHMÚ v Hradci Králové [44]:
rychlost větru: 3 m.s-1,
přízemní teplota vzduchu: 6 °C,
relativní vlhkost vzduchu: 75 %,
pokrytí oblohy oblačností: 6/8,
třída stability atmosféry C.
3.3.4 Únik amoniaku z velkého průmyslového zásobníku Pro průmyslové využití je amoniak skladován v kulových nebo stojatých válcových zásobnících o objemech stovek až tisíců metrů krychlových; výjimečně i několik desítek tisíc metrů krychlových (např. v Duslo a.s. Šala se nachází stojatý válcový zásobník, ve kterém je skladováno 14 000 tun amoniaku, což odpovídá objemu zásobníku okolo 30 000 m3 !). V českých chemických závodech je několik zásobníků obsahujících do 1000 tun amoniaku. Zásobníky jsou vždy umístěny v nepropustné, bezodtoké jímce a z důvodu bezpečnosti jsou plněny maximálně na 80 %. Je-li v podniku více takových zásobníků, jsou často plněny jen na 60 %, aby mohl být vytvořen dostatečný volný objemu pro případ havárie. V případech poškození pláště jednoho zásobníku je pak díky tomu možné část jeho objemu přečerpat do zásobníku druhého a snížit tak množství látky, která by mohla uniknout do životního prostředí.
82
Dva takové zásobníky se nacházejí ve Spolaně a.s. v Neratovicích, která byla v roce 2002 zasažena povodní. Ačkoli při povodni k úniku amoniaku ze žádného ze zásobníků nedošlo, přesto tato situace vyvolala vážné ohrožení. Po zatopení areálu bylo nutné vypnout elektrický proud, a tak se veškeré technologické zařízení ocitlo bez kontroly. Jedinou ochranou zásobníků zůstaly pouze pasivní (mechanické) bezpečnostní systémy – např. přetlakové ventily apod. Mimo to, při podobných situacích nelze vyloučit, že by mohlo dojít k poškození pláště zásobníku následkem nárazu většího předmětu unášeného proudem vody. A právě tato varianta byla v níže uvedené modelové události uvažována, přičemž profil předpokládané vzniklé ruptury činil 255 cm2, což je ekvivalentní kruhovému otvoru o průměru 18 cm. Pro modelování byly využity údaje o povětrnostní situaci získané z hlášení meteorologické stanice ČHMÚ Praha-Kbely [44]:
rychlost větru: 2 m.s-1,
přízemní teplota vzduchu: 22 °C,
relativní vlhkost vzduchu: 75 %,
pokrytí oblohy oblačností: 6/8,
třída stability atmosféry B.
83
4 VÝSLEDKY A DISKUSE 4.1 Výsledky modelování případových havarijních událostí 4.1.1
Rozptyl amoniaku po úniku z chladícího zařízení zimního stadionu
Následky byly modelovány pro kontinuální únik amoniaku z válcového ležatého zásobníku o průměru 180 cm a délce 550 cm obsahujícího 7 tun amoniaku [8] (při bezpečném plnění na max. 80 %; hustota kapalného amoniaku při 10 °C činí 624 kg.m-3), který se nalézá v centru města. Pro modelování byl použit model rozptylu těžkého plynu (Dense Gas Dispersion) s uplatněním sprejového efektu a koeficient drsnosti povrchu z0 = 40 cm. Výsledky modelování této události pomocí všech vybraných nástrojů shrnuje tabulka 15. Tabulka 15: Výstupy z jednotlivých modelů pro případ úniku amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu.
5000 ppm
1900 ppm
1000 ppm
500 ppm
Koncentrace ve vzdálenosti 100 m od zdroje úniku
ALOHA
288 m
510 m
754 m
1200 m
33 900 ppm
EFFECS
nevyskytuje se
nevyskytuje se
nevyskytuje se
nevyskytuje se
SAVE II
1 400 m
2 050 m
2 350 m
2 750 m
97 200 ppm
TEREX
320 m
600 m
800 m
1 820 m
27 800 ppm *
ROZEX Alarm
250 m
450 m
730 m
1 170 m
20 500 ppm
Dosah zraňujících koncentrací Program
235 ppm
* hodnota byla odhadnuta z grafického výstupu
Výpočtem bylo zjištěno, že amoniak bude otvorem o průměru 3 cm unikat ze zařízení střední rychlostí 12,7 kg.s-1 po dobu 600 sekund.
4.1.2 Rozptyl amoniaku po úniku ze železniční cisterny Následky byly modelovány pro kontinuální únik amoniaku z válcového ležatého zásobníku o průměru 280 cm a délce 1540 cm obsahujícího 44 tun amoniaku. Pro modelování byl použit model rozptylu těžkého plynu (Dense Gas Dispersion) s uplatněním sprejového efektu a koeficient drsnosti povrchu z0 = 40 cm. Výsledky modelování této události pomocí všech vybraných nástrojů shrnuje tabulka 16.
84
Tabulka 16: Výstupy z jednotlivých modelů pro únik amoniaku z železniční cisterny.
5000 ppm
1900 ppm
1000 ppm
500 ppm
Koncentrace ve vzdálenosti 100 m od zdroje úniku
ALOHA
294 m
552 m
838 m
1 300 m
31 700 ppm
EFFECS
286 m
nebylo modelováno
2 776 m
nebylo modelováno
10 680 ppm
SAVE II
340 m
435 m
640 m
940 m
91 700 ppm
TEREX
350 m
580 m
810 m
1 240 m
ROZEX Alarm
110 m
190 m
290 m
440 m
Dosah zraňujících koncentrací Program
27 800 ppm * 8 000 ppm
* hodnota byla odhadnuta z grafického výstupu
Výpočtem bylo zjištěno, že amoniak bude otvorem o průměru 8 cm unikat ze zařízení střední rychlostí 22 kg.s-1 po dobu 2160 sekund.
4.1.3 Rozptyl amoniaku po úniku z velkého průmyslového zásobníku Následky byly modelovány pro jednorázový únik amoniaku z kulového zásobníku o poloměru 620 cm obsahujícího 370 tun skladovaného amoniaku (odpovídá plnění zásobníku na 60 % projektovaného objemu). Přetlak par uvnitř zásobníku je 0,8 MPa. Pro modelování byl použit model rozptylu těžkého plynu (Dense Gas Dispersion) s uplatněním sprejového efektu a koeficient drsnosti povrchu z0 = 40 cm. Výsledky modelování této události pomocí všech vybraných nástrojů shrnuje tabulka 17. Tabulka 17: Výstupy z jednotlivých modelů pro únik amoniaku z velkého průmyslového zásobníku. Dosah zraňujících koncentrací Program
Koncentrace ve vzdálenosti 100 m od zdroje úniku
5000 ppm
1900 ppm
1000 ppm
500 ppm
ALOHA
1 900 m
3 200 m
4 600 m
6 800 m
892 000 ppm
EFFECS
367 m
nebylo modelováno
2 132 m
nebylo modelováno
16 000 ppm
SAVE II
2 800 m
4 100 m
4 900 m
5 700 m
115 300 ppm
TEREX
680 m
1 250 m
1 750 m
2 700 m
139 000 ppm *
ROZEX Alarm
520 m
850 m
1 220 m
1 740 m
86 000 ppm
* hodnota byla odhadnuta z grafického výstupu
Výpočtem bylo zjištěno, že amoniak bude otvorem o průměru 18 cm unikat ze zařízení střední rychlostí 440 kg.s-1 po dobu 1080 sekund.
85
4.2 Diskuse k použití vybraných SW nástrojů a ke kvalitě získaných výsledků 4.2.1 ALOHA Program ALOHA, který patří mezi pokročilé modely, je považován za komplexní nástroj zaměřený na řešení specifických problémů spojených s rozptylem látek na malé vzdálenosti. Už od samého počátku vývoje programu většina uživatelů pozitivně hodnotila, že ALOHA požaduje pouze takové vstupní údaje, které jsou buď snadno dostupné, anebo které lze odhadnout na základě znalostí o průběhu a charakteru události. Tyto závěry lze jednoznačně potvrdit i na základě zkušeností získaných při použití tohoto nástroje při řešení v rámci předkládané práce. Kromě přívětivého uživatelského rozhraní a dobře zpracované uživatelské příručky lze velmi dobře ohodnotit i kvalitu získaných výstupů. Jednak způsob, jakým jsou výsledky uživateli předloženy, tak i kvalitu vypočtených dat. To lze velmi dobře potvrdit i výpočty pro událost v Bhópálu, pro kterou právě ALOHA poskytla nejpřesnější a nejobsáhlejší výsledky. Z tohoto důvodu byly pro hodnocení výsledků z modelování rozptylu amoniaku v případě vybraných modelových havarijních událostí použity výstupy z programu ALOHA jako referenční hodnoty. Určitou nevýhodou programu ALOHA je z uživatelského hlediska pouze to, že volně přístupná verze neumožňuje provádět export grafických výstupů do mapového podkladu a dále, že grafické výstupy nelze ukládat ve formátu jpg – veškeré výstupy je možné buďto exportovat přímo do tisku (bez možnosti uložení) anebo uživatel musí provést tisk z obrazovky (Print Screen).
4.2.2 SAVE II SAVE II patří do skupiny pokročilých modelů a jeho algoritmy vycházejí z tzv. holandských přístupů. Ovšem použití tohoto programu značně komplikuje řada nedostatků. Mezi hlavní nedostatek patří absence kvalitní uživatelské příručky nebo nápovědy, kde by byly vysvětleny jednotlivé vstupní parametry a dále program není vybaven vlastní databází chemických látek. Program je tedy „prázdná schránka“, kterou není jednoduché naplnit, neboť ani na internetu nelze na tento software nalézt žádné ohlasy nebo nápovědu. Modelování rozptylu amoniaku pro vybrané havarijní události lze shrnout následovně. V případě události spojené s únikem amoniaku z chladícího zařízení zimního stadiónu program SAVE II výrazně nadhodnocoval dosahy referenčních koncentrací, a to nejen s ohledem k výsledkům z programu ALOHA, ale také ke všem ostatním použitým programům, vyjma programu EFFECT. V případě události spojené s únikem amoniaku ze železniční cisterny, program sice dosahy koncentrací oproti ALOHA mírně podhodnotil (v průměru o 15 %), ale tento rozdíl není z hlediska havarijního modelování příliš významný.
