Kullanılan Modelleme Programlarının Değerlendirilmesi

Yapılan çalışma sonucunda elde edilen sonuçlar incelendiğinde, AERMOD, ISCST- 3 ve CALPUFF VIEW modelleme programları ile elde edilen dağılım haritaları birbirlerine benzemesine rağmen, programlar birbirlerinden farklı sonuçlar vermiştir (Tablo 3.2-3.22). Detaylı bir inceleme yapıldığında bazen AERMOD programının bazen ISCST-3 programının bazen de CALPUFF VIEW programının yüksek hesapladığı anlaşılmıştır. Bunun nedeni olabilecek yorumlar literatür araştırması ile desteklenerek aşağıda özetlenmiştir.

AERMOD’un ISCST-3’den farklı hesaplaması durumu şu şekilde açıklanabilir: Đletimsel durumlarda, dumanın merkezi karışımın üzerinde olduğu zaman, ISCST-3 programı yer seviyesindeki konsantrasyonu sıfır olarak kabul etmektedir. Ancak AERMOD üç duman bileşenini göz önünde bulundurmaktadır: Direk duman; dumanın yer seviyesine doğru adveksiyonu, dolaylı duman; duman yükselmekte ancak tekrar yere doğru yönelmektedir, duman karışım yüksekliğine doğru nüfuz eder ve durgun olan katmanda yavaşça dağılır. AERMOD programı dumanın yayılmasında potansiyel olarak tahmin edilemeyecek olan koşulları ISCST-3 programı gibi hesaplamaz ve o koşullardaki hesaplamaları es geçer. Bu durum duman dağılımında “ya hepsi ya da hiçbiri” koşuludur. Ayrıca AERMOD ISCST-3’e nazaran konvektif akımları kullanmaktadır. Bu durum da AERDMOD programının ISCST-3 e göre daha yüksek tahminler hesaplamasına yol açmaktadır.

Dahası, AERMOD tarafından oluşturulan kirlilik haritalarında, kirleticilerin ISCST- 3’e göre daha uzağa taşındıkları görülmektedir. ISCST-3 kararlı koşullarda baca

170

üzerindeki rüzgar hızını ve dikey sıcaklık gradyanını içinde barındıran Briggs eşitliğini kullanmaktadır. Ancak AERMOD bu eşitliği kararlı hallerde duman yüksekliğinin yarısında ve baca üzerindeki sıcaklık ve rüzgar gradyanında kullanmaktadır. Duman yükselmesi rastgele konvektif hızlarda birbirlerinin üzerine konmaktadır. AERMOD baca üzerindeki sıcaklık ve rüzgar hızı değişimlerini yüksek meteoroloji istasyonlarından alınan verileri hesaba katarak işlemektedir. Böylece gerçek rüzgar hızları ve sıcaklık verileri kullanılmaktadır. Ancak ISCST-3 programı rüzgar hızı ve sıcaklık verilerinin 10 m’de ölçülmüş değerlerini kullanmakta ve bu değerleri Holland formülü ile hesaplamaktadır. Bu nedenle bu veriler gerçek değerleri yansıtmamaktadır [66, 76, 91, 103,].

AERMOD ve ISCST-3 modellerinde elde edilen kirletici konsantrasyonları, atmosferik kararlılığa da bağlıdır. Perry ve arkadaşlarının (2005) 17 alan verilerini kullanarak yaptığı çalışmada, atmosferik koşulların kararlı olduğu durumlarda AERMOD programının performansının ISCST-3 programından daha iyi olduğu belirtilmiştir. Çalışmada SO2 ve SF6 kirleticilerinin konsantrasyonlarını AERMOD,

ISCST-3, HPDM, RTDM, CTDMPLUS modelleme programları ile modellemiş ve yapılan ölçümlerle karşılaştırmışlardır. Çalışmada tüm kaynaklar noktasal kaynak şeklinde olup, ayrıca düz ve karmaşık arazi yapısı, kentsel ve kırsal koşullar, yüksek ve yer seviyesindeki kaynaklar ve bina etkileri hesaplanmıştır [86].

ISCST-3 programı yatay ve dikey Gaussian dağılım formülünü kullanmaktadır. Ancak AERMOD hem kararlı haller için yatay ve dikey dağılımlarda Gaussian formülünü kullanmakta, hem de kararsız durumlarda dikey dağılımlarda Gaussian olmayan eşitliği kullanmaktadır. AERMOD’un kararsız durumlardaki dikey dağılımlarda Gaussian olmayan eşitliği kullanması daha gerçekçi bir tahmine neden olmaktadır [91].

