Kemikaalionnettomuuksien seurausten arviointi

Suomessa valmistetaan, varastoidaan, kuljetetaan ja käytetään vuosittain huomattavia määriä myrkyllisiä ja syttyviä kemikaaleja. Mahdollisten kemiallisten onnettomuuksien seurauksia voidaan arvioida Ilmatieteen laitoksessa kehitetyllä ESCAPE-mallilla.

Myrkyllisten tai syttyvien kaasujen onnettomuuksissa saattaa aiheutua merkittävää vaaraa ihmisten terveydelle ja ympäristölle, joissakin tapauksissa kaukanakin päästöpaikalta. Vaarallisia kemikaaleja voi potentiaalisesti vapautua ympäristöön esimerkiksi tuotantoprosessin tai aineiden kuljetuksen virheen, teollisuus- tai kuljetusonnettomuuden, tai terrorismin seurauksena. Seurausanalyysimallit ovat hyödyllisiä apuvälineitä arvioitaessa vaarallisten aineiden onnettomuuksien päästömääriä ja aiheutuvia vaaroja. Menetelmiä voidaan soveltaa esimerkiksi hätätilanteiden suunnittelussa, varauduttaessa kemikaalionnettomuuksiin ja teollisuuslaitosten turvallisuusanalyyseissä.

ESCAPE-mallia voidaan käyttää onnettomuuksien seurausten analysointiin

Ilmatieteen laitoksessa on kehitetty laskentamalli ESCAPE (Expert System for Consequence Analysis and Preparing for Emergencies) kemikaalionnettomuuksissa vapautuvien vaarallisten aineiden leviämisen ja kulkeutumisen arvioimiseksi ilmakehässä. Mallin luotettavuutta on arvioitu vertaamalla sen tuottamia ennusteita koetuloksista saatuihin havaintoihin. Mallin matemaattisen rakenteen ja arvioinnin ovat kuvanneet Kukkonen ym. (2017).

Mallin avulla voidaan arvioida tärkeimpien myrkyllisten tai syttyvien aineiden jatkuvien tai nopeasti tapahtuvien hetkellisten päästöjen leviäminen ilmakehässä. Ohjelma määrittää aineiden päästömäärät, onnettomuustilanteen alkuvaiheen leviämisen eli ns. lähdetermien muodostumisen sekä kulkeutumisen ja hajaantumisen ilmakehässä. Laskelmien tuloksena saadaan mm. tarkastellun aineen pitoisuusjakauma lähellä maanpintatasoa. Esimerkkikuvassa vuoto kuljetussäiliöstä aiheuttaa korkeita klooripitoisuuksia Helsingin alueella oletetussa onnettomuus- ja säätilanteessa.

Karttakuva kemikaalipilven leviämisestä
Oletetun kuljetussäiliön rikkoutumisen seurauksena Helsingin alueella syntyvän klooripilven ennustetut ilmapitoisuudet lähellä maanpintaa (kartta © Maanmittauslaitos). Onnettomuuspaikka on merkitty karttakuvaan punaisella tähdellä. Ennuste on laskettu ESCAPE-mallilla.

Operatiivinen ESCAPE-malli pelastustoimen tueksi

ESCAPE-mallista on kehitetty verkkoselainpohjainen sovellus maamme pelastusviranomaisten tarpeisiin. Ohjelmistolla on mahdollista luoda nopeasti luotettava arvio vaara-alueen laajuudesta ja luonteesta.

Sovellus mahdollistaa numeeristen säämallien ennusteen tosiaikaisen käytön. Sääaineistojen tosiaikainen ja automaattinen hyödyntäminen nopeuttaa käyttöä ja vähentää inhimillisten virheiden mahdollisuutta tuottaen luotettavampia ja tarkempia ennusteita. Ohjelmiston käyttäjän tulee määritellä ainoastaan seuraavat päästöön liittyvät tiedot: päästöpaikka, päästön alkamisajankohta, onnettomuustyyppi, päästöaine sekä muut onnettomuustyyppikohtaiset tiedot.

Rajoituksia mallin käytössä

Malli ei sovellu esimerkiksi metsä- tai varastopalojen seurauksena syntyvien kaasupilvien leviämisen arvioimiseen. Tulipaloissa syntyvien savukaasujen ja hiukkasten leviämistä voidaan arvioida Ilmatieteen laitoksessa kehitetyllä BUOYANT-mallilla. ESCAPE-mallilla ei myöskään voida arvioida yksityiskohtaisesti maastonmuotojen ja esteiden vaikutusta leviämiseen. Operatiivinen malliversio ei myöskään sovellu ajallisesti muuttuvien päästöjen leviämisen arviointiin.

Mallin arviointi ja todentaminen

ESCAPE-ohjelmalle on suoritettu tieteellinen arviointi mm. EU:n rahoittamassa projektissa SMEDIS (Scientific Model Evaluation of Dense Gas Dispersion Models), jossa oli mukana useita eurooppalaisia raskaiden kaasupilvien leviämismalleja. Lisäksi vertailussa kuuden kenttäkokeen aineistoon sekä kaupunkialuetta jäljittelevään tuulitunnelikokeeseen, mallin todettiin vastaavan mittaustuloksia suhteellisen hyvin tai erinomaisesti.

