Yöresel hava kalitesinin modellenmesi ve enerji tasarrufu öncelikli teknolojik önlem paketlerinin seçimi ve uygulanmasında kullanımı

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, Eskişehir'de özellikle kış aylarında ciddi boyutlara ulaşan hava kirliliğinin azaltılması ve kontrolü için, mevcut hava kalitesi, yörenin topoğrafik. coğrafik, meteorolojik, iklimsel ve demografik özellikleri gözöniinde bulundurularak, her biri farklı varsayımlara dayanan çeşitli matematik modeller ve ölçümler eşliğinde tespit edilmiş, uygulanan modeller yerel imisyon ölçüm sonuçlan ile kalibre edilmiş, bu bağlamda yöresel kirlilik haritaları oluşturulmuş ve gelecekte beklenen hava kalitesinin iyileştirilmesine yönelik enerji tasarrufu öncelikli teknolojik önlem paketleri seçilmiş ve ilgili alternatif stratejilerin uygulanmasında kullanılabilirlikleri tartışılmıştır. Bu tez kapsamında aşağıdaki çalışmalar gerçekleştirilmiştir: 1) Geliştirilmiş ve Basit ATDL Modelinin Eski şehir Şehir Merkezine Uygulanması Modelin uygulandığı şehir merkezi, kenar uzunluğu 3.5 km x 3.5 km olan 6 adet gride bölünmüştür. Herbir griddeki alan ve nokta kaynaklardan (etkin baca yüksekliği 50 m olarak alınmıştır) deşarj edilen SO2 ve partikül madde derişimleri Quick Basic dilinde geliştirilmiş programlar ile modelin basit ve geliştirilmiş versiyonları kullanılarak 1985-1995 yıllan için ayn ayn hesaplanmıştır. Her iki modelin uygulanmasında arka plan (background) derişiminin 10 u.g/m3 olduğu varsayılmış ve Eskişehir'de bir kış sezonunun 7 ay (Ekim-Nisan) olduğu kabul edilmiştir. Yöresel imisyon ölçüm sonuçlan ile kalibre edilen model sonuçlan incelendiğinde, SO2 ve partikül madde için H.K.K.Y'de öngörülen sınır değerlerin hayli aşıldığı görülmüştür. Önerilen enerji tasarrufu öncelikli alternatif stratejiler içinde ise hem SO2 hem de partikül madde açısından birlikte en düşük emisyonlan verebilecek ilk iki alternatif stratejinin %100 Doğal gaz, %50 İthal kömür + %50 Doğal gaz stratejileri olduğu bulunmuştur. Yörede kullanılan veya kullanılabilecek yakıt türlerinin imisyon verilerine etkileri açısından, ısınma amacıyla doğal gaz ve ithal kömür kullanılması en iyi seçenektir. Ancak bu durum, mali ve politik açılardan dışa bağımlılığı getirmektedir. Dolayısıyla, linyit rezervleri açısından zengin olan ülkemizde, linyitlerin birtakım ön işlemlere tabi tutulması ile partikül madde ve kükürt içeriğinin azaltılması sonucu hava kirliliğini azaltmak mümkün olabilmelidir. 2) GAUSS (Duman ve Üfleme) Modelinin Kirleticilerin Atmosferik Dağılım ve Taşınımında Yöresel Uygulaması Şehir merkezindeki nokta kaynaklardan (Şeker Fabrikası, Eti Bisküvi Fabrikası, Tülomsaş, Manyezit, Kiremit ve Tuğla Fabrikalan, Sümerbank Basma Fabrikası) en yoğun kirletici potansiyeline sahip olan Eskişehir Şeker Fabrikası'ndan atmosfere deşarj edilen kirleticinin (SO2) dağılımı, kaynak verileri ve yörenin meteorolojik özellikleri gözönüne alınarak, kaynaktan değişik mesafelerde, yakıt türlerine bağlı olarak hesaplanmış ve parametre etkileri araştınlmıştır. Kirletici bileşen derişimleri, Gauss duman (plume) ve üfleme (puff) modelinin esaslannıiçeren Turbo Pascal dilinde yazılmış bir paket program kullanılarak hesaplanmıştır. Yakıt olarak Tunçbilek kömürü + Fuel Oil No:6 yerine doğal gaz kullanımı ile baca gazında oluşabilecek SO2 derişimlerinin 1000 ile 10000 kat arasında düştüğü görülmüştür. 3) Hava Kirliliği ve Meteorolojik/Klimatolojik Parametrelerle İlişkisi 1985-1995 yıllan arasında, Eskişehir il merkezine ait bazı meteorolojik/ klimatolojik parametreler ile SO2 ve partikül madde derişimleri arasındaki istatistiksel ilişkiler TARİST istatistik paket programı ile araştırılmıştır. Geliştirilen çoklu korelasyon denklemlerinde, SO2 ve partikül madde derişimleri bağımlı değişken olarak, meteorolojik parametreler (sıcaklık, basınç, rüzgar hızı, bulut yoğunluğu, nisbi nem, günlük güneş ışınları kalori toplamı, yağış miktarı) ve bir gün önceki derişimler bağımsız değişken olarak seçilmiştir. 