Współczynnik gruntu w ocenie hałasu turbin wiatrowych


Pewnie każdemu, kto ma coś wspólnego z energetyką wiatrową, zdarzyło się choć raz słyszeć o współczynniku gruntu – i pewnie nikomu to pojęcie nie nasuwa pozytywnych skojarzeń. Nic dziwnego, skoro jedna mała liczba potrafi decydować o losach tak wielkich i kosztownych inwestycji, jakimi są farmy wiatrowe. Dlaczego rodzaj podłoża, na którym mają się znaleźć wiatraki, jest tak ważny?

Jednym z elementów oddziaływania przedsięwzięcia na środowisko jest generowany przez nie hałas. W Polsce jego prognozę wykonuje się w oparciu o metodykę wyłożoną w normie ISO 9613-2. Przedstawia ona w kolejnych rozdziałach, jaki wpływ na propagację dźwięku mają czynniki takie jak na przykład wilgotność i temperatura powietrza, rozmaite przeszkody znajdujące się na drodze fali oraz wspomniana struktura gruntu. Tę ostatnią opisuje tzw. współczynnik G – kluczowy dla oceny hałasu w pobliżu turbin, a jednocześnie sformułowany na tyle nieprecyzyjnie, że ani autorzy raportów, ani urzędnicy nie potrafią przekonać przeciwnej strony do swojego stanowiska. Poniższy tekst może pomóc w zrozumieniu, co jest przyczyną tak licznych kontrowersji związanych z tą kwestią.

1. Czym jest współczynnik G?

Mówiąc najkrócej, to bezwymiarowy i niemierzalny parametr opisujący strukturę gruntu. Im większa jest jego wartość, tym bardziej porowate podłoże, co korzystnie wpływa na tłumienie dźwięku, a w konsekwencji także na zmniejszenie wymaganej odległości od najbliższych obszarów chronionych – dlatego G ma tak duże znaczenie. Polska wersja dokumentu 9613-2 podaje, że:
a) 0 to wartość przyjmowana do obliczeń przy gruncie „o małej porowatości”;
b) 1 to wartość dla gruntu „porowatego”;
c) wartości pośrednie odpowiadają procentowemu udziałowi „porowatego” gruntu w całej powierzchni, nad którą następuje propagacja dźwięku.
Wartość G określa się niezależnie dla trzech stref:
a) w pobliżu źródła;
b) w pobliżu odbiornika;
c) strefy pośredniej, czyli obszaru pomiędzy dwiema pierwszymi.

Tym, czego można być pewnym, jest jakiś związek G z porowatością, czyli Φ – bezwymiarową wielkością fizyczną, która określa stosunkową objętość pustych przestrzeni wewnątrz materiału liczbą z zakresu od 0 do 1, choć w praktyce jej wartość rzadko przekracza 0,5. Nie wolno jednak pod żadnym pozorem mylić obu tych parametrów, bo dokładna zależność między nimi nie jest określona, a tym samym granica między dwiema kategoriami gruntu ustanowionymi w normie pozostaje niewyraźna i subiektywna. Nie wiadomo czy grunt, w którym pory zajmują np. jedną czwartą objętości można już uznać za „porowaty”, czy może jeszcze zalicza się do grupy „o małej porowatości”. Owszem, norma we wspomnianym miejscu przedstawia jako wskazówkę kilka przykładów nawierzchni, ale podział nadal jest zbyt mało precyzyjny zważywszy na to, jak duży wpływ na wynik obliczeń może mieć podjęta w tym miejscu decyzja.

Zgodnie z zapisem normy ułamkowe wartości G są stosowane tylko w przypadku, gdy część gruntu w obrębie jednej strefy jest porowata, a część nie. Jednak w praktyce związanej z energetyką wiatrową ma się zwykle do czynienia z jednolitą powierzchnią, np. polem uprawnym, łąką, pustynią itd. W takiej sytuacji autor analizy ściśle przestrzegający instrukcji 9613-2 stanąłby przed wyborem między G=1 i G=0 dla wszystkich trzech stref, a w rezultacie między dwoma wynikami różnymi nawet o ok. 10 dB, więc także między dwiema dopuszczalnymi odległościami od strefy chronionej, gdzie druga byłaby ponad trzy razy większa od pierwszej. Trzeba przyznać, że kilkaset metrów stanowi niebagatelną różnicę.

