Pölyn leviäminen kaivosalueelta

Tämä sivu on tietokide alatyypiltään metodi. Sivutunniste: Op_fi3399
Moderaattori:Jouni (katso kaikki) Sivun edistyminen: Täysluonnos. Arvostuksen määrää ei ole arvioitu (ks. peer review).
Lisää dataa {{#opasnet_base_link:Op_fi3399}}

Kysymys

Miten pitäisi arvioida kaivosalueelta ilmaan pääsevän pölyn leviämistä ympäristöön?

Vastaus

Ohjeita leviämismallin käyttöön: op_en:OpasnetUtils/GIS.

+ Näytä koodi - Piilota koodi

library(OpasnetUtils)
library(xtable)
library(ggplot2)
library(OpasnetUtilsExt)
library(rgdal)
library(maptools)
library(RColorBrewer)
library(classInt)
library(raster)

Pitoisuus <- GIS.Concentration.matrix(päästö, LO, LA, N = 1)

Altistus <- GIS.Exposure(Pitoisuus, LO, LA)

print(xtable(head(Pitoisuus@output)), type = 'html')

print(xtable(head(Altistus@output)), type = 'html')

# Graph settings?

par(mfrow=c(6,1), mar=c(3,1,0,1), cex=1.5)

colorstrip <- function(colors, labels) {
	count <- length(colors)
	m <- matrix(1:count, count, 1)
	image(m, col=colors, ylab="", axes=FALSE)
	axis(1,approx(c(0, 1), n=length(labels))$y, labels)
}

# Draw a concentration map.

cat("Esimerkki yhden päästöpisteen aiheuttamasta pitoisuuskentästä.\n")

temp <- Pitoisuus # EvalOutput(Pitoisuus, N = 1)

temp2 <- gsub("\\(", "", temp@output$LObin)
temp2 <- gsub("\\]", "", temp2)
temp2 <- strsplit(temp2, ",")

temp3 <- c()

for(i in 1:length(temp2)) {
	a <- as.numeric(temp2[[i]][1])
	b <- as.numeric(temp2[[i]][2])
	temp3[i] <- ((a + b) / 2)
}

temp@output$LO <- temp3

temp2 <- gsub("\\(", "", temp@output$LAbin)
temp2 <- gsub("\\]", "", temp2)

temp2 <- strsplit(temp2, ",")

temp3 <- c()

for(i in 1:length(temp2)) {
	a <- as.numeric(temp2[[i]][1])
	b <- as.numeric(temp2[[i]][2])
	temp3[i] <- ((a + b) / 2)
}

temp@output$LA <- temp3

#print(temp)

data <- data.frame(LO=temp@output$LO, LA=temp@output$LA, concentration=temp@output$PitoisuusResult)

data$truncated_concentration <- ifelse(data$concentration > 1, 1, data$concentration)
data$log_concentration <- (log10(data$concentration) - log10(0.001)) / 4


# Plot the data
coordinates(data)=c("LO","LA")
proj4string(data)<-("+init=epsg:4326")
epsg4326String <- CRS("+proj=longlat +ellps=WGS84 +datum=WGS84 +no_defs")
shp<-spTransform(data,epsg4326String)

#Create blank raster
rast<-raster()

#Set raster extent to that of point data
extent(rast)<-extent(shp)

#Choose number of columns and rows
ncol(rast) <- 41
nrow(rast) <- 41

#cat("<span style='font-size: 1.2em;font-weight:bold;'>PM2.5</span>\n")

#Rasterize point data
rast2<-rasterize(shp, rast, shp$log_concentration, fun=mean)

steps <- c(0.001,0.003,0.01,0.03,0.1,0.3,1,3,10)
colors <- rev(rainbow(length(steps), start=0, end=0.50))

colorstrip(colors, steps)

#Plot data
google.show_raster_on_maps(rast2, col=colors, style="height:500px;")