1985-1995 yıllarında Ekim-Nisan dönemi günlük ortalama meteorolojik veriler ve bir gün önceki derişimler ile SO2 ve partikül madde derişimleri arasındaki ilişkiyi belirlemek amacıyla yapılan çoklu regresyon analiz sonuçlarına göre, bahsedilen bağımsız parametre değerlerinin SO2 ve partikül madde derişimleri üzerine etkisi, istatistiki bakımından (p<0.01) önemli bulunmuştur. Ayrıca çalışmada, uygulanan PATH istatiksel analiz yöntemiyle SO2 ve partikül madde derişimlerine meteorolojik (klimatolojik) faktörlerin ve bir gün önceki derişimlerin doğrudan ve dolaylı etkileri de araştırılmıştır. 4) Şehir Havasında Isıl Katman Etkilerinin Rüzgar Tünelinde Araştırılması Sınır katmanı ve difüzyon proseslerinde kararlılık parametresi olarak kullanılan Ri sayısının yığın, akı, gradyan ve ortalama değerleri, rüzgar tünelinde (NIES, Tsukuba, Japonya) oluşturulan sınır tabakamn sıcaklık ve rüzgar hızı verileri ölçülerek oluşturulmuş, bu ifadelerden yararlanılarak yüzey pürüzlülüğü ve atmosferik kararlılık durumlarına göre p değeri deneysel olarak tespit edilmiştir. Rüzgar tünelindeki sınır tabaka kalınlığı, düzgün zemin için ö=0.3m (gerçek atmosferde 90m), pürüzlü zemin için ö=0.8m (gerçek atmosferde 240m) olarak alınmıştır. Deneyler sonucu, sıcaklık ve rüzgar hızının artmasıyla p değerinin hem düzgün zemin, hem de pürüzlü zemin için arttığı görülmüştür. ANAHTAR KELİMELER Hava Kalitesi Atmosferik Taşınım ve Difüzyon Meteorolojik Koşullar Matematiksel Modeller Açık Ortam (İmisyon) Ölçümleri ATDLModeli Hava Örnekleri Toplama Gauss (Duman ve Üfleme) Modeli Ölçüm Yöntemleri İstatistiksel Modeller İstatistiksel Analiz Rüzgar Tüneli

VI SUMMARY Main objective of this study had been to control and reduce the air pollution that increases to serious levels in Eskişehir, particularly during winter seasons. Within the frame of this objective and taking the topographical, geographical, meteorological, climatological and demographical properties of the region into account, existing quality of the air had been determined by utilizing various mathematical models, each of was which based on various assumptions, and by conducting relevant measurements. Applied models were calibrated by regional experimental imission data leading to preparation of pollution maps for the region. Results of the study have not only provided the selection of the preventive technology packages having priorities from the energy conservation point of view towards bettering the expected air quality in future, but also have given an opportunity to discuss the applicability of the suggested alternative strategies in practice. Following work had been conducted within the content of this thesis: 1) Application of the simple and modified versions of the ATDL model to the centrum Eskişehir Central region of the city to which the model was applied, had been divided into 6 square grids, each of which having dimensions of 3.5 km by 3.5 km. Concentrations of SO2 and particulate matter discharged from area/point sources of each grid (taking the effective stack height as 50 m) were calculated by simple and modified versions of the model programs which were written in Quick Basic language code, for a ten-year-period of 1985-1995. Applicaton of the models was based on the assumptions that the background concentration is 10 u.g/m3 and the duration of a winter season is 7 months, in Eskişehir. Resulting data of the model, calibrated by the experimental data for the region's ambient air, indicated that limit values, set by the National Air Pollution Prevention Act (Regulation) for SO2 and particulates, were being highly exceeded. Additionally, of all the suggested alternative strategies considered to have priorities, 100 % natural gas and 50% imported coal + 50% natural gas scenarios were found to be the first two giving the lowest combined emissions of SO2 and particulates. However, although the utilization of both the natural gas and imported coal were concluded to be the best alternatives for heating purposes, considering the effects of available and future fuel types on ambient air data, this kind of selection will inavitably invite the economical -and political-dependence on abroad. Therefore, the inital approach to reduce the air pollution prevailing in the country known to be rich in lignite reserves, must be to reduce the sulfur and particulate matter sources of lignites by pretreating (refining) them with suitable methods. 