Zupełnie zrozumiałym jest więc, że w rzeczywistości stosuje się trochę zmodyfikowane podejście, w którym przyjmuje się ułamkową wartość G, głównie ok. 0,5–0,8, chcąc w ten sposób oddać stopień „skuteczności” gruntu pojmowanej przez autora raportu intuicyjnie. Niestety, wiążą się z tym dwa problemy. Po pierwsze, koniecznie należy przy tej okazji zbadać, w jaki sposób poprawka na tłumienie przez grunt zależy od współczynnika G (nie wolno w ciemno zakładać, że jest to zależność liniowa). Po drugie trzeba ustalić, w którym miejscu na skali „skuteczności” znajduje się analizowana nawierzchnia. Aby to zrobić, można porównać metodę 9613-2 do podobnego modelu, np. zmodyfikowanego Delany’ego-Bazleya, w którym parametrem opisującym powierzchnię jest oporność przepływu i w ten sposób oszacować względną skuteczność badanego podłoża, a uzasadnienie swojego wyboru przedstawić w raporcie. Wygląda jednak na to, że zazwyczaj wartość współczynnika G po prostu podpowiada autorowi jego intuicja, a to z kolei rodzi ryzyko, że wyniki takiej analizy mogą zostać uznane za tendencyjne.

2. Na czym polega wpływ gruntu?

Zwolennicy stosowania G=0, argumentując swoje stanowisko, często podkreślają, że wiatrak znajduje się wysoko nad powierzchnią ziemi, w związku z czym według nich “następuje pełne odbicie niezależnie od rodzaju powierzchni”, lub że “nie ma chłonności energii akustycznej przez grunt na wysokości stu czy kilkudziesięciu metrów”. Twierdzenia takie jak te wynikają z błędnej interpretacji G, która polega na utożsamieniu go ze współczynnikiem pochłaniania przy odbiciu – w literaturze oznaczanym jako α. Na czym więc naprawdę polega wpływ gruntu i od czego zależy w największym stopniu?

Najprostszą falę akustyczną można opisać za pomocą sinusoidy o trzech parametrach: amplitudzie, częstotliwości i fazie. Zgodnie z zasadą superpozycji wychylenia sumują się; w rezultacie dwie identyczne fale mogą się wzmacniać lub wzajemnie się znosić, wszystko wyłącznie w zależności od przesunięcia fazowego. W skrajnych przypadkach wypadkowy poziom potrafi wzrosnąć o 6 dB albo zmaleć do minus nieskończoności.

Gdy źródło hałasu i obserwator mają pod sobą powierzchnię ziemi, to dźwięk dociera z jednego punktu do drugiego na dwa sposoby: po pierwsze bezpośrednio, czyli najkrótszą drogą, a po drugie po odbiciu od podłoża. Fala przy odbiciu o porowaty grunt może stracić część ze swojej energii (opisuje to wspomniany wcześniej współczynnik α rosnący wraz z porowatością), ale co najważniejsze, zmienia się także jej faza. To właśnie odpowiednia różnica faz, wynikająca z różnicy w przebytych odległościach oraz z wpływu odbicia powoduje, że w paśmie ok. 250–1000 Hz dochodzi do tłumienia poprzez destruktywną interferencję, mogącego wynieść w teorii nawet kilkadziesiąt decybeli. Należy więc w tym miejscu bardzo wyraźnie zaznaczyć, że wbrew powszechnej opinii to nie chłonność akustyczna powierzchni odpowiada za to zjawisko – co stawia pod znakiem zapytania słuszność wszystkich argumentów mówiących jedynie o pochłanianiu.

Trzeba też pamiętać, że wpływ gruntu nie zawsze skutkuje obniżeniem poziomu. W przedziale niskich częstotliwości dochodzi w zasadzie zawsze do interferencji konstruktywnej, czyli dodawania się długich fal o stosunkowo małej różnicy faz, a w paśmie częstotliwości wysokich do niekoherentnego sumowania, mogącego skutkować podbiciem poziomu o 3 dB. Zresztą taki wynik stanowi niejako punkt wyjścia dla metody 9613-2, tzn. podbicie o trzy decybele jest obecne we wzorze zawsze i staje się jego jedynym członem, gdy przyjmie się G=0. Wniosek: rezultatem G=0 wcale nie jest brak wpływu gruntu, tak jak powszechnie się uważa, tylko jego najmniej korzystny wariant.

