ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΙΑΣΠΟΡΑΣ ΤΟΞΙΚΗΣ ΣΚΟΝΗΣ ΣΕ ΕΡΓΑ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ Ε ΑΦΩΝ ΜΕ ΤΗ ΒΟΗΘΕΙΑ ΟΚΙΜΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ : EKΤΙΜΗΣΗ ΤΩΝ ΠΕ ΙΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΕΩΝ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙ ΙΩΝ ΚΑΤΩ ΑΠΟ ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΕΣ ΣΥΝΘΗΚΕΣ. I.Παναγόπουλος 1, Α. Καραγιάννης 1, Π.Κασσωµένος 2 1 ΣΥΒΙΛΛΑ ΕΠΕ, Υψηλάντου 16, Μαρούσσι 151 22, Αθήνα, E-mail : j.k.panagopoulos@sybilla.gr 2 Τµήµα Φυσικής, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, Πανεπιστηµιούπολη, Ιωάννινα 45 110.. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία εστιάζεται στην εκποµπή και διασπορά τοξικής σκόνης κατά τη κατασκευή έργου αποκατάστασης εδάφους λόγω όξινων απορροών στο Λαύριο-Ελλάδα. Παρουσιάζει µια µεθοδολογία αξιολόγησης κινδύνου λόγω εκποµπής ατµοσφαιρικών σωµατιδίων (σκόνης) που περιέχει S, As, Cd, Pb και Ni κατά τις δραστηριότητες εκσκαφών κατά τη διάρκεια της κατασκευής των σχετικών έργων αποκατάστασης, µε τη χρήση εξελιγµένων δόκιµων επιχειρησιακών υπολογιστικής τεχνικών και συγκεκριµένα του λογισµικού/µοντέλου FDM της Αµερικανικής Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος USA/EPA. Μελετήθηκαν, τόσο οι πηγές εκποµπών τοξικής σκόνης όσο και διαφορετικά µετεωρολογικά σενάρια αναφοράς. ASSESSMENT OF THE TOXIC FUGITIVE DUST DISPERSION DURING SOIL REMEDIATION CONSTRUCTION WORKS USING INTERNATIONALLY ACCEPTED COMPUTATIONAL TECHNIQUES. ASSESSMENT OF PARTICULATES CONCENTRATION FIELDS UNDER DIFFERENT METEOROLOGICAL SCENARIOS I.Panagopoulos 1, A.Karayannis 1, P.Kassomenos 2. 1 Sybilla ltd, Ispilantou 16, Maroussi 151 22, Athens, Greece E-mail : j.k.panagopoulos@sybilla.gr 2 Department of Physics, University of Ioannina, University Campus, Ioannina 45 110. ABSTRACT This work is part of a Risk assessment Study of an Acid Sulphate Soil Remediation project in Lavrion-Greece and presents a methodology of assessing the risk associated with the dispersion of airborne particles (fugitive dust) containing S, As, Cd, Pb and Ni during Construction works using Internationally accepted computational techniques. FDM/US-EPA model, is used to predict the dispersion of emitted fugitive dust, during the excavation and material handling activities, under different reference meteorological scenarios.