86
V případě modelování rozptylu amoniaku při jeho úniku z průmyslového zásobníku pak pouze výstupy z programu SAVE II se s výstupy z ALOHA poměrně dobře shodovaly. Pro malé vzdálenosti program hodnoty koncentrací mírně nadhodnocoval a pro vzdálenosti nad 5000 metrů naopak mírně podhodnocoval. V průměru se výsledky modelování programem SAVE II od výsledků z programu ALOHA rozcházejí o 17 %, což je z hlediska havarijního modelování akceptovatelný rozdíl. Práce s programem vyžaduje zadávat množství vstupních údajů, které ale není v praxi jednoduché získat. Také skutečnost, že program SAVE II neobsahuje originální databázi ani nejběžněji se vyskytujících chemických látek, práci s ním značně komplikuje. Zásadním nedostatkem je zadávání vstupních parametrů, které nejsou ani v uživatelském manuálu jednoznačně vysvětleny. Jedná například o „počáteční teplotu při úniku“ (Initial Release Temp.), kde není zřejmé, zda jde o teplotu unikající látky nebo o teplotu okolního vzduchu vstupujícího do vznikajícího oblaku anebo o veličinu „rychlost unášení“ (Entrainment Rate). Tento parametr lze chápat patrně jako množství vzduchu vstupujícího do tohoto oblaku za jednotku času. Jelikož v případě úniku kapalného amoniaku činí jeho okamžitý odpar 20 % z jeho veškerého uniklého množství, byly do programu zadávány hodnoty odpovídající pětinásobku únikové rychlosti při uvažovaném nasycení vzduchu amoniakem. Opakovanými výpočty však bylo prokázáno, že tato veličina příliš výsledek modelování neovlivňuje, takže její konkrétní hodnota není pro finální výsledek modelování zřejmě tak důležitá. Jedinou předností programu SAVE II oproti jiným programům je to, že v textovém výstupu je uveden údaj o vzdálenosti, kde dochází k naředění oblaku na objemovou koncentraci uniklé látky 1 %, od které se disperze rozptyluje pozitivně vzlínavým způsobem podle gaussovského modelu.
4.2.3 EFFECTS Program EFFECTS patří také do skupiny pokročilých modelů a ze všech programů použitých v této práce jej lze označit za „nejpropracovanější“ modelovací nástroj. Tato skutečnost ovšem koreluje s náročnosti jeho použití. Před modelováním je potřeba si důkladně prostudovat uživatelský manuál, a také strávit mnoho času zkušebními aplikacemi, než uživatel dostatečně pochopí práci s programem a jeho funkční možnosti. Práce s programem je proto poměrně náročná i z časového hlediska. EFFECTS umožňuje získávat výstupy z provedeného modelování rozptylu disperzí v atmosféře jak v textové, tak i v grafické podobě a tyto umožňuje vynášet současně do jednoho obrázku. Výstupy lze průběžně ukládat jako textové soubory, tak i jako obrázky ve formátu jpg. 87
Výsledky modelování rozptylu amoniaku pro vybrané havarijní události získané programem EFFECTS nelze jednoznačně interpretovat. Například dosahy referenčních koncentrací při modelování rozptylu amoniaku po úniku z chladícího zařízení zimního stadionu nebyl program schopen spočítat a ve výstupech uváděl hlášení o tom, že zadaná koncentrace se v ovzduší nebude vyskytovat. Podobně nejednoznačné jsou i výsledky v ostatních dvou modelových případech. Naproti tomu výsledky z modelování události v Bhópálu se velmi dobře shodují jak s reálnými daty, tak i s výstupy z programu ALOHA. Při zhodnocení těchto skutečností se nabízí myšlenka, že program EFFECTS zřejmě nedokáže vhodným způsobem počítat vysoké koncentrace, tj. koncentrace v malých vzdálenostech od zdroje úniku (viz výrazně nízké hodnoty ve vzdálenosti 100 metrů od místa úniku). Jelikož je EFFECTS poměrně složitý a vyžaduje poměrně hluboké zkušenosti uživatele, nelze vyloučit, že dosažené výsledky byly ovlivněny blíže nespecifikovanou chybou při aplikaci programu, pramenící z malých zkušeností autora této práce s tímto programem.
4.2.4 TEREX Program TEREX je nástroj ze skupiny jednoduchých modelů pro určení bezpečných zón při havarijním zásahu. Jeho uživatelské rozhraní i charakter výstupů jsou velmi jednoduché, což může za určitých okolností být určitou výhodou. Na rozdíl například od programu EFFECTS, kde se uživatel bez důkladného prostudování uživatelského manuálu neobjede, TEREX nevyžaduje hluboké znalosti uživatele. Program je velmi jednoduchý a uživatel je jednotlivými dialogovými okny veden ke zdárnému výsledku. Pro nápovědu lze navíc využít funkční klávesy „Průvodce“. Tuto možnost ocení nejvíce uživatel, který není specialistou v oboru chemie či havarijního plánování. Princip řešení za použití funkce „Průvodce“ je postaven na realizaci tří postupných kroků, které průběžně umožňují volit nebo vkládat požadovaná data tak, aby byl vytvořen požadovaný havarijní model. Hodnocení charakteru výstupů lze shrnout následovně. Kromě výstupu v podobě graficky nepříliš povedeně ztvárněného hlášení program neposkytuje mnoho informací potřebných pro modelování rozptylu látek v atmosféře. Výstup sestává z hlášení „Ohrožení osob toxickou látkou“, které obsahuje informaci „Nezbytná evakuace osob“ a „Doporučený průzkum toxické koncentrace do vzdálenosti od místa úniku“. Z uživatelského manuálu je možné získat informaci, že vzdálenost uváděná ve výstupu jako tzv. „Doporučený průzkum toxické koncentrace“ koresponduje s dosahem koncentrace odpovídající hodnotě IDLH a v grafickém výstupu je tato vzdálenost vykreslena modrým kruhem. Vzdálenost uváděná v textovém výstupu jako tzv. „Nezbytná evakuace osob“ a v grafickém výstupu zobrazená pak jako sytě modrá výseč, není blíže specifikována a ani v uživatelském manuálu není uvedeno, jakou koncentraci látky v ovzduší tato vzdálenost reprezentuje. 88
Nedostatkem programu je kromě absence těchto základních informací také to, že neumožňuje počítat dosahy referenčních koncentrací, resp. uživatel nemá možnost tyto koncentrace do programu zadávat. Potřebuje-li uživatel provést tyto výpočty, nezbývá mu, než provést manuální odečet požadovaných hodnot z grafického výstupu v okně „Nezbytná evakuace“. Tento výstup je ale proveden z uživatelského hlediska ne příliš vhodně. Kromě toho, že příslušné okno nelze zvětšit a graf je díky tomu dosti nečitelný, komplikuje odečet především to, že na ose x nejsou vynášeny vzdálenosti pomocí pevně definovaných rozestupů kupříkladu po 500 metrech, nýbrž pomocí hodnot vygenerovaných při každém výpočtu individuálně (viz obrázek 31). Odečte-li uživatel hodnotu koncentrace v dané vzdálenosti od zdroje, musí si následně manuálně nebo pomocí programu ALOHA provést přepočet na požadované jednotky, protože program TEREX ve výstupech uvádí koncentrace pouze v jednotkách kg.m-3. Kromě tohoto nedostatku lze programu vytknout dále to, že neumožňuje ani v rozšířeném uživatelském zadání vstupních dat zadávat třídu stability atmosféry, ale pouze výběr některé z variant, mezi které patří např. „léto-den“ apod. Je pochopitelné, že pro záchranáře, který požaduje informaci o dosahu nebezpečných koncentrací v co možná nejkratší době, je tato varianta výhodnější, avšak pro odborníka představuje absence možnosti provádět vlastní volbu stability atmosféry poměrně velkým nedostatek. Kromě zmíněných nedostatků má program TEREX i řadu předností, které mohou být oproti ostatním programům jeho výhodou. Tou hlavní je vlastní databáze nejčastěji používaných chemických látek. Tato databáze sice není tak bohatá jako v případě programu ALOHA nebo ROZEX Alarm, ale pro účely, pro které je program určen, plně postačuje. Ke každé látce lze navíc po kliknutí na tlačítko „Vlastnosti“ zjistit řadu cenných informací. Jedná se o (1) základní informace o dané látce (kódy, R-věty, S-věty, symboly nebezpečnosti apod.), (2) fyzikálně-chemické vlastnosti látky, (3) havarijní a toxické vlastnosti látky, (4) možné havarijní modely, které lze pro danou látku použít, a (5) vlastní popis dané látky (např. zraňující projevy, první pomoc při zasažení danou látkou, hasební prostředky, způsob ochrany apod.). Tyto informace jistě ocení především záchranáři při vlastním havarijním zásahu. Jistě je dobré zmínit, že informace o fyzikálně-chemických parametrech látek, lze využít i při modelování pomocí jiných programů, které nemají vlastní databázi chemických látek. V případě této práce bylo zmíněné možnosti využito pro práci s programem SAVE II při modelování rozptylu amoniaku i methylisokyanátu. Kvalitu numerických výsledků získaných pomocí programu TEREX při modelování vybraných událostí lze vyhodnotit poměrně dobře. Při srovnání výsledků s výsledky z programu ALOHA se v případě kontinuálních úniků (únik z chladícího zařízení zimního stadionu a únik ze železniční cisterny) výsledky programu TEREX velmi dobře shodovaly s výsledky z ALOHA. 89
V obou těchto případech TEREX ve shodě s původním předpokladem výsledky mírně nadhodnocoval – o 22 % v případě úniku z chladícího zařízení zimního stadionu a 4 % v případě úniku ze železniční cisterny. V případě události v Bhópálu a v případě úniku amoniaku z velkého průmyslového zásobníku se však výsledky těchto dvou programů rozcházely poměrně značně. Nástroj umožňuje získávat výstupy z provedeného modelování rozptylu disperzí v atmosféře v textové i grafické podobě, avšak ani jeden z těchto výstupů není možné ukládat, ani exportovat do textového souboru. Jediná možnost uložení výstupů je pomocí sejmutí obrazovky pomocí funkce Print Screen.