Co zaś się tyczy argumentów mówiących o tym, że turbiny wiatrowe znajdują się zbyt wysoko, aby brać pod uwagę grunt – zdecydowanie nie należy szukać odzwierciedlenia tego zjawiska w samym współczynniku G, bo opisuje on tylko i wyłącznie strukturę podłoża. Wystarczy za to przeanalizować równania zawarte w normie, by zauważyć, że spadek tłumienia ze wzrostem wysokości źródła i obserwatora jest już w nich oczywiście uwzględniony. Jeśli natomiast chodzi o twierdzenie, że fala docierająca do powierzchni z dużej odległości odbija się od niej bez strat, to wydaje się ono nie znajdować żadnego uzasadnienia w teorii.

3. Czy 9613-2 działa poprawnie?

Liczne kontrowersje związane z przewidywaniem hałasu turbin wiatrowych każą zastanowić się, czy norma PN-ISO/ISO 9613-2 jest odpowiednią do tego celu metodą, oraz w jakich warunkach wyniki jej obliczeń można uznać za poprawne. Nie wolno bowiem zapominać, że ocena wpływu gruntu opiera się tutaj na modelu empirycznym i jako taka posiada pewne ograniczenia związane z jego stosowaniem. Wynika to z faktu, że mówimy o bardzo skomplikowanym zjawisku, na przebieg którego ma wpływ mnóstwo czynników. Można wśród nich wymienić wiatr, wilgotność, gradient temperatury, turbulencje, nierówności terenu, strukturę przekroju gruntu, fale powierzchniowe… W obliczu tak wielu składowych należy uznać, że dokładne ich odwzorowanie w modelu matematycznym jest praktycznie niemożliwe.

Z tego powodu wzory przedstawione w normie zostały sformułowane na podstawie wielu przeprowadzonych pomiarów i uzależnione od paru prostych zmiennych – lub może raczej „prostych”, bo przecież gdyby nie przysparzały kłopotów, to ten artykuł nigdy by nie powstał. Co ciekawe, nawet sami autorzy normy zdają sobie sprawę z tego, że jej słabą stroną jest jej nieoczywistość.

Ograniczenia, o których wspomniałem na początku tej części, dotyczą wiarygodności modelu w pewnych warunkach, innych niż uwzględnione w treści dokumentu, czyli innych niż wysokość źródła nieprzekraczająca 60 m, ulokowanie obserwatora „pod wiatr” i tak zwana inwersja termiczna. Wątpliwości związane z dopasowaniem tej metody do hałasu wiatraków są więc uzasadnione – na szczęście jednak istnieją badania, które porównały poziomy obliczone ze zmierzonymi i dowiodły, że norma dość dobrze przewiduje propagację hałasu. W Wielkiej Brytanii nie ma przeciwwskazań, aby stosować G=1 w niemal każdym przypadku (choć zaleca się też dodać 3 dB jako poprawkę na niepewność prognozy).

W czym więc problem? W tym, że każde państwo ma swoje własne przepisy regulujące kwestię hałasu. Brytyjskie wskaźniki określa się dla „typowego” dnia oraz „typowej” nocy i przez analizę percentylną, a w przypadku wiatraków dodatkowo w odniesieniu do poziomu tła. W Polsce za to ustalone są z góry dopuszczalne równoważne poziomy dźwięku dla ośmiu najmniej korzystnych godzin dnia i jednej najmniej korzystnej godziny nocy, czyli LAeqD i LAeqN. Choć z zapisów POŚ nie wynika jasno, o jaki dzień i jaką noc chodzi, to trzeba wziąć pod uwagę, że stan gruntu zmienia się w zależności od pory roku. Gdy podłoże jest mokre lub skute lodem – co nie jest w tym kraju niczym wyjątkowym – wzrasta jego oporność przepływu, a przy jego ocenie należy przyjąć wtedy niższą wartość współczynnika G.