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα εργασία εστιάζεται στην εκποµπή και διασπορά τοξικής σκόνης κατά τη κατασκευή του έργου αποκατάστασης εδάφους παραλίας Θορικού στο Λαύριο. Η σκόνη αυτή εκπέµπεται από εκσκαφές ρυπασµένων εδαφών, από προσωρινή εναπόθεση εδαφών πλησίον του µετώπου εργασίας, και από µεταφορά εδαφών από τις προς εξυγίανση ζώνες. Γενικά, κατά τη φάση κατασκευής έργων περιβαλλοντικής αποκατάστασης εδάφους εκπέµπονται ποσότητες συµβατικών αερίων ρύπων από τις εγκαταστάσεις εργοταξίου και σκόνης-σωµατιδίων (ενδεχόµενα ρυπασµένης µε Pb, As και άλλα βαρέα µέταλλα) τόσο από τις εγκαταστάσεις εργοταξίου όσο κατά την εκσκαφή και µεταφορά προϊόντων εκσκαφής και υλικών κατασκευής, µε βαρέα οχήµατα, κατά τη διάρκεια των έργων. Οι εκποµπές αλλά και διασπορά της τοξικής σκόνης αυτής εξαρτάται από την ένταση των εργασιών, τους τύπους των µηχανηµάτων του εργοταξίου, του είδους του προς αποκατάσταση εδάφους, (φυσικοχηµικών χαρακτηριστικών ρυπασµένου εδάφους), τη ταχύτητα κίνησης των µηχανηµάτων εργοταξίου και τις επικρατούσες µετεωρολογικές συνθήκες. H σκόνη αυτή αποτελείται από µε αερογενή σωµατίδια που περιέχουν S, As, Cd, Pb και Ni, µπορεί να χαρακτηριστεί επικίνδυνη τόσο στο φυσικό όσο και στο ανθρωπογενές περιβάλλον, και απαιτεί ειδική προσοχή [1]. Για την αντιµετώπιση των επιπτώσεων της προαναφερόµενης τοξικής σκόνης πρέπει να ληφθούν υπόψη τα παρακάτω: Τρόποι αντιµετώπισης διασποράς και µείωσης της σκόνης ( κάλυψη τυχόντων σωρών χωµατισµών µε µουσαµάδες, ενσωµάτωση της περιβαλλοντικής συνιστώσας στη διαχείριση του έργου, τη τοποθέτηση πετασµάτων προστασίας, και τη συχνή κατάβρεξη των χώρων εργασίας). Εκτίµηση της διασποράς της σκόνης σε πολύπλοκες γεωµετρίες µε δόκιµη επιχειρησιακή υπολογιστική τεχνική Χωροθέτηση και διαστασιολόγηση των πετασµάτων προστασίας(που, πόσα, πόσο µεγάλα, κατευθυνση κλπ). Οι επικρατούσες µετεωρολογικές συνθήκες. Για την εκτίµηση και αξιολόγηση της διασποράς των προαναφεροµένων σωµατιδίων- σκόνης που εκπέµπονται κατά τις δραστηριότητες εκσκαφών κατά τη διάρκεια της κατασκευής των έργων αποκατάστασης παραλίας Θορικού, χρησιµοποιήθηκε µια δόκιµη επιχειρησιακή υπολογιστική τεχνική και συγκεκριµένα το λογισµικού FDM του US-EPA. Με τη ανάπτυξη ενός σχετικού µοντέλου, µελετήθηκε και αξιολογήθηκε η διασπορά των πηγών εκποµπών τοξικής σκόνης σε διαφορετικά µετεωρολογικά σενάρια αναφοράς Τα δεδοµένα και ο τρόπος τροφοδοσίας του λογισµικού αναπτύχθηκε από την εταιρεία ΣΥΒΙΛΛΑ ΕΠΕ σε στενή συνεργασία µε τα συµπράττοντα γραφεία µελετών Ι.ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΟΣ-Χ.ΜΑΛΛΙΑΡΟΣ στα πλαίσια του έργου αποκατάστασης της Παραλίας Θορικού στο Λαύριο [1,2] µε κύριο του έργου την Νοµαρχία Αθηνών. 2. ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ 2.1 Το Φυσικό Πρόβληµα Η γεωµετρική περιοχή εφαρµογής της προαναφερόµενης δόκιµης υπολογιστικής επιχειρησιακής τεχνικής, που παρουσιάζεται στο Σχήµα 1, είναι η παραλία του Θορικού στο Λαύριο, περιοχή έκτασης 100000 m 2, που ευρίσκεται τοποθετηµένη Ν-Α της Αθήνας. Στη περιοχή αυτή µεταλλευτικές και µεταλλουργικές δραστηριότητες είχαν ως αποτέλεσµα το σχηµατισµό µεγάλων σωρών απορριµµάτων, που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων και τοξικών µετάλλων [1]. Οι ως άνω αποθέσεις συνιστούν µία από τις σηµαντικότερες πηγές
της εκτεταµένης ρύπανσης του εδάφους, καθώς και των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων της περιοχής. Ο απώτερος σκοπός της θεώρησης αυτής ήταν η ανάπτυξη και χρήση δόκιµης υπολογιστικής επιχειρησιακής τεχνικής FDM/US-EPA για την εκτίµηση και αξιολόγηση των πεδίων συγκεντρώσεων αιωρουµένων σωµατιδίων στην αναφερόµενη περιοχή κατά το στάδιο κατασκευής των έργων σε διαφορετικά µετεωρολογικά σενάρια. Οι διαστάσεις της περιοχής εφαρµογής του µοντέλου FDΜ ήταν περίπου τετράγωνο µε πλευρά 2.5 χιλιοµέτρων µε διαστάσεις 2483 m σε µήκος και 2517 m σε πλάτος. Σχήµα 1. Γεωµετρικές Λεπτοµέρειες της Περιοχής της Παραλίας Θορικού 2.2 Η όκιµη Επιχειρησιακή Υπολογιστική Τεχνική που χρησιµοποιήθηκε Tο πρόγραµµα FDM (Fugitive Dust Model) είναι εξειδικευµένο για την εκτίµηση των συγκεντρώσεων και αποθέσεων από αερογενείς πηγές σωµατιδίων και σκόνης, και την αξιολόγηση των επιπτώσεων στην ποιότητα της ατµόσφαιρας σηµειακών, γραµµικών και επιφανειακών πηγών σωµατιδίων και σκόνης. Με δεδοµένα τις εντάσεις των πηγών, την µετεωρολογία και τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά της περιοχής µελέτης το µοντέλο FDM υπολογίζει συγκεντρώσεις σκόνης. Το πρόγραµµα FDM δέχεται σαν δεδοµένα εισόδου εκποµπές σκόνης από δραστηριότητες έργων αποκατάστασης στην παραλία Θορικού και για τον υπολογισµό της διασποράς ρύπων χρησιµοποιεί την ευρέως χρησιµοποιούµενη εξίσωση Gauss για σηµειακή και εµβαδική πηγή και την ολοκληρώνει αριθµητικά µε ειδικό αλγόριθµο για να λάβει υπόψη του τα πεπερασµένα µήκη της υπό εξέτασης περιοχής µελέτης. Επίσης έχει ενσωµατωµένο αλγόριθµο για τη καθίζηση και απόθεση στο έδαφος των σωµατιδίων συναρτήσει των διαµέτρων τους [5]. Tο πρόγραµµα FDM που χρησιµοποιήθηκε είναι ειδικά τροποποιηµένο, ώστε να υπάρχει απόδοση των αποτελεσµάτων σε CAD µορφή ώστε να είναι δυνατή η ενσωµάτωσή τους σε ψηφιακούς χάρτες και σε συστήµατα GIS. Το υπολογιστικό πλέγµα των δεκτών είχε διαστάσεις 2483x2517m µε χωρική διακριτότητα 20x20 δηλαδή συνολικά 400 δέκτες για τους οποίους γίνονται υπολογισµοί. Υπολογίσθηκαν τόσο οι προβλεπόµενες συγκεντρώσεις PM που οφείλονται στη λειτουργία του εργοταξίου κατασκευής του έργου, όσο και οι ρυθµοί επιφανειακής απόθεσης των αιωρουµένων σωµατιδίων στο έδαφος της γύρω περιοχής.