ISCST-3 programının diğer eksiklikleri ise, yapılardan kaynaklanan türbülans etkisini zayıf şekilde karakterize etmesi ayrıca yüzey yapılarından meydana gelen etkileri ve kimyasal dönüşüm hesaplarını yetersiz yapmasıdır. Bu da tahmin sonuçlarını etkilemektedir. Basit yüzey yapısı denilince, alıcı noktalarının herhangi bir emisyon kaynağından alçakta olan araziler kastedilmektedir. Orta düzey arazilerde alıcı noktaları emisyon kaynağından yüksektedir ancak dağılan dumanın

171

merkezinden aşağıda bulunmaktadır. Karmaşık yüzey yapısı ise alıcı noktaları yukarıda sayılan noktalardan daha yüksekte bulunan arazilere verilen addır. AERMOD programı bu adı geçen yüzey yapılarında hesaplama yapabilmesi için geliştirilmiştir. Ayrıca EPA AERMOD programını, sınır katmanı parametrelerini, konvektif dağılımlarını, duman yükselmesi formülasyonlarını ve karmaşık yüzey yapısını daha iyi hesaplayabilen gelişmiş bir program olarak tanımlamıştır [103].

AERMOD ve ISCST-3 modellerinde elde edilen kirletici konsantrasyonları, aynı zamanda güneş radyasyonuna da bağlı olmaktadır. AERMOD programının kullandığı aşağı akım konsantrasyonundaki güneş radyasyonunun etkisi ISCST-3 programı ile elde edilenden farklıdır. Botlaguduru tarafından yapılan çalışmanın sonuçları incelendiğinde, modeller arasında lineer bir ilişki görülmektedir. Sonuçlar göstermektedir ki, güneş radyasyonunun yokluğunda AERMOD ile elde edilen tahminler ISCST-3 ile elde edilen tahminlerden %55 daha fazladır. Đletimsel ve nötral atmosfer koşullarında AERMOD programının performansı kabul edilebilir sınırlar içerisindedir. Ancak aynı durum kararlı atmosfer koşulları içerisinde söylenemez. Gece saatlerinde (sıfır güneş radyasyonu) AERMOD’un konsantrasyon tahminleri daha yüksektir. Bu durum gece saatleri boyunca yapılan tahminlerde uyumsuzluk olabileceğini göstermektedir. Long ve diğerleri tarafından 2004 yılında yapılan bir çalışmada ise yukarıdaki durumdan farklı olarak AERMOD programının

ISCST-3 programından önemli derecede düşük tahminlerde bulunduğu

belirlenmiştir. Bu durumun nedeni AERMOD programının, ancak güneş radyasyonu ve yüzey pürüzlülüğünün olduğu durumlarda daha hassas sonuçlar verdiği şeklinde açıklanmıştır [79].

Bir diğer faktör; kaynak tipi, arazi yapısı ve zaman seçeneği olabilmektedir. Hanna (2000) ve arkadaşlarının düz ve çalılık bir alanda yaptığı bir çalışma ile, alan kaynaktan yayılan kirletici emisyonlarının kaynak yakınlarında yapılan dağılım hesaplamalarında AERMOD programının zorlandığı anlaşılmıştır [79]. Paine ve arkadaşları (1998) tarafından yapılan değerlendirmede birçok nokta kaynaktan yayılan kirleticilerin dağılımı AERMOD tarafından modellenmiştir. AERMOD programında karmaşık arazi yapısı algoritmaları kullanılmıştır. Tahmin sonuçlarının ölçülen değerlerden düşük çıktığı görülmüştür. Ancak tüm ortalama zaman seçenekleri için yapılan çalışmalarda AERMOD programının performansı ISCST-3