2) Regional Application of Gaussian (Plume and Puff) Model to Atmospheric- Dispersion and -Transport of Pollutants Dispersion of the characteristic pollutant (SO2) discharged from Eskişehir Sugar Factory, being the most potential polluter of all the point sources (Sugar, Eti Biscuit, TÜLOMSAŞ, MAGNESITE, Wall-and Roof-Tile and Brick and SÜMERBANK Textile factories) located within the centrum Eskişehir, was calculated for different fuel types at various distances from the source, taking source data and regional meteorological properties into account, and the effects ofvıı the relevant parameters had been investigated. Concentrations of the pollutant component were calculated by using a package program (software) written in Turbo Pascal language code to cover the Gauss-plume and -puff models' basics. Results showed a 1000-10000 fold decrease in SO2 concentrations likely to be produced when natural gas is used instead of the combination of Tunçbilek coal + Fuel Oil No:6. 3) Air Pollution and Its Relation to Meteorological/Climatological Parameters The statistical relationships between meteorological/climatological parameters and the concentrations of SO2 and particulate matter, for centrum Eskişehir between the years of 1985-1995, were investigated using the statistical software coded TARIST. For the relevant multiple regression equations, SO2 and particulate matter concentrations were chosen as dependent variables while the meteorological parameters (temperature, pressure, wind velocity, cloud density, relative humidity, daily calorific sum of sun-rays and the amount of precipitation, i.e., the rain) and the concentrations for the previous day were the independents. According to the results of the multiple regression analysis, performed to formulate the relationship between the daily mean meteorological data for October-April period of the years 1985-1995 and the previous day concentrations of SO2 and the particulates, the effect of the independent parameters on SO2 and the particulate matter concentrations was statistically important (p<0.01). Direct and indirect effects of the meteorological/climatological factors and the previous-day concentrations on SO2 and particulate matter concentrations were also investigated via the PATH coded statistical analysis method. 4. Wind Tunnel Investigations of Thermal Stratification Effects in Urban Air Bulk, flux, gradient and mean values of the Ri number, used as a stability parameter for boundary layer and diffusion processes, were calculated by measuring the temperature and wind velocity values of the boundary layer induced in a wind tunnel (NIES, Tsukuba, Japan). These expressions were then used to determine the p values, experimentally, for various surface roughnesses and atmospheric stability conditions. Thickness of the boundary layer of the tunnel was taken as 0=0.3 m (90 m in actual real-scale atmosphere) for smooth surfaces and 0=0.8 m (240 m in actual real-scale atmosphere) for rough surfaces, p values were found to increase for both the smooth and rough surfaces with increasing temperature and wind velocity. KEY WORDS Air Quality Atmospheric Transport and Diffusion Meteorological Conditions Mathematical Models Ambient Air (İmisyon) Measurement ATDLModel Air Sampling Gaussian (Plume and Puff) Model Measurement Methods Statistical Models Statistical Analysis Wind Tunnel