2.3 Τα Μετεωρολογικά εδοµένα που Χρησιµοποιήθηκαν Για την εκτίµηση των µετεωρολογικών παραµέτρων έγινε ανάλυση των µετεωρολογικών δεδοµένων του Σταθµού ΑΗΣ Λαυρίου των ετών 2004-2005. Η ανάλυση αυτή έγινε µε βάση µετρήσεις ωριαίων µετεωρολογικών παρατηρήσεων στο σταθµό της ΕΗ που χορηγήθηκαν στην οµάδα Μελέτης από την ΕΗ. Τα αποτελέσµατα της ανάλυσης παρουσιάζεται συνοπτικά στους Πίνακες 1-2 και στα Σχήµατα 2-3 που ακολουθούν : Πίνακας 1 Ανάλυση Ηµερήσιων Ανέµων Ανάλυση επικρατούντων (ηµερήσιων) ανέµων ανα ταχύτητα (m/s) και διεύθυνση ΗΜΕΡΕΣ ΜΕ /ΝΣΗ-ΤΑΧΥΤ WS <= 2 5 >= WS > 2 10 >= WS > 5 WS > 10 TOTAL N 24 54 52 39 169 NE 12 11 2 7 32 E 2 1 1 1 5 SE 1 1 0 0 2 S 7 6 1 10 24 SW 24 17 6 18 65 W 17 6 1 7 31 NW 7 6 2 2 17 TOTAL 94 102 65 84 345* ΠΗΓΗ : ΕΗ, /νση Εκµετάλλευσης ΘΗΣ, Στοιχεία σταθµού Λαυρίου 2004-2005 (1/4/2004-31/3/2005) * Υπήρχαν µόνον 345 ηµέρες µετρήσεων απο το σύνολο του έτους Ηµέρες 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 N NE E SE S SW W NW ιεύθυνση Ανέµου WS > 10 10 >= WS > 5 5 >= WS > 2 WS <= 2 Σχήµα 2. Ανάλυση ανέµων ανά ταχύτητα και διεύθυνση
Πίνακας 2.Ποσοστά εµφάνισης Ανέµων ανά ταχύτητα και διεύθυνση στην περιοχή της παραλίας Θορικού. /ΝΣΗ-ΤΑΧΥΤ WS <= 2 5 >= WS > 2 10 >= WS > 5 WS > 10 TOTAL N 6.96 15.65 15.07 11.30 48.99 NE 3.48 3.19 0.58 2.03 9.28 E 0.58 0.29 0.29 0.29 1.45 SE 0.29 0.29 0.00 0.00 0.58 S 2.03 1.74 0.29 2.90 6.96 SW 6.96 4.93 1.74 5.22 18.84 W 4.93 1.74 0.29 2.03 8.99 NW 2.03 1.74 0.58 0.58 4.93 TOTAL 27.25 29.57 18.84 24.35 100.00 NW 15 10 N NE 5 WS <= 2 W 0 E 5 >= WS > 2 10 >= WS > 5 WS > 10 SW SE S Σχήµα 3. Ροδόγραµµα ανέµων (2004-2005 ΘΗΣ ΛΑΥΡΙΟΥ) 2.4 Τα Μετεωρολογικά Σενάρια που Χρησιµοποιήθηκαν Έγινε προσοµοίωση δύο πραγµατικών µετεωρολογικών σεναρίων τα δεδοµένα των οποίων αντλήθηκαν από τα ωριαία µετεωρολογικά δεδοµένα του Σταθµού ΑΗΣ Λαυρίου των ετών 2004-2005 που ευγενικά προσέφερε η ΕΗ /νση Εκµετάλλευσης ΘΗΣ. Τα δύο πραγµατικά µετεωρολογικά σενάρια επιλέχθηκαν για να προσοµοιάσουν δύο δυσµενή σενάρια µε τις εξής παραδοχές : Κατασκευή των έργων άνοιξη καλοκαίρι (µικρή υγρασία εδάφους και µεγάλη εκποµπή σκόνης) Βόρειος άνεµος που οδηγεί τη σκόνη προς την πόλη του Λαυρίου Άνεµοι µέτριας (3 ~ 5m/s) και υψηλής ταχύτητας (7 ~ 10m/s) ώστε να ελεγχθούν και οι δύο περιπτώσεις. Επελέγησαν για προσοµοίωση δύο τριήµερα του 2004 και συγκεκριµένα : 25-27 Μαίου 2004 µε µέγιστη ταχύτητα ανέµου 10.8 m/s, ελάχιστη 7.0 m/s και µέση 8.9 m/s και διεύθυνση Βόρεια και