4.2.5 ROZEX Alarm Český program ROZEX Alarm patří podobně jako program TEREX do skupiny jednoduchých modelů určených především k odhadům dosahu zraňujících koncentrací, a nelze na něj tedy pohlížet jako na vysoce sofistikovaný program, jakými jsou např. EFFECTS nebo SAVE II. Na rozdíl od programu TEREX však poskytuje výstup pouze v podobě strukturované tabulky generované ve formátu pdf. Použití programu je však snadné a možnost provedení chybného zadání vstupních dat je proto téměř vyloučena. Pro účely modelování rozptylu látek v atmosféře však tento program neposkytuje jiný druh a rozsah výstupů, než které jsou uvedeny v kapitole 3.2.2.5. Z tohoto pohledu není ROZEX Alarm příliš vhodný pro provádění náročnějších modelovacích studií. Numerické výsledky získané při modelování vybraných událostí programem ROEX Alarm se s výsledky z programu ALOHA poměrně značně rozcházejí. Kromě události v Bhópálu, kde program ROZEX Alarm výrazně nadhodnotil dosah referenční koncentrace MIC (ERPG-3), také ve dvou ze tří modelových událostí byly výsledky příliš odlišné oproti výsledkům z programu ALOHA. Jednalo se o událost s únikem amoniaku ze železniční cisterny a událost s únikem amoniaku z velkého průmyslového zásobníku, kde dosahy všech referenčních koncentrací podle programu ROZEX Alarm byly výrazně nižší, než jak je spočítal program ALOHA. Pouze v případě modelování rozptylu amoniaku při kontinuálním úniku malého množství látky, tj. v případě úniku z chladícího zařízení zimního stadiónu, byly výsledky ve velmi dobré shodě s výsledky z ALOHA. Průměrná hodnota rozdílu v dosahu referenčních koncentrací činila v tomto případě jen 8 %.
90
5 SHRNUTÍ A ZÁVĚR Cílem této práce bylo detailněji popsat problematiku rozptylu nebezpečných látek uniklých do atmosféry jako následek průmyslové havárie. V tomto ohledu se práce zaměřila především na popis procesů, které se při rozptylu uniklé látky uplatňují, a dále na aplikaci vybraných softwarových nástrojů určených pro modelování toxického rozptylu za účelem prostudování způsobu jejich správné aplikace a nalezení případných nedostatků a omezení. Tato problematika byla proto řešena komplexně a to v maximální možné šíři, protože pouze dokonalá znalost všech zmíněných aspektů může zaručit co možná nejobjektivnější pohled. Smyslem použití moderních softwarových nástrojů v analýze rizik a havarijním plánování je provedení celého spektra výpočtů potřebných pro stanovení dosahu zraňujících koncentrací dané látky za příslušných (vnějších) podmínek, tedy koncentrací, které mohou při expozici poškodit zdraví člověka nebo mu přivodit i smrt. Pro účely této práce byly vybrány softwarové nástroje, které jsou u nás pro účely modelování používány nejčastěji – ALOHA, SAVE II, EFFECTS, TEREX a ROZEX Alarm. Ty byly následně použity pro modelování toxického rozptylu pro čtyři havarijní události – jedné reálné, která se stala v roce 1984 v indickém Bhópálu, a tří fiktivních, jejichž vznik však s ohledem na skutečnosti reálně hrozil v České republice. Všechny tyto modelové události jsou v práci zevrubně popsány (viz Přílohy B). Práce ukázala, že ačkoli jsou všechny vybrané nástroje postaveny na základních fyzikálních rozptylových modelech, přesto se výsledky jimi získané v mnoha případech liší. Při jejich hodnocení je však nutné vzít v úvahu také to, pro jaký účel byl ten či onen nástroj vyvinut, protože tato skutečnost od počátku limituje jak kvalitu získaných výsledků, tak i úroveň uživatelské přívětivosti jednotlivých programů. Na základě zkušeností nabytých při řešení této diplomové práce se dá jednoznačně konstatovat, že z hlediska uživatelského rozhraní jsou jednoduché modely (v tomto případě TEREX a ROZEX Alarm) mnohem přívětivější než modely pokročilé, a proto jejich použití zvládne i laik. Nutnost širokých znalostí a zkušeností pro správnou aplikaci pokročilých modelů je naopak hlavní nevýhodou použitých programů SAVE II a EFFECTS. Zvláštní postavení má v tomto ohledu program ALOHA, který lze sice řadit mezi pokročilé modely, avšak jeho uživatelské rozhraní je vůči uživateli také velmi přívětivé. Danou skutečnost lze jistě připsat na vrub téměř 25-ti letého vývoje tohoto nástroje, což je historie naprosto nesrovnatelná s historií ostatních programů. Také z hlediska finančních prostředků, které byly vynaloženy na vývoj jednotlivých programů, program ALOHA předčí své konkurenty. Všechny ostatní programy jsou na rozdíl od ALOHA komerčními produkty a lze se domnívat,
91
že byly vyvíjeny pouze s minimální podporou veřejných zdrojů. Naproti tomu ALOHA byla vyvinuta americkou agenturou U.S. EPA z peněz amerických daňových poplatníků. Díky tomu mohly být algoritmy použité v tomto programu ověřovány při rozsáhlých a jedinečných terénních
testech
prováděných
za
reálných
podmínek.
Z hlediska
věrohodnosti
poskytovaných numerických vstupů lze v současnosti tedy tento nástroj považovat za jeden z nejkvalitnějších rozptylových modelů. Zmíněnou skutečnost dokládá také fakt, že řada jiných software z algoritmů použitých v programu ALOHA vychází. Výsledky modelování provedeného za pomocí zmíněných nástrojů poukázaly také na to, jak rozdílné mohou být v případě toxického rozptylu uvažované vzdálenosti zraňujících následků. Tento havarijní scénář totiž představuje řešení velmi složitého problému, pro nějž se používá obvykle „aproximativních“ modelů (gaussovský model, model PUFF, model PLUME apod.), jež umožňují modelovat rozptyl jen za určitých „idealizovaných“ podmínek. Naproti tomu složité „empirické“ modely (CFD, Box modely) se používají doposud v malé míře, neboť pro jejich aplikaci není obvykle k dispozici potřebné hardwarové i softwarové vybavení a především rozsáhlé penzum vstupních dat. Jejich vývoj však intenzivně pokračuje a tak se lze domnívat, že v budoucnu výše uvedené jednoduché „aproximativní“ modely postupně nahradí. Kromě problémů spojených s numerickým popisem procesu rozptylu látky v ovzduší do havarijního plánování patří také hodnocení následků expozice dané látce na zdraví zasažených osob, které lze vyjádřit pouze formou probabilistického odhadu, a nikoli deterministicky. Pro tento účel se používá probitová analýza, jejíž aplikaci však nebylo možné z hlediska rozsahu do této práce zařadit. Předkládaná diplomová práce si z hlediska posouzení jednotlivých softwarových nástrojů nekladla za cíl jednoznačně určit, který z použitých nástrojů je pro modelování toxického rozptylu nejlepší, nýbrž směřovala k jejich vzájemnému srovnání a k demonstraci zkušeností načerpaných při práci s nimi. Pro objektivnější diskuzi o kvalitě poskytovaných výsledků by jistě bylo nutné provést větší počet modelových studií, přesto však i na základě zkušeností získaných při této práci lze konstatovat, že jednoduché modely typu TEREX a ROZEX Alarm poskytují (při srovnání s výstupy z programu ALOHA) lepší výsledky při modelování událostí spojených s kontinuálními úniky malých množství látek než modely pokročilé, resp. pokročilý model, jako např. SAVE II, poskytuje lepší výsledky při modelování událostí spojených s jednorázovými úniky velkých množství látek, a také při výpočtu koncentrací látek v ovzduší v nejbližším okolí místa úniku. Tato zjištění, včetně nedostatků identifikovaných u jednotlivých nástrojů, mohou napomoci jak dalším uživatelům zmíněných programů, tak i jejich tvůrcům a vývojářům a umožnit tak jejich další zlepšování.
92
6 LITERATURA [1]
A Discussion on Gas Dispersion Models [online]. The First Responder, 2002, vol. 1, Issue 3, [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www:
.
[2]
ALOHA® 5.4 : Areal Locations of Hazardous Atmospheres [online]. U.S. Environmental Protection Agency and National Oceanic and Atmospheric Administration, 2006 [cit. 2006-0818]. Dostupný na www: .
[3]
Ammonia : NIOSH Emergency Response Card [online]. NIOSH, 2005 [cit. 2007-08-15]. 9 s. Dostupný na www: .
[4]
BABINEC, F. [ústní sdělení 2007-06-09]. Seminář posuzovatelů bezpečnostní dokumentace, Seč, ČR, 2007.
[5]
BARTLOVÁ, I. 2002. SEVESO III. Ostrava : VŠB, 2002. (Edice SPBI Spektrum).
[6]
BEDNÁŘ, J., ZIKMUNDA, O. 1985. Fyzika mezní vrstvy atmosféry. Praha : Academia, 1985.
[7]
BERNATÍK, A. [ústní sdělení 2007-10-16]. 54. konference CHISA 2007, Srní, ČR, 2007.
[8]
BERNATÍK, A. 2006. Prevence závažných havárií I. : učební skripta VŠB-TU. Ostrava : Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2006. ISBN 80-86634-90-6.
[9]
BERNATÍK, A. 2006. Prevence závažných havárií II. : učební skripta VŠB-TU. Ostrava : Sdružení požárního a bezpečnostního inženýrství, 2006. ISBN 80-86634-90-6.
[10]
Bezpečnostní list pro amoniak bezvodý [online]. Linde, 1999, revize 2006 [cit. 2007-07-27]. 3 s. Dostupný na www: <www.plyny-technicke.cz/editor/image/download2_soubory/cpavek.pdf>.
[11]
BROCKHOF, L.H. 1992. A Risk Management Model for Transport of Dangerous Goods : Main Report, Vol. EUR 14675 EN. Commission of the European Communities, Joint Research Centre, Institute for Systems Engineering and Informatics, 1992.
[12]
BUMBA, J. …[et al.]. 2005. Systém řízení bezpečnosti a havarijní plánování : materiály k distančnímu studiu. Praha : VÚBP, 2005.