Perustelut

Kaivostoiminnasta ja rikastamisesta syntyy suuret määrät pölyä ja pakokaasuja. Näistä terveydelle haitallisimmat ovat pienhiukkaset (PM2.5 eli alle 2.5 mikrometriä halkaisijaltaan olevat hiukkaset. Myös hengitettävät hiukkaset (PM10, alle 10 mikrometrin hiukkaset) ovat terveydelle haitallisia, koska ne nimensä mukaisesti voivat päätyä alempiin hengitysteihin. Suuri osa pölyn massasta on kuitenkin karkeita hiukkasia (TSP, kokonaishiukkaspitoisuus), jotka ihmisellä jäävät ylempiin hengitysteihin, pääasiassa nenän limakalvolle. Nekin voivat kuitenkin aiheuttaa hengitysteiden ärsytystä. Ekologisesti karkeat hiukkaset ovat kuitenkin usein tärkeämpiä, koska ne muodostavat valtaosan kaivoksen lähialueelle tulevasta laskeumasta, ja pölyn koostumuksesta riippuen laskeuma voi nostaa joidenkin haitallisten aineiden pitoisuudet maaperässä hyvinkin korkeiksi.

Minera-mallissa keskitytään tällä hetkellä PM2.5:een, koska niiden terveysvaikutukset on todettu merkittävimmiksi. Toinen, tekninen syy on se, että käytettävissä oleva leviämismalli laskee pitoisuudet PM2.5:lle, ja sen käyttäminen suuremman kokoluokan hiukkasiin liioittelisi pitoisuuksia selvästi, koska ne laskeutuvat maahan paljon nopeammin eli ilmapitoisuudet pienenevät nopeammin kuin PM2.5-pitoisuudet. Terveysvaikutusten kannalta on siis erityisen tärkeää arvioida nimenomaan pienhiukkasten päästömääriä eri prosesseista.

Arvioinnissa on syytä katsoa sekä maaperästä että polttoprosesseista peräisin olevia hiukkasia. Usein polttohiukkasia on pidetty vaarallisempina, mutta on perusteltua pitää kaikkia pienhiukkasia terveydelle vaarallisina, ja monet asiantuntijat mieluiten eivät erottele myrkyllisyyttä koostumuksen perusteella vaan pitävät niitä ainakin nimellisesti yhtä vaarallisina. Lisäksi tiedetään, että kemiallisesti reaktiiviset hiukkaset ovat usein inaktiivisia vaarallisempia. Kaivostoiminnan hiukkaset ovat tyypillisesti tuoreita jauhamisen synnyttämiä hiukkasia ja siksi reaktiivisempia kuin esimerkiksi tuulen maanpinnalta nostattamat hiukkaset, jotka ovat olleet pitkään ilman kanssa kosketuksissa ja ehtineet hapettua.

Pölyn leviämislaskenta perustuu lähde-kohdematriisiin, jossa hiukkasleviämismallilla on laskettu tietystä pisteestä syntyvän päästön aiheuttama keskimääräinen pienhiukkaspitoisuuden vuosikeskiarvo ulkoilmassa hengityskorkeudella (2 metriä maanpinnasta) 10 - 15 kilometrin säteellä päästölähteestä. Tuloksen paikkatarkkuus on yksi neliökilometri. Matriisissa on tarkasteltu päästökorkeuksia 2 m ja 10 m, ja ilmakehätietoina on käytetty vuosien 2000 - 2003 tietoja kymmeneltä eri paikkakunnalta eri puolilta Suomea. (Ahtoniemi ym. 2010) ^[1] Mallissa oletetaan päästökorkeus, mallivuosi ja mallipaikkakunta epävarmoiksi muuttujiksi, ja malli laskee satunnaistetun joukon tuloksia erilaisille yhdistelmille eli käyttäen probabilistista Monte Carlo -menetelmää. Tuloksena on siis todennäköisyysjakauma pitoisuuskentästä päästölähteen ympärillä. Tulosta on mahdollista tarkentaa valitsemalla todellista tilannetta vastaava päästökorkeus, vuosi tai sijainti, mutta tämä edellyttää koodaustaitoja eikä sitä sen vuoksi suositella alustavissa arvioinneissa.