172

programından daha iyi olduğu anlaşılmıştır. Sonuçlara göre AERMOD’un teknik formülasyonun ISCST-3 performans değerlendirmesinden daha iyi olduğu anlaşılmıştır. EPA (2002) tarafından yapılan bir araştırmada ise: Tek baca dağılımı için AERMOD değerlendirmesi yapılmıştır. AERMOD analizinde iki farklı arazi kullanım seçeneği (kırsal, kentsel), üç tip kaynak (nokta, hacim ve alan) ve üç farklı arazi seçeneği (düz, basit ve karmaşık) kullanılmıştır. Sonuçlara göre AERMOD programının diğer programlara göre daha iyi sonuç verdiği anlaşılmıştır. Ramakrishan (2001); AERMOD, AERMOD-PRIME, ISC-3 VE ISC-PRIME programlarının kısa zaman (1 ve 3 saat) ve uzun zaman seçeneklerinde yapılan modelleme sonuçlarını karşılaştırmıştır. Uzun zaman ve karmaşık arazi seçeneklerinde AERMOD ve AERMOD-PRIME sonuçlarının ISC ve ISC-PRIME sonuçlarına göre daha düşük olduğunu belirtmiştir. Ayrıca kısa zaman seçeneklerinde arazi kullanım seçeneklerine göre AERMOD ve AERMOD-PRIME sonuçlarının diğer programlara göre ya daha düşük ya da daha yüksek sonuçlar meydana getirdiğine değinmiştir [102]. Yapılan bir başka çalışmada, noktasal kaynaklardan meydana gelen emisyonların modellemesinde ISC tarafından elde edilen sonuçların AERMOD tahminlerinden daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu durum özellikle 1 saatlik ve 24 saatlik zaman seçeneğinde meydana gelmekte ve her iki programın karşılaştırılmasında önemli bir noktayı oluşturmaktadır. Yıllık zaman seçeneğinde ise her iki programın tahminleri birbirlerine uyumlu sonuçlar vermektedir. 1 ve 24 saatlik zaman seçeneklerinde yapılan tahmin hesaplamalarında hep artış gözlenmekte ve ISC programı ile elde edilen konsantrasyonların devamlı olarak AERMOD ile tahmin edilen konsantrasyonlara göre daha yüksek oldukları anlaşılmaktadır. Alansal kaynak modelleme sonuçlarına bakıldığında noktasal kaynak modellemesine benzer sonuçların çıktığı görülmektedir. Bu sonuçlarda da bir kez daha ISCST-3 modelinin AERMOD modelinden özellikle saatlik ve günlük zaman seçeneklerinde daha yüksek hesapladığı bulunmuştur. Bu durum da model karşılaştırmalarının temelini oluşturmaktadır. Yıllık zaman seçeneğinde elde edilen tahmin sonuçlarında ise her iki programın da birbirleri ile yakın değerler buldukları görülmektedir [76]. Lafoon ve arkadaşları 2004 yılında AERMOD ve ISC programlarının davranışlarını karşılaştırmış ve düşük/yüksek tahmin sonuçlarından kaçınılması için yüzey pürüzlülüğü, arazi karakterizasyonu ile arazi kullanımı parametrelerinin hazırlanmasını önermişlerdir [102].

173

Bir diğer modelleme programı olan CALPUFF programı AERMOD ve ISCST-3 ile karşılaştırıldığında, daha avantajlı olduğu görülmüş ve yapılan çalışmalar ile de desteklenmiştir. Programın avantajlarından biri; CALMET/CALPUFF gözlemsel rüzgar verileri ve CALMET’deki hassas ölçekli arazi yapısı ile geliştirilmiştir. Karmaşık arazilerin olduğu bölgelerde gözlemsel veriler sıklıkla sınırlanmaktadır. Arazinin karmaşıklığından ötürü rüzgar akımları anemometreden itibaren birkaç yüz metre mesafede farklı davranışlar sergilemektedir. Arazinin rüzgar akımı üzerindeki bu etkisi modelin konsantrasyon tahmini üzerinde önemli etkide bulunmaktadır. CALMET, çoklu meteorolojik istasyonlardan alınan verileri işleyebilmekte ve karışım yüksekliğini, sınır katmanı mekanizmasını örnekleyebilmektedir. Oysa ISC-3 ve AERMOD gibi kararlı hal modellemeleri tek bir konumdaki rüzgara dayanan düz eğimli duman dağılımı üretebilmektedir. Kararsız hal yapısındaki CALPUFF programı ise arazi yapısının özelliklerine göre duman eğimini yeniden düzenlemekte veya saptırmaktadır. CALPUFF kullanmanın bir diğer avantajı ise Gauss duman modeline karşıt olmasıdır. Bu da hava koşullarının sakin olduğu durumlarda dağılımı hesaplamasına izin vermektedir. Bu da tahmin sonuçlarının güvenilirliğini arttırmaktadır [92, 104]. Yapılan bir çalışmanın sonuçlarına göre; ISCST-3, ISC- PRIME ve AERMOD dağılım modelleri performans olarak birbirlerine benzer sonuçlar vermiş; ancak yapılan konsantrasyon ölçümleri ile karşılaştırıldıklarında düşük tahminler hesaplanmıştır. CALPUFF modelleme sisteminde ise ölçüm ve tahmin sonuçları birbirlerine daha yakın olarak bulunmuştur [102].