[13]
Cargo truck overturned in SW China [online]. People's Daily Online, 2006 [cit. 2008-03-14]. Dostupný na www: .
[14]
CARRUTHERS, D.J. …[et al.]. 2003. PLUME/PUFF Spread and Mean Concetration Module Specifications : ADMS 3. CERC, 2003 [cit. 2008-03-25]. 24 s. Dostupný na www: .
[15]
CO-51-5 Provozní havárie s výronem nebezpečných škodlivin : resortní předpis. Praha : Ministerstvo národní obrany ČSSR, 1981.
[16]
CRAIG, D.; PETROCCHI, R.; LU, P.-Y.; THOMAS, R. Protective Action Criteria for Chemicals : Including AEGLs, ERPGs, & TEELs [online] [cit. 2008-01-04]. Dostupný na www: .
[17]
ČABRADA, J.; KONČEL, P.; DÍTĚ, M. 2002. Bezpečnostní zpráva SPOLANA a.s. Neratovice [online]. Neratovice : Spolana, 2002 [cit. 2008-02-24]. 287 s. Dostupný na www: .
[18]
Česká republika. Ministerstvo dopravy ČR. Dopravní informační systém DOK [online] [cit. 200802-23]. Dostupný na www: .
[19]
Česká republika. Parlament ČR. Zákon č. 349/2004 Sb., o prevenci závažných havárií upůsobených vybranými chemickými látkami a chemickými přípravky (zákon o prevenci závažných havárií). Sbírka zákonů České republiky, 2004, částka 113, s. 7354-7374. Dostupný na www: .
[20]
Česká republika. Parlament ČR. Zákon č. 353/1999 Sb., o prevenci závažných havárií způsobených vybranými nebezpečnými chemickými látkami a chemickými přípravky a o změně zákona č. 425/1990 Sb., o okresních úřadech, úpravě jejich působnosti a o některých dalších opatřeních s tím souvisejících, ve znění pozdějších předpisů (zákon o prevenci závažných havárií). Sbírka zákonů České republiky, 1999, částka 111, s. 7609-7629. Dostupný na www:
93
.
[21]
Česká republika. Parlament ČR. Zákon č. 59/2006 Sb., o prevenci závažných havárií způsobených vybranými nebezpečnými chemickými látkami nebo chemickými přípravky a o změně zákona č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů, ve znění pozdějších předpisů, a zákona č. 320/2002 Sb., o změně a zrušení některých zákonů v souvislosti s ukončením činnosti okresních úřadů, ve znění pozdějších předpisů, (zákon o prevenci závažných havárií). Sbírka zákonů České republiky, 2006, částka 25, s. 842869. Dostupný na www: .
[22]
Directive 2003/105/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2003 amending Council Directive 96/82/EC on the control of major-accident hazards involving dangerous substance.
[23]
Directive 82/501/EEC "On the major-accident hazards of certain industrial activities".
[24]
Directive 96/82/EC "On the control of major accident hazards involving dangerous substances".
[25]
DUIJM, N.J.; MAREKRT, F.; PAULSEN, J.L. 2005. Safety assessment of ammonia as a transport fuel. Roskilde : Risø National Laboratory, 2005. ISBN 87-550-3415-2.
[26]
EMR Ltd., webové stránky společnosti, 2008 [cit. 2008-03-21]. Dostupný na www:
[27]
Guidelines for Quantitative Risk Assessment : Purple Book (CPR 18E). Hague : Committee for the Prevention of Disasters, 1999.
[28]
HAID, J. 2007. Únik čpavku nikoho nezranil : oficiální zpráva HZS [online]. Praha : Ministerstva vnitra, 2007 [cit. 2008-02-24]. Dostupný na www: .
[29]
Hazard analysis of anhydrous ammonia truck accident : appendix E : NTIS Report Number PB268251. NTIS, 2006 [cit. 2006-02-10]. Dostupný na www: .
[30]
HGSYSTEM Technical Reference Manual : 7. The Heavy Gas Dispersion Model HEGADAS [online]. Thornton : Shell Research and Technology Centre [cit. 2007-02-20]. 106 s. Dostupný na www: .
[31]
Chronic Toxicity Summary of Methyl Isocyanate [online]. California : Office of Environmental Health Hazard Assessment, 2001 [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[32]
KIŠA, M.; JELEMENSKÝ, Ľ.; STOPKA, J. 2007. Je možné využiť CFD modelovanie disperzie látok na havarijné modelovanie? 54. konference CHISA 2007, 15. – 18.10. 2007, Srní, ČR.
[33]
KOČÍ, V.; RAKOVICKÝ, T.; ŠVAGR, A. 2001. Testy akutní a semichronické toxicity [online]. Praha : VŠCHT, 2001 [cit. 2007-09-15]. Dostupný na www: .
[34]
LABUNSKA, I. …[et al.]. 1999. The Bhopal legacy : toxic contaminants at the former Union Carbide factory site, Bhopal, India : 15 years after the Bhopal accident, Technical Note 04/99 [online]. Exeter :Greenpeace Research Laboratories, Department of Biological Sciences, University of Exeter, 1999 [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[35]
LEDVINOVÁ, M. 2002. Nehodové události při přepravě nebezpečných věcí : seminární práce [online]. Pardubice : Univerzita Pardubice , Dopravní fakulta Jana Pernera, 2002 [cit. 2008-0104]. Dostupný na www: .
[36]
LEES, F. P. 1980. Loss prevention in the process industries. London : Butterworth-Heinemann, 1980. ISBN 0408106042.
[37]
LEES, F.P. (1996). Loss Prevention in the Process Industries : Apendix 5. 2nd ed. Oxford : Butterworth-Heinemann, 1996.
94
[38]
MACDONALD, R. 2003. Tudory and Objectives of Air Dispersion Modelling, Modelling Air Emissions for Compliance, MME 474A Wind Engineering. University of Waterloo, 2003.
[39]
MARKIEWICZ, M. 2006. Modelling of the Air Pollution Dispersion [online]. 2006 [cit. 2008-0102]. 46 s. Dostupný na www: .
[40]
MARKIEWICZ, M. 2006., Models and Techniques for Health and Environmental Hazard Assessment and Management [online]. Warsaw : Warsaw University of Technology, The Faculty of Environmental Engineering, 2006. Mathematical Modelling of the Heavy Gas Dispersion, s. 280-302 [cit. 2007-02-20]. 24 s. Dostupný na www: .
[41]
Metodický pokyn odboru environmentálních rizik Ministerstva životního prostředí pro postup při zpracování dokumentu „Analýza a hodnocení rizik závažné havárie“ podle zákona č. 59/2006 Sb., o prevenci závažných havárií. Věstník Ministerstva životného prostředí, 2007, ročník XVII, částka 3.
[42]
MIKA, O.; VIK, M.; KELNAR, L. 2004. Opomenuté závažné zdroje rizika [online]. EnviWeb, 10. 05. 2004 [cit. 2008-01-04]. Dostupný na www: .
[43]
Mis-identification of chemicals : causes and precautionts for storage, transport and production plant. Genéve : International Social Security Association, 2003. 42 s. ISBN 92-843-1159-4.
[44]
NOVÁK, M. 2008. Povětrnostní situace na vybraných meteorologických stanicích ČHMÚ v zadaných termínech. Ústí n.L. : Český hydrometeorologický ústav, 2008.
[45]
Ochrana člověka za mimořádných událostí [online]. Praha : Ministerstvo vnitra, Generální ředitelství Hasičského záchranného sboru ČR, 2003 [cit. 2008-02-24]. Dostupný na www: <www.kr-jihomoravsky.cz/Default.aspx?pubid=13642&TypeID=7&foldid=3495&foldtype=7>.
[46]
PITT, R. 2002. Case Study of Fate and Effects of Ammonia Spills [online]. 2002 [cit. 2008-0314]. Dostupný na www: .
[47]
REYNOLDS, R.M. 1992. ALOHA Theoretical Description, Draft Technical Memorandum NOS ORCA-65 Hazardous Materials Response and Assessment Division (HMRAD) of the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Seattle : NOAA, 1992.
[48]
ROOS A.J. 1989. Methods for the determination of possible damage, CPR 16E. Voorburg : Committee for Prevention of Disasters, 1989. ISBN 0-5307-052-4.
[49]
Rozex Alarm [online]. Praha : TLP, c1991-2006 [cit. 2007-11-11]. Dostupný na www: .
[50]
Rychlík se převrátil po srážce s nákladním vlakem [online]. Informační portál iDNES.cz, 9. 2. 2007 [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www:
[51]
ŘÍMAN, R.; SKŘEHOT, P.; BUMBA, J. 2007. ALOHA v praxi : případová studie havárie cisterny přepravující nebezpečnou chemickou látku. In Sborník příspěvků z 28. mezinárodní konference „Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí“. Úpice, 2007.
[52]
SAVE Consulting Scientist. SAVE II, Windows version 3.03 : User´s manual. Apeldoorn, 2003.
[53]
SHARAN, M. …[et al.]. 1994. Bhopal Gas Leak : A Numerical Simulation of Episodic Dispersion. Atmospheric Environment, 1995, vol. 29, no. 16, s. 2061-2074.
[54]
SKŘEHOT, P. …[et al.]. 2007. Modelování úniku a rozptylu nebezpečných plynných látek v atmosféře. In Člověk ve svém pozemském a kosmickém prostředí : bulletin referátů z konference. Úpice : Hvězdárna v Úpici, Komise pro otázky životního prostředí AV ČR, 2007. 6s.
[55]
SLUKA V. …[et al.]. 2006. Výkladový terminologický slovník některých pojmů používaných v analýze a hodnocení rizik pro účely zákona o prevenci závažných havárií. Praha:VÚBP, 2006.
[56]
STŘECHA, F. Ze stadionu unikl čpavek [online]. Znojemský týden [online], 2007, 4. 22 [cit. 2007-09-02]. Dostupný na www: .
95
[57]
SUNG, H-M., WHEELER, J.G. 1997. Source Characterization of Ammonia Accidental Releases for Various Storage and Process Conditions [online]. The Air & Waste Management Association’s 90th Annual Meeting & Exhibition, June 8-13, 1997, Toronto, Ontario, Canada [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[58]
Support Center for Regulatory Air Models (SCRAM) and Environmental Protection Agency [online]. Dispersion Modeling, 2005 [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[59]
TABAZ, M.; BABINEC, F.; LÁSKOVÁ, A. 2006. Příspěvek k modelování rozptylu nebezpečných látek. Konference APROCHEM 2007, Odpadové fórum, Milovy, 16. - 18. 4. 2007.
