Kemikaalien leviäminen

Kemikaalipäästön kulkeutumisreitit ja seuraukset ovat riippuvaisia päästöaineen sekä päästöpaikan ja -reitin ominaisuuksista. Vuototilanteessa aine voi joutua ilmaan, maaperään ja/tai veteen. Aineen jakautuminen näiden kesken vuodon jälkeen on riippuvainen aineen fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista. Kulkeutumisen kannalta tärkeitä muuttujia ovat aineen haihtuvuus, vesiliukoisuus, rasvahakuisuus ja kiinnittyvyys maa-ainekseen tai sedimenttiin. Kuvassa 3 on hahmoteltu eri kulkeutumisreittejä.


Kaasut ja helposti haihtuvat aineet päätyvät ilmaan. Ilmasta vesiliukoiset aineet voivat huuhtoutua maahan tai vesistöön sateen mukana. Hyvin vesiliukoiset aineet ovat myös usein hyvin kulkeutuvia maaperässä ja leviävät usein ympäristössä laajalle. Hyvin kulkeutuvat aineet ohittavat nopeasti maaperän aktiivisen ja samalla hajottavan vyöhykkeen, ja voivat päätyä lopulta pohjaveteen. Myös veteen liukenemattomat aineet voivat kulkeutua pohjaveteen saakka. Vesistössä aine voi haihtua veden pinnasta, sekoittua veteen, painua pohjaan tai sitoutua sedimenttiin.


Kuva 3. Kemikaalipäästöjen kulkeutumisreittejä ympäristöön.


Leviäminen ilmassa


Ilman kautta tapahtuvan kulkeutumisen arviointiin käytetään kaasujen leviämismalleja. Kaasujen leviämisen perustapaukset ovat ilmaa raskaampien kaasujen leviäminen sekä ympäröivän ilman tiheyttä vastaavien tai sitä kevyempien kaasujen passiivinen leviäminen (kaasu kulkeutuu tuulen mukana). Kuvassa 4 on hahmoteltu paineenalaisena nesteytetyn kaasun jatkuvan päästön leviämistä.


Kaasun leviämismalleja löytyy sekä hetkelliselle että jatkuvalle päästölle. Mallit antavat keskimääräisen pitoisuuden eri etäisyyksillä päästölähteestä. Vallitsevat sääolosuhteet (tuulen suunta ja nopeus, vuorokauden ja vuoden aika, lämpötila ja pilvisyys) vaikuttavat oleellisesti pitoisuuksien suuruuteen.


Kuva 4. Paineenalaisena nesteytetyn kaasun jatkuvan päästön leviäminen, päästön käyttäytymiseen vaikuttavat tekijät ja tarvittavat laskentamallit. /6/.


Raskaiden kaasujen leviämisellä tarkoitetaan ympäröivää ilmaa raskaampien kaasupilvien leviämistä. Raskaita kaasuja ovat esim. kloori, rikkidioksidi ja propaani. Myös ammoniakki käyttäytyy raskaan kaasun tavoin, mikäli vuoto muodostaa kaksifaasisuihkun. Suihkussa olevien ammoniakkipisaroiden höyrystyminen jäähdyttää suihkussa ja kaasuvanassa olevan ilman lähelle ammoniakin kiehumispistettä (-33°C) muodostaen ilmaa raskaamman kaasupilven.


Ilmaa raskaampien kaasujen leviämismalleissa otetaan huomioon mm. painovoiman, ilman sekoittumisen, ilmakehän turbulenssin ja maanpinnan vaikutukset. Raskas kaasupilvi painuu kasaan ja leviää sivusuunnassa voimakkaasti (ks. kuva 5, jossa raskaan kaasun leviämisvaihe noin 800 metriin päästökohdasta). Raskaan kaasun leviämisvaihe päättyy, kun kaasupilveen on sekoittunut riittävästi ilmaa tai lämpötila on lähellä ympäröivän ilman lämpötilaa.


Raskaan kaasun leviämisvaiheen jälkeen kaasupäästön leviämistä mallinnetaan passiivisen leviämisen malleilla. Passiivisessa leviämisessä kaasun tiheys on pienempi tai sama kuin ympäröivän ilman tiheys (esimerkiksi vety). Yleisimmin käytettyjä passiivisen leviämisen malleja ovat ns. gaussilaiset leviämismallit. Mikäli kaasu jo päästökohdassa on kevyttä eli sen tiheys vastaa ilman tiheyttä tai on sitä kevyempää, käytetään suoraan passiivisen leviämisen malleja. Passiivisen leviämisen malleja voidaan käyttää myös piippupäästöjen ja tulipaloissa muodostuvien savukaasujen leviämisen arviointiin.


Edellä kuvatuissa malleissa oletetaan, että maanpinta on suhteellisen tasaista ja kaasun etenemissuunnassa ei ole suuria esteitä. Tasaisesti jakautuneiden esteiden (esim. metsän puiden) vaikutus leviävään kaasupilveen voidaan huomioida ns. karkeusparametrin avulla. Rakennusten ja vaihtelevien maastonmuotojen huomioon ottaminen em. malleissa on vaikeaa. Kaasun leviämisen tarkempaan mallintamiseen esimerkiksi monimutkaisessa teollisuusympäristössä tarvitaan kolmiulotteisia virtausmalleja.