CALPUFF kullanmanın avantajlarından bir diğeri, Abdul-Wahab ve arkadaşları (2011) tarafından yapılan çalışma ile de ortaya konmuştur. Çalışmada, CALPUFF modelleme sistemi ile ISCST-3 modelleme sistemi karşılaştırılmış ve şu sonuca varılmıştır: CALPUFF programı ISCST-3 programına göre daha iyidir. ISCST-3, AERMOD ve HYSPLIT gibi birçok alışılmış duman dağılım modelleri, kıyısal alanlarda, yer seviyesi konsantrasyonlarının tahminlerini kesin bir hassasiyetle yapamamaktadırlar. Diğer taraftan CALPUFF modelleme sistemi, tüm bu kararlı hal Gauss modelleme sistemlerine göre daha fazla avantajlara ve modelleme tekniklerine sahiptir. Ancak yapılan bu çalışmada ölçülen ve tahmin edilen SO2

konsantrasyonlarında farklar görülmüştür. Bu farklılıkların, yüksek çözünürlüklü arazi yükselti verileri ve yöreye özgü meteorolojik verilerin kullanılarak

174

azaltılabileceği belirtilmiştir. Karmaşık arazinin neden olabileceği karmaşık akım durumları, kıyısal alanlar, ters akımlar, resirkülasyon durumları önemlidir. Tüm bu durumlar CALPUFF modelleme sistemi ile ilişkilendirilebilir. Bunun yanında kara ve deniz arasındaki etkileşimlerin de tahmin sonuçları üzerinde önemli etkilere sahip olduğuna değinilmiştir. Tuaychaoen ve arkadaşları (2008) tarafından yapılan çalışmada da, modelleme alanı dağ ve deniz arasında kaldığından Tayland’da bulunan enerji santralinden meydana gelen NOx emisyonlarının modellenmesinde

kararsız hal CALPUFF programı kullanılmıştır. Çünkü böyle bir hesap için ISCST-3 ve AERMOD gibi alışılmış kararlı hal Gauss modelleme sistemlerinin uygun olmadığını düşünmüşlerdir [105].

CALPUFF’un bir diğer avantajı, CALPUFF modelinin geniş su kütlelerinin kirlilik dağılımı üzerindeki etkilerini hesaplayabilmesidir. Bu durum Fisher ve arkadaşları (2003) tarafından yapılan çalışma ile de desteklenmiştir. Çalışmada petrol rafinerisinden meydana gelen SO2 konsantrasyonlarını ISC, AERMOD ve

CALPUFF modelleme sistemleri ile değerlendirmişlerdir. Elde ettikleri sonuçlara göre CALPUFF modelleme sisteminin daha gerçekçi olduğunu belirtmişlerdir. Bu çalışmada elde edilen diğer bir sonuç ise geniş su kütlelerinin kirlilik dağılımı üzerinde önemli etkisinin olduğu ve CALPUFF modelinin bu etkileri hesaplayabildiğidir [105]. Aynı şekilde Persons (2004)’de de, Kanada’da kıyısal bölgede SO2 ve TSP konsantrasyonlarının CALPUFF ile tahmininin yapıldığı

çalışmada da CALPUFF modelinin geniş su kütlelerinin kirletici dağılımı üzerindeki etkilerini hesaplamada başarılı olduğu belirtilmiştir [105].

Bütün bu avantajları yanında programın sahip olduğu dezavantajları ise, CALPUFF dağılım modelinin daha fazla veri girişi ve bilgisayar hesaplama zamanına ihtiyaç duyması [102] ve çizgisel kaynak modellemesinin biraz zor olmasıdır. Çizgisel kaynakların modellenmesi, diğer kaynakların modellenmesinden biraz daha zor ve karmaşıktır. ISCST-3 ve AERMOD programlarının el kitabında çizgisel kaynakların bir seri hacimsel kaynaktan oluştuğu belirtilmiştir. Bilgisayarlar çizgisel kaynakların uzunlukları arttıkça hesaplama yapmakta zorlanmaktadırlar. Bunun nedeni çizgisel kaynakların birçok bölüme ayrılmış olmasıdır. Bunun yanında ISCST-3 el kitabı, çizgi kaynakları alan kaynak olarak modellerken kaynağın uzunluk~genişlik oranının 1/10’u aşmamasını önermiştir. Bu kaynaklar hacimsel kaynak olarak ele alınırsa

175

model programlarının çalıştırılmasında bilgisayarlar zorlanabilmektedir [106]. CALPUFF programı ise “Yüzen Çizgi Kaynak Algoritması (Buoyant Line Source Algorithm)” kullanmaktadır. Model tasarımcıları, bu kaynak türünü, örneğin çatısının tamamı havalandırma olan kaynaklardan meydana gelen emisyonlar için tasarlamışlardır. Ayrıca tasarımcılar trafik kaynaklı emisyonların modellenebilmesi için alansal veya hacimsel kaynakların kullanılmasını tavsiye etmektedirler [92].