27-29 Ιουνίου 2004 µε µέγιστη ταχύτητα ανέµου 5.7 m/s, ελάχιστη 2.8 m/s και µέση 4.1 m/s και διεύθυνση Βόρεια Τα δύο εξεταζόµενα σενάρια αντιπροσωπεύουν δυο τριήµερα µε πολύ συντηρητική εκτίµηση εκποµπών σκόνης-σωµατιδίων και δυσµενή και πολύ δυσµενή µετεωρολογία 2.5 Οριακές συνθήκες Εκποµπές Σκόνης- PM Η τοξική σκόνη εκπέµπεται στο εργοτάξιο σε ρυθµό 1x10-6 g/m 2.s όπως προτείνεται από την Υπηρεσία Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ -US EPA AP42 [6]. Με βάση δειγµατοληψίες και µετρήσεις εδάφους το µίγµα των εκπεµπόµενων σωµατιδίων σε ότι αφορά το µέγεθος τους θεωρείται ότι αποτελείται από σωµατίδια µε διάµετρο 10 µ σε ποσοστό 20% και σωµατίδια των 30 µ σε ποσοστό 80%. Ο εισερχόµενος άνεµος στο υπολογιστικό πεδίο θεωρείται ότι είναι ελεύθερος σωµατιδίων. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ, ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής της όκιµης Επιχειρησιακής Υπολογιστικής Τεχνικής για τη διασποράς της Τοξικής Σκόνης λόγω δραστηριοτήτων κατασκευής έργων αποκατάστασης παρουσιάζονται στα σχήµατα 4 και 5. Η προσοµοίωση έγινε µε χρονική διακριτότητα µιάς ώρας και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται ως ηµερήσιοι µέσοι όροι. Σχήµα 3. 25/5/2004 Μέση Ηµερήσια Συγκέντρωση PM (µg/nm 3 ) διασπορά τοξικής σκόνης.
Σχήµα 4. 25/5/2004 Μέση Ηµερήσια επιφανειακή απόθεση PM τοξικής σκόνης (µg/nm 2 s). Mε βάση τα αποτελέσµατα του λογισµικού FDM φαίνεται ότι. Η περιοχή µελέτης δεν εµφανίζει υψηλή συγκέντρωση τοξικής σκόνης. Η περιοχή µελέτης δεν είναι επιβαρηµένη από άποψη ποιότητας αέρα. Με εξαίρεση µια µικρή περιοχή στην άµεση επιρροή των έργων και πολύ κοντά στους µεταλλευτικούς σωρούς η περιοχή µελέτης χαρακτηρίζεται από χαµηλές συγκεντρώσεις σκόνης-σωµατιδίων. Το γεγονός ότι η παραλία Θορικού ευρίσκεται πλησίον Ανθρωπογενών Χρήσεων δεν δηµιουργεί σχετικά προβλήµατα σκόνης-σωµατιδίων. Οι συγκεντρώσεις της σκόνηςσωµατιδίων στα όρια της άµεσης περιοχής κατασκευής του έργου υπολείπονται σηµαντικά των θεσπισµένων ορίων ποιότητας αέρα. Τα ανωτέρω αναφερόµενα αποτελέσµατα αναφέρονται σε µετεωρολογικά σενάρια µε δεδοµένα σταθµού ΑΗΣ ΕΗ Λαυρίου πλησίον της περιοχής του έργου και και µε συντηρητική εκτίµηση των εκποµπών σκόνης. Τα δύο εξεταζόµενα σενάρια αντιπροσωπεύουν δυο τριήµερα µε συντηρητική εκτίµηση εκποµπών σκόνηςσωµατιδίων και δυσµενή και πολύ δυσµενή µετεωρολογία. Οι µέσες ηµερήσιες, µηνιαίες, ετήσιες συγκεντρώσεις σκόνης-σωµατιδίων αναµένεται να είναι σηµαντικά