ESCAPE-mallin ja 16:n muun kansainvälisesti laajalti käytössä olevan kemikaalionnettomuuksia arvioivan mallin tuottamia ennusteita on myös vertailtu laajamittaiseen kokeelliseen aineistoon. Koesarja toteutettiin Yhdysvalloissa vuosina 2015 ja 2016 (ns. Jack Rabbit II -kenttäkokeet). ESCAPE-malli suoriutui erinomaisesti (Mazzola et al., 2021). Mallin tuottamat ennusteet olivat erinomaisesti yhtäpitäviä useissa eri kenttäkokeissa mitattujen arvojen kanssa.

Kirjallisuutta

Carissimo, B., Jagger, S.F., Daish, N.C., Halford, A., Selmer-Olsen, S., Riikonen, K., Perroux, J.M., Würtz, J., Bartzis, J., Duijm, N.J., Ham, K., Schatzmann, M. and Hall, D.-R., 2001. The SMEDIS database and validation exercise. Int. J. Environ. Pollut. 16, pp. 614-629, doi:10.1504/IJEP.2001.000654.

Kukkonen, J. 1990. Modelling source terms for the atmospheric dispersion of hazardous substances, Commentationes Physico-Mathematicae 115, Dissertationes No. 34, The Finnish Society of Sciences and Letters, Helsinki, 111 p. + app.

Kukkonen, J., 2016. ESCAPE sai parannetun mallin. Pelastustieto 8-2016, pp. 36-39.

Kukkonen, J., Nikmo, J. and Riikonen, K., 2017. An improved version of the consequence analysis model for chemical emergencies, ESCAPE. Atmos. Environ. 150, pp. 198-209, doi:10.1016/j.atmosenv.2016.11.050.

Kukkonen, J. ja Savolainen, A.L., 1988a. Myrkyllisten kaasujen päästöt ja leviäminen onnettomuustilanteissa. Raportteja no 1987:3, Ilmatieteen laitos, Helsinki, 172 s.

Kukkonen, J. ja Savolainen, A.L., 1988b. Vaarallisten aineiden leviämisen arviointi onnettomuustilanteissa. Ilmansuojelun julkaisuja No. 4, Ilmatieteen laitos, Helsinki, 112 s.

Lautkaski, R., Kukkonen, J. ja Larnimaa, K., 1991. Kemikaalionnettomuuksien seurausten arviointi. VTT Tiedotteita 1305, Valtion teknillinen tutkimuskeskus, Espoo, 116 s. + 32 liittes.

Mazzola, T., Hanna, S., Chang, J., Bradley, S., Meris, R., Simpson, S., Miner, S., Gant, S., Weil, J., Harper, M., Nikmo, J., Kukkonen, J., Lacome, J.-M., Nibart, M., Björnham, O., Khajehnajafi, S., Habib, K., Armand, P., Bauer, T., Fabbri, L., Spicer, T. and Ek, N., 2021. Results of comparisons of the predictions of 17 dense gas dispersion models with observations from the Jack Rabbit II chlorine field experiment. Atmos. Environ. 244, 117887, doi:10.1016/j.atmosenv.2020.117887.

Nikmo, J. ja Kukkonen, J., 1990. Paikallisten tekijöiden vaikutus vaarallisten aineiden leviämiseen. TTK-julkaisu 1-90, Teknillinen tarkastuskeskus, Helsinki, 73 s.

Nikmo, J. ja Kukkonen, J., 1991. Maastonmuotojen vaikutus kaasupilvien leviämiseen. TTK-julkaisu 3-1991, Teknillinen tarkastuskeskus, Helsinki, 37 s.

Nikmo, J., Kukkonen, J. and Riikonen, K., 2002. A model for evaluating physico-chemical substance properties required by consequence analysis models. J. Hazard. Mater. A91, pp. 43-61, doi:10.1016/S0304-3894(01)00379-X.

Riikonen, K., Kukkonen, J., Nikmo, J. ja Savolainen A.L., 1991. Helppokäyttöinen laskentaohjelmisto vaarallisten aineiden onnettomuuksien seurauksien arvioimiseksi. Ilmansuojelun julkaisuja No. 9, Ilmatieteen laitos, Helsinki, 40 s.

Riikonen, K., Kukkonen, J., Nikmo, J. ja Savolainen, A.L., 1992. Laskentaohjelmisto kemikaalionnettomuuksien seurausten arvioimiseksi. Ilmansuojelun julkaisuja No. 13. Ilmatieteen laitos, Helsinki, 33 s.

Riikonen, K., Nikmo, J. and Kukkonen, J., 1999. The extension of a consequence analysis model to include liquid pool vaporisation. Finnish Meteorological Institute, Publications on Air Quality 29. Helsinki, 22 p.

Riikonen, K., Nikmo, J. and Kukkonen, J., 2002. The extension of a consequence analysis modelling system to allow for continuous vapour release, gas cloud explosion and plume rise. Finnish Meteorological Institute, Publications on Air Quality 32. Helsinki, 40 p.

Webber, D.M., Jones, S.J., Tickle, G.A. and Wren, T., 1992a. A model of a dispersing dense gas cloud, and the computer implementation D*R*I*F*T: I. Near-instantaneous releases. AEA Report SRD/HSE R586, 89 p.

Webber, D.M., Jones, S.J., Tickle, G.A. and Wren, T., 1992b. A model of a dispersing dense gas cloud, and the computer implementation D*R*I*F*T: II. Steady continuous releases. AEA Report SRD/HSE R587, 101 p.