ANWENDUNG EINES KOMPLEXEN AUSBREITUNGSMODELLS ZUR BESTIMMUNG VON IMMISSIONS- KENNGRÖßEN IM GEGLIEDERTEN GELÄNDE

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1 ANWENDUNG EINES KOMPLEXEN AUSBREITUNGSMODELLS ZUR BESTIMMUNG VON IMMISSIONS- KENNGRÖßEN IM GEGLIEDERTEN GELÄNDE M. Kerschgens, T. Sperling, F. Steffany Institut für Geophysik und Meteorologie Universität zu Köln Kerpener Str. 13, D Köln EINLEITUNG De gesetzlich vorgeschriebenen Berechnungsverfahren zur Bestiung der atosphärischen Zusatzbelastung von genehigungspflichtigen Anlagen liegt ein Gauß-Fahnenodell zugrunde. Die Berechnungen dienen der Überprüfung, inwieweit bei Betrieb solcher Anlagen gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte eingehalten werden. Bei Beurteilungsgebieten i gegliederten Gelände, bei denen Gaußrechnungen nur eingeschränkt eingesetzt werden können, ist es in der planerischen und beratenden Praxis üblich, it Ausbreitungsodellen zu arbeiten, die eine höherwertige Modellphysik als die des Gauß-Fahnenodelles beinhalten. VERFAHREN Der Beitrag stellt ein alternatives Verfahren zur Durchführung von Ausbreitungsrechnungen i gegliederten Gelände vor. Das Verfahren ist Bestandteil des Prograsystes WiTraK (Windfeld-, Transportund Kliatologie), welches sich aus eine assenkonsistenten Windfeldodell, eine Euler schen Ausbreitungsodell und eine speziellen statistischen Auswertungsverfahren zusaensetzt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß Meßtatistiken in die Erstellung von flächendeckenden Kliatologien it eingehen und soit eine iplizite Kalibrierung der Ergebnisse eröglichen. Der Berechnung der Iissionsstatistik liegt eine Vielzahl von Ausbreitungsrechnungen it unterschiedlichen Anströgeschwindigkeiten, Anströrichtungen und verschiedenen Schichtungsstabilitäten zugrunde. Mit diesen Einzelsiulationen können die in der Atosphäre auftretenden unterschiedlichen eteorologischen Verhältnisse repräsentativ abgedeckt werden. Die für jeden Gitterpunkt und jede Einzelsiulation vorliegenden Werte erlauben soit eine flächendeckende Berechnung der Iissionskenngrößen für das gesate Beurteilungsgebiet. 1

2 b ( x, y ) A (x,y) Verteilung der Ströungszustände g syn b x (, y) Bestiung von g syn A( x, y ) g b( x, y ) = in Bestiung der A (x,y) 288 Ströungssiulationen it de Modell MCF A Abbildungsvorschrift syn g A g = b b x, = b Bestiung von ( y) ( x, y) syn ( x, y) Abbildung 1: Berechnungsverfahren zur Erstellung einer flächendeckenden Windkliatologie aus Bodenwindessungen. Ausbreitungsrechnungen werden in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. /s ERGEBNISSE Vergleichsrechnungen zwischen eine Beurteilungsgebiet einer typischen Mittelgebirgslandschaft it eine hypothetisch flach angenoenen, hoogenen Gelände zeigen schon bei der Windfeldsiulation einen deutlichen Orographieeinfluß. In Abbildung 2 wird erkennbar, daß über den Ausläufern der Mittelgebirge an den Rändern des Beurteilungsgebietes erwartungsgeäß höhere ittlere Windgeschwindigkeiten (rote Bereiche) als i flachen Gelände siuliert werden. In tiefen Tallagen werden, durch Abschattungseffekte hervorgerufen, niedrigere ittlere Windgeschwindigkeiten berechnet, als bei eine flach angenoenen Gelände (blaue Bereiche). Die Einflüsse der durch die Geländestruktur geprägten Windverhältnisse auf die Abbildung 2: Differenzen der berechneten ittleren Windgeschwindigkeit über gegliederte und flach angenoene Gelände. Positive Differenzen (rote Bereiche) kennzeichnen die Regionen, in denen die Windgeschwindigkeiten i gegliederten Gelände höher sind als i flachen. Niedrigere ittlere Geschwindigkeiten als i flachen Gelände sind in den blauen Bereichen zu finden. Hinterlegt sind die Isolinien der Geländehöhe in Meter über NN. 2

3 Für zwei verschiedene Quellkonfigurationen wird eine Vergleichsrechnung zwischen den Ergebnissen des oben genannten koplexen Verfahrens (Witrak) und denen eines Gauß-Fahnenodell gezeigt. [s/3] [s/3] 1E+000 Daten Abbildung 4: Mit de koplexen Verfahren (Witrak) berechnete Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 19 Höhe über Grund (niedrige Quelle). Abbildung 3: Mit eine Gauß-Fahnenodell berechnete Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 19 Höhe über Grund (niedrige Quelle). Der Vergleich zwischen den it de Gauß-Fahnenodell berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren (Abbildung 3) und den it de koplexen Verfahren (Witrak) berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren (Abbildung 4) für die niedrige Quelle zeigt eine qualitativ gute Übereinstiung. Lediglich i Nahbereich der Quelle stellen sich bei den Witrak-Rechnungen leicht höhere Konzentrationen ein. Eine quantitative Darstellung der Differenzen zeigt Abbildung 5. 3