[60]
TerEx [online]. Praha : T-Soft [cit. 2007-07-27].. Dostupný na www: .
[61]
The CAMEO® Software System, ALOHA® 5.4 (Areal Locations of Hazardous Atmospheres). User´s manual, U.S. Environmental Protection Agency and National Oceanic and Atmospheric Administration, 2006.
[62]
TNO Environment, Energy and Process Innovation Department of Industrial Safety: EFFECTS, DAMAGE, EFFECTSPLUS, EFFECTSGIS, version 5.5 : User and reference manual. Apeldoorn, 2003.
[63]
U.S. Department of Energy. Office of Environment, Safety and Health. 2004. ALOHA Computer Code Application Guidance for Documented Safety Analysis : Final Report No. DOE-EH4.2.1.3-ALOHA Code Guidance [online]. Washington D.C. : U.S. Department of Energy, 2004 [cit. 2007-02-20]. 115 s. Dostupný na www: .
[64]
U.S. Environmental Protection Agency. 1989. Dense Gas Dispersion Model (DEGADIS) : User´s Guide for the DEGADIS 2.1., Publication No. EPA–450/4–89–019.Research Triangle Park, NC 27711 : NTIS No. PB 90–213893. NTIS, 1989.
[65]
UČENÁ, Š. 2004. Některé aspekty případné havárie při přepravě zkapalněného chlóru po železnici : seminární práce [online]. Pardubice : Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, 2004 [cit. 2007-02-20]. 21 s. Dostupný na www: .
[66]
Údržba a realizace průmyslových procesních zařízení [online]. Praha : Česká společnost chemického inženýrství [cit. 2007-09-08]. Dostupný na www: .
[67]
URBAN, I. 1995. Hodnocení havárií spojených s výronem inhalačně toxických zkapalněných plynů a těkavých kapalin (nebezpečných škodlivin). Lázně Bohdaneč : Institut Civilní ochrany České republiky, 1995.
[68]
Uživatelská příručka programu ROZEX Alarm verze 2.0. Praha : TLP, 2003.
[69]
VÍLCHES, J.A. …[et al.]. 1995. A historical analysis of accidents in chemical plants, accidents due to transport of hazardous materials. Journal of Loss Prevention Process Industry, 1995, vol. 8, no. 2, pp. 87-96.
[70]
VRÁTNÝ, M.; HEJLOVÁ, D. 2008. Program TerEx : uživatelský manuál, verze 2.8.
[71]
YAMADA, T. 2000. Lagrangian Dispersion Model for Nonneutrally Buoyant Plumes [online]. Journal of Applied Meteorology, 2000, vol. 39, no. 3, s. 427-436 [cit. 2007-09-15]. Dostupný na www: .
96
PŘÍLOHA A: POPIS VYBRANÝCH TOXIKOLOGICKÝCH LIMITNÍCH HODNOT Tabulka A-1: Vybrané toxikologické limitní hodnoty podle [16,55]. Označení limitní hodnoty
Popis
LC50
Koncentrace látky, pro kterou se předpokládá, že způsobí v daném časovém intervalu smrt u 50 % jedinců zvířat vystavených účinkům látky po určitou dobu (obvykle 10 nebo 30 minut).
(Lethal Concentration) LD50 (Lethal Dose) LCLo
Dávka, u které se předpokládá, že způsobí v daném časovém intervalu smrt u 50 % jedinců zvířat vystavených účinkům látky.
Nejnižší koncentrace, při které dojde k úhynu pokusného zvířete.
(Lethal Concentration Low) IDLH (Immediately Dangerous to Life and Health) NPK (Nejvyšší přípustná koncentrace)
Maximální koncentrace látky v ovzduší, které může být zdravý pracovník vystaven po dobu až 30 minut a ještě být schopen uniknout bez ztráty života nebo bez nevratných poškození zdraví.
Koncentrace látky v ovzduší, kterým nesmí být zaměstnanec v žádném časovém úseku pracovní doby vystaven. Dříve byly stanoveny nejvyšší přípustné koncentrace v pracovním ovzduší (NPK-P), a to hodnoty průměrné a mezní, což byly takové koncentrace plynů, par a aerosolů v pracovním ovzduší, o nichž se podle tehdejších vědeckých znalostí předpokládalo, že nepoškodí zdravotní stav osob, jež jsou těmto koncentracím vystaveny. Pro koncentrace běžných průmyslových škodlivin byly stanoveny i NPK hodnoty ve volném ovzduší (imisní koncentrace).
ERPG
ERPG-1
(Emergency Response Planning Guidelines)
Hodnota maximální koncentrace látky v ovzduší, do které je možno se domnívat, že téměř všichni jednotlivci by mohli být nechránění po dobu jedné hodiny, aniž by zakusili jiné nežli mírné přechodné nepříznivé účinky na svém zdravotním stavu nebo postřehli zřetelně nepříjemný zápach. ERPG-2 Hodnota maximální koncentrace látky v ovzduší, do níž je možno se domnívat, že téměř všichni jednotlivci by mohli být nechráněni po dobu jedné hodiny, aniž by zakusili nebo se u nich vyvinuly nezvratné nebo další vážné účinky nebo příznaky, které by mohly poškodit jejich schopnosti podniknout záchrannou činnost. ERPG-3 Hodnota maximální koncentrace látky v ovzduší, do níž je možno se domnívat, že téměř všichni jednotlivci by mohli být nechráněni po dobu jedné hodiny, aniž by zakusili nebo se u nich vyvinuly účinky ohrožující zdraví nebo život.
97
Tabulka A-1 pokračování: AEGL
AEGL-1
(Acute Exposure Guideline Levels)
Koncentrace nebezpečné látky v ovzduší, nad kterou se předpokládá, že běžná populace, včetně vnímavých jedinců, může zakusit patrné nepohodlí, podráždění, nebo určité, smysly nepostřehnutelné, symptomatické příznaky. Účinky nejsou oslabující, jsou přechodné a vratné po přerušení expozice. AEGL-2 Koncentrace nebezpečné látky v ovzduší, nad kterou se předpokládá, že běžná populace, včetně vnímavých jedinců, může zakusit nevratné nebo jiné vážné, dlouhotrvající nepříznivé zdravotní účinky nebo může dojít k zhoršené schopnosti úniku. AEGL-3 Koncentrace nebezpečné látky v ovzduší, nad kterou se předpokládá, že běžná populace, včetně vnímavých jedinců, může zakusit zdravotní účinky ohrožující život nebo může dojít k smrti.
TEEL
TEEL-0
(Temporary Emergency Exposure Limit)
Maximální koncentrace látky v ovzduší, jejímuž vystavení u většiny osob nevede k žádným nepříznivým zdravotním následkům. TEEL-1 Definice stejná jako ERPG-1 (integrační doba, pro kterou se počítá vážený průměr je však 15 minut). TEEL-2 Definice stejná jako ERPG-2 (integrační doba, pro kterou se počítá vážený průměr je však 15 minut). TEEL-3 Definice stejná jako ERPG-3 (integrační doba, pro kterou se počítá vážený průměr je však 15 minut).
EEGL (Emergency Exposure Guidance Level)
Maximální koncentrace látky, která ještě nezpůsobí nevratné poškození zdraví, a které je vystaven personál při výkonu nezbytných úkolů při řešení nouzové situace trvající 1 až 24 hodin.
NOAEL
Dávka, při které ještě nebyl pozorován škodlivý účinek.
(No Observable (Observed) Averse Effect Level)
Nejvyšší dávka nebo expoziční koncentrace látky, při které není pozorován žádný statisticky významný nepříznivý účinek na organismus v porovnání s kontrolní skupinou.
PEL
Celosměnové časově vážené průměry koncentrací plynů, par nebo aerosolů v pracovním ovzduší, jimž mohou být podle současného stavu znalostí vystaveni zaměstnanci při osmihodinové pracovní době, aniž by u nich došlo i při celoživotní pracovní expozici k poškození zdraví, k ohrožení jejich pracovní schopnosti a výkonnosti. Přípustné expoziční limity platí za předpokladu, že zaměstnanec je zatěžován tělesnou prací, při které jeho průměrná plicní ventilace nepřekračuje 20 litrů za minutu, a doba výkonu práce nepřesahuje 8 hodin.
(Permissible Exposure Limits)
98
PŘÍLOHA B: POPIS VYBRANÝCH HAVÁRIÍ SPOJENÝCH S ÚNIKEM NEBEZPEČNÝCH PLYNNÝCH LÁTEK B.1 Havárie průmyslové technologie v Bhópálu (Indie) Událost v indickém závodě americké společnosti Union Carbide Ltd. (UCIL) v Bhópálu se stala během noci z 2. na 3. prosince 1984. Její příčinou bylo vniknutí vody do zásobníku obsahujícího 41 tun silně toxického methylisokyanátu (MIC), který byl oplachován. Látky začaly okamžitě bouřlivě reagovat, což vedlo k prudkému nárůstu tlaku uvnitř zásobníku. Následovalo proražení bezpečnostního ventilu a jedovatá látka začala proudem vytékat ven. Během dvou hodin takto uniklo mezi 20 a 30 tunami methylisokyanátu. Ačkoli se incident stal v uzavřené hale, přesto se látka dostala do venkovního prostředí. Hala byla totiž ventilována prostřednictvím 33 metrového továrního komínu, který výrazně přispěl k rozptylu nebezpečné látky do volné atmosféry. Jelikož methylisokyanát vykazuje velkou afinitu k vodě, došlo v ovzduší k jeho navázání na kapičky vodního aerosolu, kterých bylo díky zvýšené vlhkosti vzduchu dostatek. Vznikl tak toxický oblak, jež se šířil při zemi a způsobil otravu tisíců lidí. Oficiální prameny uvádějí, že bezprostředně zemřelo asi 3 000 lidí (v některých pracích se uvádí až 8 000 mrtvých), 50 000 osob bylo intoxikováno a na 200 000 lidí bylo nutné ihned evakuovat [34]. Celkem bylo událostí (jakýmkoli způsobem) zasaženo okolo půl milionu lidí. Zóna mortality přitom sahala až do vzdálenosti 2,5 km od továrny, a zraňující následky se vyskytly ještě o 1,5 km dále. Celkem byla zamořena oblast o rozloze asi 65 km2 ve směru větru. Tato havárie je po právu považována za nejznámější a nejtragičtější událost v dějinách chemického průmyslu, neboť odráží nejen hrůzný rozsah následků v podobě zmařených lidských životů, ale také fatální selhání bezpečnostních systémů a celou řadu pochybení provozního personálu i havarijní připravenosti indických úřadů. Je o to zarážející, že se již dlouho před samotnou událostí vyskytly nedostatky, které vedly k řadě menších událostí. Bohužel však nebyly řešeny s potřebnou důsledností, takže vznik této havárie byl prakticky nevyhnutelný.