Kuva 5. Nesteytetyn kaasun päästö rikkoutuneesta putkesta. Raskaan kaasun leviämisvaihe ulottuu noin 800 m etäisyydellä päästökohteesta. Tämän jälkeen kaasu leviää passiivisesti. /8/.


Leviäminen maaperässä


Kemikaalin vuotaessa maahan on vaarana, että kemikaali kulkeutuu maaperään ja mahdollisesti edelleen pohjaveteen. Maaperän ja vuotavan kemikaalin ominaisuuksien perusteella voidaan arvioida kemikaalin kulkeutumista maaperässä (ja toisaalta höyrystymistä ilmaan, jota on käsitelty kappaleessa 3).


Maaperään ja pohjavesiin pääsevien päästöjen leviämistä voidaan mallintaa mm. virtaus- ja kulkeutumismalleilla. Virtausmalleissa lasketaan nesteen virtausta huokoisessa tai rakoilleessa väliaineessa. Kulkeutumismallit yhdistävät virtausmallien virtaustiedot muihin aineen kulkeutumiseen vaikuttaviin tekijöihin (esimerkiksi dispersio tai aineen hajoaminen).


Päästöaineen ominaisuudet vaikuttavat oleellisesti maaperään ja pohjaveteen joutuvan satunnaispäästön kulkeutumiseen. Käyttäytyminen ja kulkeutuminen riippuvat merkittävästi päästön vesiliukoisuudesta. Esimerkiksi öljy- tai bensiinipäästö liukenee veteen hyvin hitaasti. Tällöinkin merkittävimmät vaikutukset muodostuvat öljyn tai bensiinin sisältämistä veteen heikosti liukenevista yhdisteistä, kuten bentseeni, tolueeni, etyylibentseeni, ksyleeni (ns. BTEX-yhdisteet).


Maaperä- ja pohjavesimallintamisen tuloksena saadaan esimerkiksi maaperässä olevan kemikaalin pitoisuudet. Vertaamalla näitä arvoja saastuneista maa-alueista annettuihin raja-arvoihin voidaan päätellä päästömahdollisuuden merkittävyys. Pohjavedessä kulkeutuvan aineen tai siihen liukenevien yhdisteiden pitoisuutta voidaan mallintaa esimerkiksi pohjavedenottamolla ja verrata näitä pitoisuuksia talousveden raja-arvoihin.


Leviäminen vesistössä


Vesistössä kulkeutuvien kemikaalipäästöjen vaikutuksia voidaan mallintaa virtausmallien sekä erilaisten kulkeutumis- ja vedenlaatumallien avulla. Päästöjen kulkeutuminen ja laimentuminen riippuvat vesistön virtauksista sekä päästöaineen ominaisuuksista, joita ovat esimerkiksi liukoisuus veteen ja tiheys verrattuna veteen.


Suomessa virtaus- ja vedenlaatumalleja on käytetty viime vuosikymmeninä varsinkin metsäteollisuuden jätevesien kulkeutumis- ja laimentumislaskentaan. Kehitetyt malli soveltuvat myös satunnaispäästöjen kulkeutumisen ja laimentumisen mallintamiseen. Malleja onkin käytetty mm. öljyntorjuntatoimien suunnitteluun ja ennakointiin mahdollisessa öljyvahingossa. Öljy- ja kemikaalivahinkojen torjunnassa laskentamallien käytöllä pyritään ennustamaan öljyn tai kemikaalin kulkeutuminen.


Vesistömallinnus voi olla yksi-, kaksi- tai kolmiulotteista riippuen tarkastelukohteesta, halutusta tarkkuudesta ja käytettävistä lähtötiedoista. Perinteisiä yksiulotteisia malleja ovat jokimallit, joilla voidaan mallintaa esimerkiksi satunnaispäästön kulkeutumista ja laimentumista jokiuomassa. Kuvan 6 esimerkissä maksimipitoisuuskäyrä kuvaa päästön aiheuttaman maksimipitoisuuden laimentumista eri etäisyyksillä päästökohdasta. Kuvaan on piirretty myös hetkellisen päästön aiheuttama pitoisuuspulssin muoto 1500 m etäisyydellä päästökohdasta. Lähempänä päästökohtaa pulssi on korkeampi ja kapeampi, kun taas etäällä pulssi mataloituu ja levenee.


Kuva 6. Hetkellisen päästön kulkeutuminen jokiuomassa. /8/.


Satunnaispäästön mallintamiseen järvessä tai merellä tarvitaan kaksi- tai kolmiulotteista mallia. Tarvittavan lähtöaineiston määrän ja mallinnukseen käytettävän ajan tarve kasvaa, koska mallien rakenne vaatii erillisen virtauksien ja kulkeutumisen (vedenlaadun) mallintamisen. Virtaus- ja vedenlaatumallin laadintaan ja tulosten luotettavuuden arviointiin tarvitaan myös mittaustuloksia virtauksista. Virtausmittausten avulla arvioidaan laskettujen virtausten luotettavuutta ja samalla muokataan mallia vastaamaan todellisuutta (ns. mallin kalibrointi).