4 Daten Es ist zu erkennen, daß i Bereich des flachen Geländeabschnittes die it Witrak berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren ca. u einen Faktor 2 höher sind als die it de Gauß-Fahnenodell berechneten Werte (orange Bereiche). I Bereich der uliegenden, windexponierten Mittelgebirgsausläufer werden it de Witrak-Ausbreitungsodell geringere Langzeitausbreitungsfaktoren berechnet. Diese Gebiete sind in Abbildung 5 durch blaue Bereiche gekennzeichnet Abbildung 5: Faktor zwischen den it de Gauß-Fahnenodell berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren und den it Witrak berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 19 Höhe über Grund (niedrige Quelle). Faktor 1 kennzeichnet die Gebiete, in denen Abweichungen der Langzeitausbreitungsfaktoren zwischen den Gauß- und Witrak-Rechnungen auftreten. Faktoren kleiner 1 kennzeichnen Regionen, in denen bei der Witrak-Rechnung geringere Langzeitausbreitungsfaktoren als bei den Gauß- Rechnungen berechnet werden. Deentsprechend werden durch Faktoren größer 1 die Gebiete ausgewiesen, in denen bei der Witrak-Rechnung höhere Langzeitausbreitungsfaktoren als bei den Gauß-Rechnungen resultieren. [s/3] 1E+000 Daten Abbildung 6: Mit eine Gauß-Fahnenodell berechnete Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 127,5 Höhe über Grund (hohe Quelle). 4

5 [s/3] Abbildung 7: Mit de koplexen Verfahren (Witrak) berechnete Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 127,5 Höhe über Grund (hohe Quelle). heru (Abbildung 7). Bei einer Quellhöhe von ist ein konzentrisch u den Quellpunkt liegendes Maxiu typisch und plausibel. Grundsätzlich sind die Maxialwerte der Langzeitausbreitungsfaktoren von gleicher Größenordnung, koen jedoch an unterschiedlichen Geländepunkten i Beurteilungsgebiet zu liegen. In der Faktordarstellung in Abbildung 8 wird dieser Zusaenhang deutlich. In Quellnähe werden vo koplexen Ausbreitungsodell Witrak geringere Werte der Langzeitausbreitungsfaktoren berechnet, was durch Faktorwerte kleiner 1 sichtbar wird. Die höheren Werte des Langzeitausbreitungsfaktors in der weiteren Entfernung u die Quelle spiegeln die Verschiebung der Maxialwerte (von der Quelle weg) bei koplexeren Modell wider. Für die hohe Quelle it 127,5 Eissionshöhe ergeben sich geringfügig größere Abweichungen zwischen den it de Gauß- Modell und den it Witrak berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren als bei der niedrigen Quellkonfiguration. Bei den it de Gauß-Modell berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren liegt das Maxiu in unittelbarer Nähe der Quelle (Abbildung 6). Bei den it Witrak berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren liegt das Maxiu konzentrisch in eine Radius von 3 bis 4 k u den Quellpunkt 5

6 Daten Abbildung 8: Faktor zwischen den it de Gauß-Fahnenodell berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren und den it Witrak berechneten Langzeitausbreitungsfaktoren für eine Quelle in 127,5 Höhe über Grund (hohe Quelle). Das i Südsüdwest-Sektor der Quelle auftretende lokale Maxiu weist auf einen Orographieeinfluß bei der Ausbreitungsberechnung it de koplexeren Modell Witrak hin, der bei der Berechnung it de Gauß-Fahnenodell nicht berücksichtigt wird. ZUSAMMENFASSUNG Der Vergleich der beiden Verfahren zur Bestiung der statistischen Iissionskenngrößen zeigt, daß bei geringen Quellhöhen i flachen Geländebereich die berechneten Ausbreitungsfaktoren qualitativ und quantitativ vergleichbar sind. Bei den Berechnungen it der höheren Quellkonfiguration zeigen sich auch i flachen Geländebereich systeatische Abweichungen der verschiedenen Berechnungsethoden. Bei den Gauß-Rechnungen treten die Konzentrationsaxia trotz einer Quellhöhe 127,5 Metern in unittelbarere Nähe der Quelle auf, während bei den Berechnungen it de koplexen Ausbreitungsodell die Maxia konzentrisch in eine Radius von 3-4 K u den Quellpunkt zu liegen koen. Eine Verschiebung der axialen Konzentrationswerte vo Quellpunkt erscheint bei der zugrundeliegenden Quellhöhe von 127,5 Metern erheblich plausibler. Zude können Geländeerhebungen in Quellnähe bei Gauß-Modell zu erheblichen Fehlabschätzungen der berechneten Konzentrationen führen. Das in den Witrak-Rechnungen erfaßte lokale, orographiebedingte Konzentrationsaxiu i SW-Sektor der Quelle (siehe Abbildung 7) weist auf diesen Zusaenhang hin. Die Ergebnisse der gezeigten Vergleichsrechnung dokuentieren, daß i gegliederten Gelände eine höhere Planungssicherheit erreicht werden kann, wenn die it eine Gauß-Modell durchgeführten Ausbreitungsrechnungen it eine koplexen Ausbreitungsodell überprüft werden. 6