99
B.2 Nehoda autocisterny s amoniakem v Texasu (USA) Dne 11. května 1976 v 11:08 ráno na nájezdu na dálnici U.S. 59 v Texasu došlo k vážné nehodě autocisterny dopravní společnosti Transport Company of Texas převážející 19 tun bezvodého amoniaku [29]. Událost se stala při jízdě po nájezdu spojující silnici I - 610 s dálnicí č. U.S. 59, kdy autocisterna zavadila o příčku mostní konstrukce. Návěs cisterny následně vybočil ze silnice, narazil do mostního pilíře nadjezdu, prorazil ochranná svodidla a zřítil se z nadjezdu z výšky 4,5 metru na dálnici pod ním. Nárazem došlo k totální ruptuře pláště cisterny a k vylití zkapalněného amoniaku na vozovku, odkud se kaluž velmi rychle odpařovala. Na následky události na místě zemřelo 6 osob, 78 osob bylo nutné pro silnou intoxikaci hospitalizovat a přibližně 100 dalších utrpělo lehčí zranění. Odborníky na krizové řízení však tato událost natolik zaujala, že se pokusili provést odhad možných následků pro případ, že by se havárie stala v hustěji obydlené oblasti podél pravidelné trasy cisterny, tj. ze Stanton Energy Center v Jacksonville do místa určení. Za pomocí programu ALOHA a za využití údajů o průměrné hustotě obyvatelstva v dané oblasti bylo zjištěno, že asi 655 lidí by mohlo být
v obdobných případech
vystaveno koncentracím
ERPG-3,
tj.
takovým
koncentracím amoniaku, které vedou po hodinové expozici už k přímému ohrožení života. Dalšími výpočty podle stejného postupu pak bylo odhadnuto, že by v takovém případě bylo nutné ukrýt více jak 13 000 lidí v nejbližším okolí místa havárie.
100
B.3 Únik amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu ve Znojmě (Česká republika) Dne 28. května 2007, hodinu po půlnoci, došlo ve Znojmě k úniku amoniaku z chladícího zařízení zimního stadionu. Zaměstnanec zimního stadionu, který bydlel přímo v areálu, ho ucítil a nejprve se snažil závadu odstranit vlastními silami. Když to nešlo, povolal na pomoc hasiče. V tu dobu už plyn zaznamenala i čidla. Na místo přijely jednotky HZS ze Znojma a asi za čtyřicet minut také speciální protichemická jednotka z Brna. Příčinou události bylo vadné těsnění pod přírubou u zásobníku obsahujícího 5 tun amoniaku, přes kterou látka ve formě aerosolu unikala (viz obrázek P-1). Z objektu stadionu bylo evakuováno deset lidí a lidé bydlící v nejbližším okolí byli upozorněni, aby si zavřeli okna a nevětrali. Při události nebyl nikdo zraněn, nicméně ulice, které přiléhají ke stadionu, musely být kvůli bezpečnosti obyvatel celé dopoledne uzavřeny. Měření specialistů neprokázalo, že by byly v ovzduší nebezpečně vysoké koncentrace amoniaku, přesto bylo přistoupeno ke zrušení vyučování ve dvou školách nacházejících se v blízkosti stadionu. Vlastní zásah museli hasiči provést v dýchacích přístrojích a protichemických oblecích. Unikající amoniak zkrápěli vodou a pak odčerpávali. Zásah trval deset hodin; teprve po této době byla oblast prohlášena za bezpečnou. Při následném vyšetřování bylo zjištěno, že uniklo přibližně jen 1,5 kg amoniaku [28,56].
Obrázek P-1: Pohled do strojovny chlazení odkud amoniak unikal; foto HZS.
101
B.4 Nehoda vlaků u Káranic (Česká republika) Dne 9. února 2007 ve 12:07 hod. poblíž Káranic na Královéhradecku se srazil rychlík R 957 s nákladním vlakem Pn 63440. Rychlík, který měl v Káranicích zastavit, ale pochybením strojvedoucího jel tak rychle, že nezastavil před návěstidlem, na kterém svítil červený signál. Pokračoval v jízdě a rychlostí 58 kilometrů za hodinu se na výhybce srazil s protijedoucím nákladním vlakem. Následkem srážky lokomotiva rychlíku vykolejila a vjela do pole, kde se převrátila. První vůz rychlíku sice vykolejil také, ale zůstal stát na kolech. Lokomotiva nákladního vlaku zůstala na kolejích, mimo koleje však náraz odsunul tři nákladní vozy. Vlak přepravoval také cisternu se 44 tunami amoniaku, která však nebyla poškozena, a zůstala stát na kolejích (viz obrázek P-2). Při nehodě byl těžce zraněn strojvedoucí rychlíku, další tři lidé byli zraněni lehce. Pokud by však došlo k úniku nebezpečného amoniaku, následky by byly skutečně tragické. Odhady hovoří, že by v případě vzniku totální ruptury pláště cisterny byla šance na přežití cestujících v rychlíku naprosto mizivá, protože koncentrace amoniaku v ovzduší by mnohonásobně přesahovaly smrtelnou koncentraci. Nehoda si však naštěstí vyžádala jen materiální škodu ve výši 2,5 milionu korun [50].
Obrázek P-2: Cisterna s amoniakem při nehodě vlaků 9. 2 .2007 u Káranic; foto Oldřich Tamáš.
102
Poděkování: Rád bych na tomto místě poděkoval všem, kteří jakkoli přispěli ke zdárnému dovršení úsilí směřující k finální podobě této práce. V první řadě patří dík Doc. RNDr. Evě Tesařové, CSc. z katedry fyzikální a makromolekulární chemie PřF UK, která mi v roli vedoucí diplomové práce po celou dobu poskytovala řadu podnětných rad a návrhů a pozitivně mne motivovala k úspěšnému cíli – dokončení této práce. V tomto ohledu děkuji také svým kolegům z Výzkumného
ústavu
bezpečnosti
práce,
v.v.i.,
jmenovitě
Ing. Vilému
Slukovi
a
Ing. Miloši Palečkovi, CSc., kteří mi v mnoha ohledech poskytli cenné rady a praktická doporučení související s řešeným tématem. Poděkování si zaslouží také zástupci partnerských institucí a firem, jmenovitě Doc. Dr. Ing. Aleš Bernatík (VŠB-TUO), Ing. Michaela Havlová (T-SOFT s.r.o.) a pan Miroslav Dítě (TLP s.r.o.), kteří mi umožnili použít vybrané softwarové nástroje. Z kolektivu pracovníků Ústavu pro životní prostředí PřF UK bych pak rád na závěr poděkoval také RNDr. Janu Hovorkovi, PhD., který výrazně obohatil mé vědění v této oblasti a napomohl mi tak pochopit jak podstatu procesů uplatňujících se při rozptylu znečišťujících látek v ovzduší, tak i mnohé další aspekty zdánlivě s tématem nesouvisejícími. Za poskytnutí softwarových nástrojů, použitých v této práci, děkuji těmto institucím a firmám: Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v.v.i. – programy EFFECTS 4 a SAVE II, T-SOFT s.r.o. – program TEREX, TLP s.r.o. – program ROZEX Alarm a Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství – program EFFECTS 5.5
103
PŘÍLOHA C: SOFTWAROVÉ NÁSTROJE URČENÉ PRO MODELOVÁNÍ ROZPTYLU TOXICKÝCH LÁTEK V ATMOSFÉŘE Níže je uvedena stručná charakteristika vybraných programů, určených pro modelování havarijních scénářů, včetně rozptylu disperzí. Jedná se o ty nástroje, se kterými se lze poměrně často setkávat v odborných pracích, zejména v anglosaské literatuře. Uvedený výčet je jen vzorkem určeným pro náhled do širokého spektra softwarových nástrojů a není rozhodně vyčerpávající.
C.1 AERMOD Tento model, vyvinutý American Meteorological Society a U.S. EPA, představuje komprimát šesti nejlepších SW modelů, které byly podrobeny rozsáhlé recenzi. Model nabízí příjemné uživatelské rozhraní, je schopen pracovat na běžném PC, nevyžaduje rozsáhlý trénink ani zkušenosti uživatele, je dostupný zdarma, je schopen charakterizovat zasaženou oblast, bere v úvahu promíchávání vzduchu při povrchu země, dokáže modelovat jak dlouhodobé, tak i jednorázové úniky, výstupy umožňuje převádět do prostorových souřadnic a zohledňuje topografii zájmové oblasti. Nevýhodou naopak je, že nezahrnuje vliv příslušných atmosférických chemických procesů. Volně dostupná verze programu také neuvažuje mokrou a suchou depozici, avšak v nadstandardních verzích příslušný algoritmus zahrnut je. Tento model se zvlášť dobře osvědčil při odhadech šíření sirovodíku a amoniaku.
C.2 ADMS 3 Atmospheric Dispersion Modeling System (ADMS 3) byl navržen Cambridge Environmental Research Consultants Ltd. (CERC). Model dokáže pracovat jak s daty okamžitých meteorologických měření, tak i s daty statistickými, což je považováno za velkou výhodu. Obecně je hodnocen jako uživatelsky příjemný, umožňující počítat úbytek látky mokrou a suchou depozicí, umožňuje zadání různých druhů zdrojů úniků a je schopen modelovat rozptyl ve složitých terénech. Model má však také několik omezení, mezi které patří:
poměrně velké požadavky na výcvik uživatele
omezená velikost zájmové oblasti a množství uniklé látky
104
uváděná cena za software a za výcvikový kurz je poměrně vysoká (cca 3000 USD) a navíc je možné tento balíček získat pouze ve Velké Británii.