χαµηλότερες από τις υπολογιζόµενες µε το λογισµικό FDM. Για την εκτίµηση της διασποράς σωµατιδίων σκόνης που εκπέµπονται κατά τις δραστηριότητες εκσκαφών κατα τη διάρκεια της κατασκευής του έργου αποκατάστασης παραλίας Θορικού χρησιµοποιήθηκε µια δόκιµη επιχειρησιακή υπολογιστική τεχνική και συγκεκριµένα το λογισµικό FDM της Αµερικανικής Υπηρεσίας Προστασίας Περιβάλλοντος. Μελετήθηκαν, τόσο οι πηγές εκποµπών τοξικής σκόνης όσο και διαφορετικά αντιπροσωπευτικά µετεωρολογικά σενάρια αναφοράς. Ο απώτερος σκοπός της µελέτης αυτής είναι η ανάπτυξη δόκιµης µεθοδολογίας για την εκτίµηση των πεδίων συγκεντρώσεων αιωρουµένων σωµατιδίων στην αναφερόµενη περιοχή κατά το στάδιο κατασκευής των έργων αποκατάστασης και τη επίδραση της διασποράς της τοξικής σκόνης στη ανθρώπινη υγεία του πληθυσµού των γειτονικών περιοχών.tα κυρίως συµπεράσµατα που εξάγονται από την εργασία αυτή είναι ότι η προτεινοµένη µεθοδολογία παράγει δόκιµα ποιοτικά και ποσοτικά δεδοµένα για την αξιολόγηση και εκτίµηση της διασποράς τοξικής σκόνης σε εργασίες αποκατάστασης εδαφών. Η προαναφερόµενη δόκιµη επιχειρησιακή υπολογιστική τεχνική αποδείχθηκε ένα πολύτιµο εργαλείο που παράγει
ποιοτικά και ποσοτικά δεδοµένα για την αξιολόγηση και την αντιµετώπιση αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων και µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά στη εκτίµηση και διαχείριση της αντιµετώπισης διασποράς τοξικής σκόνης σε εργασίες αποκατάστασης εδαφών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ι.Παναγόπουλος, Χ.Μαλλιαρός (2005) Χηµικοτεχνική Μελέτη. Μελέτη Περιβαλλοντικής Αποκατάστασης Παραλίας Θορικού Νοµαρχία Αθηνών. 2. Panagopoulos G., and Markatos N.C. (1991). A method of assessing the contribution of various pollution sources through mathematical modelling International Conference on Environmental Pollution, Lisbon. 3. Markatos, N.C. (1987) Computer simulation in techniques for turbulent flows. Encyclopedia of Fluid Mechanics. Vol. 6: Complex flow phenomena and modelling, GULF Publishing Company, Houston. 4. Panofsky, H.A. (1984) Atmospheric turbulence models and methods for engineering applications, John Wiley & Sons, New York. 5. Region 10, U. S. Environmental Protection Agency, (1990) USER'S GUIDE FOR THE FUGITIVE DUST MODEL (FDM) (revised) Volume I: User's Instructions, EPA-910/9-88-202R, May. 6. AP 42, Fifth Edition. (1995) Compilation of Air Pollutant Emission Factors, Volume 1: Stationary Point and Area Sources, US EPA.