Pitoisuustietojen laskemiseksi tarvitaan pienhiukkasten päästömäärä tonneina vuodessa ja päästölähteen sijainti pituus- ja leveyspiirien desimaalilukuna. Mallin avulla voi laskea myös pienhiukkaspitoisuuden aiheuttaman terveysvaikutuksen suuruuden. Tämä perustuu tieteellisessä kirjallisuudessa kuvattuihin annosvasteisiin (Tuomisto ym. 2008)^[2] ja tilastokeskuksen väestötietoon, jonka avulla pitoisuus voidaan muuttaa väestön altistumispitoisuudeksi.

Mallissa käytetty kilometrin tarkkus on riittämätön erityisesti arvioitaessa päästölähteen lähellä muutaman sadan metrin päässä tapahtuvaa altistumista. Kuitenkin näin lähellä kaivosta harvoin on kovin paljon asutusta, joten malli toiminee varsin hyvin ainakin alustaviin arviointeihin, joissa ei tarkastella kaivoksen työntekijöitä. Suurempi puute on hengitettävien hiukkasten (PM10) leviämislaskennan puute. Jos mallia käytetään niiden leviämisen arviointiin, saadaan vaikutusten yliarvio, mutta on vaikea arvioida, kuinka paljon virhettä on. Koska virheen suunta on tiedossa, voidaan mallia kuitenkin käyttää poissulkemaan PM10-pitoisuuksien aiheuttamia raja-arvoylityksiä muualla kuin aivan päästölähteen läheisyydessä: jos mallin mukaan arvo ei ylity, on varsin varmaa, etteivät todellisetkaan pitoisuudet ylitä arvoa. Laskentamalli on kuvattu Opasnetissa sivulla http://fi.opasnet.org/fi/Pölyn_leviäminen_kaivosalueelta ja lähdekoodi löytyy sivulta http://en.opasnet.org/w/OpasnetUtils/GIS.

Esimerkin vuoksi on esitetty tuloksia Luikonlahden kaivoksen ja rikastamon pienhiukkaspäästöjen leviämisestä. Arviointi on tarkemmin kuvattu Opasnetissa sivulla http://fi.opasnet.org/fi/Luikonlahden_ilmapäästöt.

**Pienhiukkaspäästöt eri tilanteissa.**
Paikka	Vaihtoehto	LA	LO	Hiukkaskoko	Päästö (ton /vuosi)
Luikonlahti	V0	62.937734	28.712769	PM2.5	8.01
Luikonlahti	V1	62.937734	28.712769	PM2.5	12.25

Katso myös

Luikonlahden ilmapäästöt

Viitteet

↑ Ahtoniemi, P., Tainio, M., Tuomisto, J.T., Karvosenoja, N., Kupiainen, K., Porvari, P., Karppinen, A., Kangas, L. & Kukkonen J. 2010. Health Risks from Nearby Sources of Fine Particulate Matter: Domestic Wood Combustion and Road Traffic. National Institute for Health and Welfare. Report 3 / 2010. 60 s.
↑ Tuomisto J.T., Wilson A., Evans J.S., Tainio, M. 2008. Uncertainty in mortality response to airborne fine particulate matter: Combining European air pollution experts. Reliability Engineering and System Safety 93: 732-744. doi

Aiheeseen liittyviä tiedostoja

[1] Ahtoniemi, P., Tainio, M., Tuomisto, J.T., Karvosenoja, N., Kupiainen, K., Porvari, P., Karppinen, A., Kangas, L. & Kukkonen J. 2010. Health Risks from Nearby Sources of Fine Particulate Matter: Domestic Wood Combustion and Road Traffic. National Institute for Health and Welfare. Report 3 / 2010. 60 s.

[2] Tuomisto J.T., Wilson A., Evans J.S., Tainio, M. 2008. Uncertainty in mortality response to airborne fine particulate matter: Combining European air pollution experts. Reliability Engineering and System Safety 93: 732-744. doi

[1]

[2]