Dochodzimy do dwóch kluczowych pytań. Po pierwsze, czy do określania wskaźników hałasu należy zakładać najgorsze możliwe warunki, nawet jeśli miałyby wystąpić raz na kilka miesięcy lub kilka lat? Po drugie, jak często w Polsce zdarza się, że imisja hałasu wiatraka jest w danym miejscu tak wysoka, jak to wynika z obliczeń przeprowadzonych przy maksymalnym katalogowym poziomie mocy akustycznej i G=0?

Odpowiedzi należy oczekiwać od odpowiednich instytucji państwowych. Choć stosowanie się przez nie do zasad ostrożności i zapobiegania jest oczywiście zasadne, to jednak zdecydowanie nie powinno się ucinać tym argumentem dyskusji na tak ważny temat, a z G=0 czynić dogmatu. Wystarczy bowiem, po pierwsze, sprecyzować przepisy, a po drugie, przeprowadzić odpowiednią liczbę pomiarów walidacyjnych, sprawdzających propagację dźwięku turbin wiatrowych nad zlodowaconym podłożem w Polsce. Tak czy inaczej jednak mówimy teraz o aspekcie formalnym, podczas gdy od strony praktycznej sprawa ochrony środowiska może wyglądać kompletnie inaczej. Należy zastanowić się, czy…

4. …czy prawo chroni przed hałasem?

Kryterium decydującym o negatywnym oddziaływaniu na środowisko lub o jego braku jest dopuszczalny poziom równoważny, ustalony „na sztywno” w zależności od rodzaju chronionej zabudowy i pory doby. Przeciętny człowiek jednak używa do oceny hałasu swojego słuchu, a nie mierników. Różnica dwóch decybeli może nie zostać przez niego dostrzeżona nawet w bezpośrednim porównaniu, a dla inwestora oznaczałaby konieczność zmiany lokalizacji planowanego przedsięwzięcia, przemieszczając je aż o 25 procent dalej od domostw.

Mimo to i tak spełnienie formalnych wymagań nie zagwarantuje, że dźwięk docierający z farmy wiatrowej nie będzie dokuczliwy, bo po pierwsze uciążliwość nie musi zależeć od głośności, a po drugie głośność nie zawsze koreluje z poziomem ciśnienia akustycznego ani innymi wielkościami fizycznymi opisującymi natężenie fali. Decydują tutaj inne, niezbadane jeszcze w stu procentach czynniki. Jednym z nich jest brak naturalnego tła akustycznego, takiego jak śpiew ptaków lub szum liści, wody czy odległej drogi, potęgujący wrażenie głośności turbin. Jeszcze bardziej niekorzystny jest pulsujący hałas, który powstaje przy odpowiednim profilu wiatru, oraz tonalność – obecność dźwięków o określonej wysokości dających się wyraźnie słyszeć na tle szumu. Nie należy też bagatelizować kwestii widoczności wiatraka – jej wpływ na odczuwalną uciążliwość został już kilkukrotnie dowiedziony Takie warunki mogą skutecznie uniemożliwić adaptację i sprawią, że choćby i bardzo cichy hałas turbin nie przestanie zwracać uwagi mieszkańców nawet w dużej odległości, oraz może mieć zły wpływ na ich sen, a w konsekwencji także i na zdrowie.

To właśnie pod kątem tych czynników powinna być przeprowadzana ocena. Zachęcam więc każdego do własnych poszukiwań w tym temacie, unikania oczywistych błędów przy wykonywaniu analizy akustycznej oraz rozważania powyższych aspektów w ramach dobrej praktyki. Miejmy nadzieję, że powszechna świadomość istnienia tych prawidłowości przyczyni się w przyszłości do zmiany przepisów regulujących hałas turbin wiatrowych. Wówczas być może uda nam się planować przyszłe inwestycje tak, aby nie narażać okolicznych mieszkańców na ich szkodliwe oddziaływanie, a prawo nie będzie blokować rozwoju farm na obszarach, na których taka ochrona jest po prostu zbędna.

 

Jacek Biernacki
www.niewidzialna-architektura.pl

fot. costi/sxc.hu

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here