Navzdory uváděným omezením a nevýhodám, je kvalita modelu ADMS 3 dobře srovnatelná s modelem AERMOD, a v některých ohledech jej dokonce i převyšuje (např. umožňuje zohledňovat kolísání intenzity emise dané látky aj.).
C.3 AODM Rakouský model AODM (Austrian Odour Dispersion Model) je postaven na standardním Gaussově modelu rozptylu spojeného s modelem výtoku a modelem pro výpočet okamžité koncentrace dané látky. Tyto algoritmy umožňují počítat koncentrace látky ve směru větru a v čase. Hodnocení modelu ale ukázalo, že však nevyhovuje většině požadavků, konkrétně:
copyright neumožňují volné šíření programu,
model není schopen předpovídat koncentrace z více než jednoho zdroje,
model nezahrnuje uplatnění mokré a suché depozice,
výpočty nejsou příliš validní pro vzdálenosti menší než 100 metrů od zdroje,
model umožňuje počítat pouze krátké půlhodinové úniky,
model nezohledňuje typ terénu,
model se netěší dobrému ratingu U.S. EPA
I přes některé výhody, kterými model disponuje, jako je např. uživatelská přívětivost a minimální výcvikové požadavky, disponuje AODM příliš širokými omezeními a není tudíž příliš doporučován.
C.4 ARCHIE Program ARCHIE vyvinutý pro agenturu U.S. EPA je určen profesionálním pracovníkům v oblasti havarijního plánování. Umožňuje vytvářet havarijní scénáře při výronu tekutin. Obsahuje například devět metod stanovení rychlosti výtoku tekutin z nádrží nebo potrubí, sedm metod stanovení velikosti plochy rozlité kapaliny, dvě metody pro stanovení rychlosti odparu škodliviny z kapalné louže. Dále obsahuje metody stanovení rozlohy nebezpečně kontaminovaných oblastí a metody pro oceňování rozsahu a následků požárů a výbuchů při výronu zápalných a výbušných tekutin. Použití programu vyžaduje zadání řady zcela konkrétních technických podmínek a technologických parametrů charakterizujících zdroj havárie. Z tohoto důvodu je program ARCHIE pro všeobecné hodnocení situace u orgánů státní správy a samosprávy těžko použitelný. 105
C.5 CALPUFF Model CALPUFF (Lagrangian CALifornian PUFF Model), který byl v nedávné době značně podporován U.S. EPA, je založen na algoritmech umožňujících počítat dálkový přenos látek a jejich vliv na dohlednost či okyselování srážek. Agentura U.S. EPA vyzdvihuje i další pozitiva modelu, mezi které patří:
software je k dispozici zdarma,
model zahrnuje uplatnění mokré i suché depozice,
model uvažuje různé druhy zdrojů a dobu úniku,
model umožňuje zadávat různé druhy terénů
Jelikož byl tento model vyvinut pro modelování rozptylu látek ve vzdálenostech větších jak 5 kilometrů od zdroje, vyžaduje mnohem přesnější meteorologická data, než většina jiných modelů. Důležitou skutečnosti také je, že CALPUFF je určen pro odhad rozptylu látek emitovaných skupinami zařízení a proto jej nelze aplikovat na modelování úniků z jednotlivých zdrojů. Model je vhodný pro tzv. kumulativní analýzu.
C.6 DEGADIS Program DEGADIS (DEnse GAs DISpersion) byl vyvinut pro americkou agenturu U.S. EPA. Slouží pro modelové výpočty rozptylu z přízemního zdroje těžkých plynů nebo par s velmi malým počátečním momentem hybnosti, takže není určen pro procesy probíhající při vysokorychlostních únicích, jako je únik z tlakových pojistných ventilů. Tento zdroj vytváří přízemní oblak plynů těžších než vzduch. Výchozí podmínky havárie si lze představit tak, že z válcové nádrže s tekutinou v okamžiku havárie "zmizí" vlastní nádrž a vzniklý válec těžkého plynu se roztéká do okolí [4]. Program je postaven na tzv. konzervativním přístupu, takže jím získané výsledky spíše než o nejpravděpodobnější variantě následků, informují o maximálních dosazích následků za podmínek, že nastane nejhorší možná varianta. Program je určen zejména pro hodnocení situace v místech nepříliš vzdálených od zdroje výronu. Program DEGADIS vyžaduje, aby všechny fyzikálně chemické charakteristiky toxické látky a údaje o technologických charakteristikách zdroje úniku byly zadány uživatelem, což limituje použití programu pouze pro odborné práce, na jejichž vypracování má uživatel všechny požadované údaje a dostatek času. Program funguje v operačním systému MS DOS, takže jeho uživatelské rozhranní není tak přívětivé, jako např. v případě ALOHA nebo TEREX. Model umožňuje pracovat pouze s jednou sadou povětrnostních podmínek, a proto by neměl být použit pro modelování úniků delších než 1 až 2 hodiny. Do modelu je nutné zadat tato vstupní data: rychlost větru v určené výšce, teplota okolí a atmosférický tlak, drsnost povrchu, relativní vlhkost vzduchu, a teplota zemského povrchu (která ve většině případů 106
bývá přibližně stejná jako teplota vzduchu). Textový výstup je zpracován do tabulkové podoby a mimo jiné zahrnuje: seznam modelových vstupních údajů, střední dělicí čáru protínající vrchol oblaku, molární zlomek, vypočtené koncentrace, hustotu oblaku a teplotu [3].
C.7 DOT 2000 Tento model využívá již známé modely rozptylu redukované na čtyři různé případy [1]. Jedná se o:
malý únik za denních podmínek
velký únik za denních podmínek,
malý únik v noci a
velký únik v noci.
Každá toxická chemická látka má různou bezpečnou vzdálenost pro každou z výše uvedených čtyři možností úniku. Informace je uváděná ve formě vyhledávacích tabulek. Za velký únik je považován únik minimálně 210 litrů (55 galonů) látky. Model předpokládá, že během dne se v atmosféře vyskytují instabilní nebo neutrální podmínky, zatímco v noci se podmínky neutrální nebo stabilní. V reálných podmínkách se může vyskytovat mnoho různých kombinací okolností, které je nutno při modelování uvažovat. Pro tento účel má model předdefinováno přes 50 000 různých kombinací (např. různé rychlosti větru, atmosférické stability, různý typy úniků, různé látky atd.). Výsledky jsou rozděleny do čtyř kategorií a jsou uváděny v tabulkových výstupech. Jako každý model má i DOT 2000 svá omezení. Poměrně dobře stanovuje ochrannou vzdálenost pro únik kapaliny z malé nádoby nacházející se na zemi, ale pravděpodobně podceňuje následky velkých úniků látek z mobilních zdrojů. Model také neuvažuje jednorázové okamžité úniky velkých množství látek, ke kterým může dojít například použitím výbušnin při teroristické činnosti.
C.8 HGSYSTEM Tento program [2] je systémovým nástrojem, který vyvinuly společnosti Shell Research Limited spolu s American Petroleum Institute a dalšími významnými chemickými podniky. Tento systém sestává z následujících devíti samostatných modulů:
DATAPROP – databáze fyzikálních vlastností látek
107
LPOOL – vypařování látek během varu nebo pod bodem varu z kaluže rozlité na zemi nebo na hladině vody
SPILL – model zdroje pro tlakové nádoby
HFSPILL – model zdroje pro tlakové HF nádoby
AEROPLUME – tryskový únik pro ideální plyn, sloučeniny a dvoufázové směsi
HFPLUME – tryskový výtok kapaliny
HEGABOX – okamžitý (jednorázový) únik
HEGADAS – rozptyl těžkého plynu ze základní hladiny
PGPLUME – pasivní rozptyl ve výšce
C.9 INPUFF-2 Model INPUFF-2 (INtegrated PUFF Model) vyvinula agentura U.S. EPA pro simulace rozptylu plynů lehčích anebo stejně těžkých jak vzduch, jejichž (bodovým) zdrojem je stacionární nebo mobilní zařízení. Ačkoli přesnost předpovědí koncentrace látek ve směru větru byla ověřena testy, přes to bylo zjištěno, že INPUFF-2 disponuje s omezeními v několika klíčových hlediscích, které jsou pro přesnou předpověď rozptylu amoniaku nebo sirovodíku důležité. Jedná se o tato omezení:
model se omezuje pouze na bodové zdroje a není schopný modelovat plošné nebo liniové zdroje,
model neuvažuje suchou depozici,
výstup se vztahuje ke zprůměrňované době trvání úniku a neumožňuje počítat koncentrace látek pro různé časové úseky,
model není vhodný pro modelování těžkých plynů nebo hustých disperzí (např. sirovodík),
model nezohledňuje typ okolního terénu.
Jak omezení signalizují, model by si rozhodně zasloužil větší flexibilitu, která by vycházela ze vnitřních algoritmů.
C.10 PEAC PEAC je model, který při modelování pasivního rozptylu používá klasické Gaussovy rovnice s odchylkami σy a σz pro různé zdroje v závislosti na okolnostech, včetně Briggsových σy a σz odvozených ze experimentů s SO2 [1]. Při modelování rozptylu těžkého plynu, PEAC používá matici exponenciálních funkcí odvozených z mnohaletých testů vykonaných v HazMat Spill Centru U.S. DOE (Ministerstvo energetiky USA) v Nevadě a za využití modelu SLAB, který byl vyvinut v Livermore National Laboratories.
108
Během léta roku 1995 byla získána velká skupina dat označená "Kit fox". Testy, na kterých se finančně podílely jak vládní instituce (U.S. EPA, U.S. DOE a Western Research Institute) tak i deset významných petrochemických a chemických společností, měly za cíl rozšířit doposud známé zkušenosti o rozptylu plynů na základě simulovaného úniku velkého množství nebezpečných plynů z rafinerií nebo chemických podniků. Výsledky použili Hanna, Chang a Briggs, 1998 při aktualizaci modelu HEGADAS, který byl původně vyvinutý v Anglii pro potřeby petrochemického průmyslu.