Myrkyllisyysvaikutukset


Myrkyllisten kaasupäästöjen seurauksia ovat ihmisiin kohdistuvat myrkyllisyysvaikutukset. Onnettomuustilanteessa altistuminen yksittäisille kaasu-, höyry- ja hiukkasmaisille aineille tai monien aineiden seoksille (palokaasut ja -savut) tapahtuu pääasiassa hengitysteitse. Leviämismallin tuloksena saadaan kaasun pitoisuus ilmassa (esim. mg/m3). Seurausvaikutuksia ihmiselle voidaan arvioida vertaamalla näitä pitoisuuksia vaarallisiksi tunnettuihin pitoisuuksiin tai raja-arvoihin, joita ovat esimerkiksi HTP-arvot (haitalliseksi tunnettu pitoisuus), IDLH-arvo (Immediately dangerous to life and health) ja ERPG-arvot (Emergency response planning guidelines). Ohjeita ja raja-arvoja löytyy mm. Työterveyslaitoksen laatimista ns. OVA-ohjeista (Onnettomuuden vaaraa aiheuttavien kemikaalien turvallisuusohjeet) /9/. Taulukossa 1 on esimerkkejä raja-arvoista.


Taulukko 1. Rikkidioksidin raja-arvoja.


HTP (1998) 1 ppm (2,7 mg/m3) /8 h
4 ppm (11 mg/m3) /15 min
IDLH-arvo 100 ppm (270 mg/m3) /30 min
ERPG-arvot
  • ERPG-1
0,3 ppm (0,8 mg/m3) /60 min
  • ERPG-2
3 ppm (8 mg/m3) /60 min
  • ERPG-3
15 ppm (41 mg/m3) /60 min


  • IDLH-arvo on suurin pitoisuus, jolle terve työntekijä voi altistua 30 minuutiksi saamatta palautumattomia terveydellisiä vaurioita tai poistumista vaikeuttavia vammoja.
  • ERPG-arvo on suurin pitoisuus, jossa lähes kaikkien ihmisten arvioidaan voivan olla tunnin ajan
  • ERPG-1 -- saaden enintään vähäistä, tilapäistä terveyshaittaa tai tuntien pahaa hajua;
  • ERPG-2 -- ilman vaaraa saada palautumattomia tai muita vakavia terveyshaittoja tai oireita, jotka heikentävät kykyä suojautua altistumiselta;
  • ERPG-3 -- ilman hengenvaaraa.

Ympäristövaikutukset


Aineen vaikutukset ympäristöön riippuvat aineen ominaisuuksien (mm. aineen hajoaminen, kulkeutuminen, kertyminen ja myrkyllisyys) lisäksi muun muassa vuotaneen aineen määrästä, sen myrkyllisyydestä, sekä torjunta- ja keräystoimenpiteiden tehokkuudesta.


Aineen pysyvyys on yksi ympäristövaarallisuuteen vaikuttavista tekijöistä. Hyvin nopeasti hajoavat aineet eivät ehdi vaikuttaa laajoilla alueilla, kun taas pysyvät aineet kertyvät ympäristöön ja ajan myötä lievempikin myrkyllisyys riittää aiheuttamaan haittoja. Aine voi hajota biologisesti, kemiallisesti tai valon vaikutuksesta.


Aineen myrkyllisyys on yksi keskeisimmistä ominaisuuksista sen ympäristövaikutusten kannalta. Myrkyllisyyttä arvioidaan erilaisilla kokeilla. Myrkyllisyyskokeet ryhmitellään kokeen kestoajan tai vaikutuksen voimakkuuden ja vaikutustavan mukaan. Lyhytaikaisia, akuutin myrkyllisyyden kokeita käytetään ympäristölle vaarallisten aineiden luokitteluperusteina. Käytetyimmät koe-eliöt vesiympäristössä ovat viherlevä, vesikirppu (Daphnia) ja eri kalalajit.


Yleisimmin käytössä olevat kokeet ovat:


  • levän kasvun estyminen, EC50 tai IC50 (72 h)
  • välitön myrkyllisyys vesikirpulle, EC50 (24/48 h)
  • vaikutus vesikirpun lisääntymiseen, EC50 (14/21 d)
  • välitön myrkyllisyys kalalle, LC50 (96 h)

LC50
Pitoisuus, joka koeajan kuluessa tappaa puolet koe-eliöistä.


EC50
Pitoisuus, joka koeaikana aiheuttaa jonkin erikseen määritellyn myrkkyvaikutuksen puolelle koe-eliöistä.


IC50
Pitoisuus, jossa puolella koe-eliöistä havaitaan jonkin seurattavan toiminnan estyminen (esimerkiksi levän kasvun estyminen).


Tietolähteitä kemikaalien ympäristövaikutuksista ovat mm. OVA-ohjeet sekä julkaisu Environmental Properties of Chemicals - Kemikaalien ympäristöominaisuuksia /10/.


__________________________________________________