C.11 SCREEN Tento program [2], který vyvinula americká U.S. EPA, je screeningový systém určený pro modelování úniků toxických látek. Jedná se o interaktivní nástroj, který umožňuje uživateli výběr modelového scénáře, zadat vstupní parametry a použít vybraný numerický model. Hlavním výstupem je koncentrace dané látky ve směru větru. Tento systém poskytuje množství informací pro různé zdroje úniků včetně dvou fázového úniku. Tento program nedokáže počítat se změnou rychlosti úniku látky. Tu považuje za konstantní a odpovídající počáteční rychlosti výtoku, která nastává bezprostředně po vzniku ruptury. Také neumí modelovat rozptyl látek uniklých z přetlakového zásobníku netěsnostmi. Kromě výše uvedených, existuje celá řada dalších modelů, jako například CAM, Farm Emissions Model & National Practices Model (FEMNPM) či STINK. Ty byly vyvinuty na amerických universitách pro specifické účely. OFFSET, vyvinutý na University of Minnesota, je nástroj užívaný ve fázi navrhování nových staveb při posuzování jejich vlivu na kvalitu ovzduší. Jeho nevýhodou je, že není schopný předpovídat koncentrace ve směru větru. Buoyant Line and Point Source Model (BLP) je zase model určený pro modelování úniků hliníkových par z metalurgických provozů a Assessment System for Population Exposure Nationwide (ASPEN) je model, určený pro odhad nebezpečných koncentrací toxických látek v ovzduší. Kromě amerických modelů existuje řada modelů i z jiných zemí. Jedná se například o rakouský Odour Dispersion Model (AODM), australský Plume Model (AUSPLUME) či britský Fine Resolution Atmospheric Multi-Pollutant Exchange (FRAME).
C.12 Historie vývoje programu Aloha První verze programu ALOHA byly naprogramovány na počátku osmdesátých let v jazyce Basic pro Apple II+. Tyto první verze dokázaly modelovat pasivní plynovou stopu a byly určeny jako nástroj pro záchranné akce používaný agenturou NOAA. V polovině osmdesátých let byl model přepsán do jazyka FORTRAN určený pro Apple Macintosh. V té době byla přidána také databáze chemických látek, vytvořeno rozhraní pro příjem dat z
109
meteorologické stanice či výkazové mapy. Koncem osmdesátých let byl modul rozšířen o společný algoritmus pro vypařování, který byl postaven na energické rovnováze prostředí. Tyto verze byly označovány jako verze řady 4.X. Na podzim 1990 byla ALOHA přepsána do programovacího jazyka C. V této verzi, která nesla označení 5.0, byl zakomponován časově závislý gaussovský model rozptylu, model těžkého plynu a algoritmy vycházející z intenzity zdrojů sloužící pro odhady výtoků látek z porušených nádrží a roztržených plynovodů. V té době byla ALOHA rozšířena také o algoritmus sloužící k odhadu průniku plynů do interiérů budov. Na podzim 1991 byla vytvořena revidovaná verze předchozí varianty 5.0, která nesla označení 5.05. Do geografické databáze byly přidány města ze států Arizona, Idaho, New Hampshire, Nové Mexiko, Tennessee, Guam, a Wake Island. ALOHA byla upravena pro příjem dat z přenosné meteorologické stanice Weatherpak. Dále byl k programu přidán velký soubor mapových podkladů a byl upraven algoritmus pro předpovídání poměru výtoku kapaliny velkým otvorem v dně nádoby. Značného rozvoje se ALOHA dočkala v roce 1992, kdy byla zveřejněna její první verze pro operační systém Windows (verze 5.1). Mapová databáze byla převedena do nového mapového programu MARPLOT. V této souvislosti byly grafické výstupy upraveny tak, aby byly transparentnější a přehlednější. Do chemické databáze byly přidány výstrahy o karcinogenních vlastnostech látek a byly aktualizovány hodnoty toxikologických hodnot TLVTWA a IDLH. Zrevidován byl model podzvukového výtoku čistého plynu z roztrženého zásobníku a také model rozptylu těžkého plynu. V nabídkovém seznamu byly od sebe odděleny položky „Concentration“ a „Dose“ a dialogové okno bylo upraveno tak, aby dovolovalo specifikovat umístění s přihlédnutím na směr větru a absolutní souřadnice místa. Model pro rozptyl plynů byl upraven vložením nepovolených podmínek kombinací rychlosti větru, oblačné pokrývky a třídy stability, které zamezovaly generování numericky správných, avšak nesmyslných výstupů. Revize se dočkal také uživatelský manuál. Na podzim roku 1995 byla uvedena verze 5.2. Jelikož se ukázalo, že předchozí verze přeceňovaly stopy úniku těžkého plynu, byl opraven příslušný model. V rámci dalších terénních testů byly také zpřesněny informace o výparu z kaluží a dvoufázovém výtoku, které byly následně upraveny i v programu. Dále byl upraven zdrojový modul „Direct“ a to tak, aby umožňoval modelovat kontinuální únik po dobu až jedné hodiny, což značně rozšířilo využití programu. Vzájemné vazby mezi meteorologickými údaji byly v této verzi více provázány, takže uživatel již nemusel zadávat stabilitu atmosféry, což doposud mohlo v některých případech činit potíže. V této verzi již výběr třídy stability atmosféry dokázal provádět program automaticky sám a to na základě zadané rychlosti větru, oblačné pokrývky a denní 110
doby. Také původní zadávání rychlosti větru ve výšce 3 metry bylo rozšířeno o možnost zadání rychlosti ve výšce 10 metrů. Proběhly také úpravy na softwarovém rozhraní modulu MARPLOT. Rozsáhlou revizí prošla opět i uživatelská příručka, online nápovědy, výstrahy a dialogová okna. Z databáze chemických látek bylo odstraněno několik látek a jiné byly přidány. Další verze s označením 5.2.1 se byla uvedena v zimě 1996. V ní byla opravena chybná hodnota pro povrchové napětí amoniaku, která způsobovala přeceňování množství uniklého amoniaku z tlakového zásobníku. Využití programu bylo rozšířeno o možnost připojení přenosné meteorologické stanice SAM. Algoritmus pro modelování dvoufázového výtoku ze zásobníku byl také zrevidován a vylepšen. Dialogová okna „Tank“ a „Puddle“ byla upravena tak, aby bylo možno lépe specifikovat velikost louže a to prostřednictvím zadání buď přímo plochy, anebo průměru kaluže kruhového tvaru. Byly přidány další LOC jednotky pro volbu zadání. Byla zlepšena ochrana výstupů z verze pracující v systému Windows. U této verze také přibylo automatické propojení programu s modulem CAMEO, takže načítání dat z chemické databáze již probíhalo automaticky po pouhém zadání látky. Na podzim roku 1997 byla uvedena verze 5.2.2, kde byly nově upraveny pouze drobné chyby v přijímání dat z automatických meteorologických stanic SAM. Verze 5.2.3 byla zveřejněna v létě 1999. V ní již byl odstraněn systém „ChemManager“, takže nyní mohly být veškeré změny v databázi chemických látek prováděny zevnitř ALOHA. Pomocí zadávání přímého zdroje v „Direct Source“ bylo nyní možné snadněji modelovat odpar z kaluží nacházejících se uvnitř objektů. Model pracoval na základě výpočtu poměru množství odpařených par do jednotky objemu vzduchu při daném atmosférickém tlaku. Tato verze již umožňovala křížit operační platformy, tj. s výstupy provedenými v systému Macintosh bylo možné dále pracovat ve Windows a naopak. Opět byla rozšířena databáze chemických látek a několik látek bylo odstraněno. Tato verze také umožňovala předpovídat velikost počátečního poklesu rychlosti výtoku kapaliny z roztržených potrubí připojených k velkým nádržím. Verze 5.3, která byla uvedena na jaře 2004, již umožňovala poskytovat výstupy až tří navzájem překrytých stop. Do chemické databáze bylo přidáno pět roztoků různých látek, u kterých program dokázal numericky odhadovat intenzitu zdroje z vypařující se kaluže zmíněných roztoků. Byla opět doplněna databáze chemických látek. Verze pro systém Windows byla aktualizována tak, aby mohla fungovat ve 32 bitových aplikacích. Algoritmus pro vypařování kapalin z kaluží byl doplněn o nový deseti krokový algoritmus umožňující
111
počítat změnu fyzikálních vlastností kapalin při kontinuálním přechodu od nízkých teplot po teploty vysoké. V létě 2004 byla předchozí verze opět upravena a zveřejněna pod označením 5.3.1. V této verzi byly aktualizovány hodnoty toxicity látek AEGL a do databáze chemických látek byly zahrnuty cis a trans formy vybraných chemických látek (např. 1,2-dichloroethylenu). I nadále však přetrvává problém při modelování rozptylu malých množství těžkých plynů, kdy program vypočte velmi nízké koncentrace a následně hlásí, že není generována žádná stopa. Při těchto okrajových podmínkách neodpovídají výstupy programu experimentálním zjištěním. V současnosti je na webových stránkách EPA dostupná nejmodernější verze č. 5.4.1., která byla uvedena na jaře 2006 [5].
C.13 Literatura k příloze C [1]
A Discussion on Gas Dispersion Models [online]. The First Responder, 2002, vol. 1, Issue 3, [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[2]
SUNG, H-M., WHEELER, J.G. 1997. Source Characterization of Ammonia Accidental Releases for Various Storage and Process Conditions [online]. The Air & Waste Management Association’s 90th Annual Meeting & Exhibition, June 8-13, 1997, Toronto, Ontario, Canada [cit. 2007-02-20]. Dostupný na www: .
[3]
U.S. Environmental Protection Agency. 1989. Dense Gas Dispersion Model (DEGADIS) : User´s Guide for the DEGADIS 2.1., Publication No. EPA–450/4–89–019.Research Triangle Park, NC 27711 : NTIS No. PB 90–213893. NTIS, 1989.
[4]
URBAN, I. 1995. Hodnocení havárií spojených s výronem inhalačně toxických zkapalněných plynů a těkavých kapalin (nebezpečných škodlivin). Lázně Bohdaneč : Institut Civilní ochrany České republiky, 1995.
[5]
The CAMEO® Software System, ALOHA® 5.4 (Areal Locations of Hazardous Atmospheres). User´s manual, U.S. Environmental Protection Agency and National Oceanic and Atmospheric Administration, 2006.
112
