1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg Adobe Systems logo_mu_cerne.gif Inovace a rozšíření výuky zaměřené na problematiku životního prostředí na PřF MU (CZ.1.07/2.2.00/15.0213) spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Rozptylové modelování Přednáška a cvičení Alice Dvorská 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Přednáška 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvodní poznámky k rozptylovým modelům oboxové ogaussovské olagrangeovské a euleriánské osimulující rozptyl vleček s vysokými koncentracemi plynných polutantů (vlečka je těžší než okolní vzduch) ozahrnující dynamické chování aerosolů oa další… Rozptylové (disperzní) modely se zaměřují na transport látek (v plynném skupenství i vázané na atmosférické částice) od známého zdroje, zřeďování koncentrace během transportu a predikci koncentrací látek v ovzduší zájmových oblastí. Existují různé typy rozptylových modelů: Matematické rovnice v rozptylových modelech popisují procesy v ovzduší, rozptyl látek a fyzikální a chemické procesy, jimž látky ve vlečce podléhají. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vlečka opodmínkách na zdroji (výstupní rychlost emisí, rozdíl v teplotě emisí a okolního vzduchu) ostratifikaci (rozvrstvení) atmosféry orychlosti větru Vlečka je sloupec tekutiny, který se pohybuje prostředím jiné tekutiny. Příkladem může být vypouštění emisí z komínů (= vyvýšeného bodového zdroje). Emise jsou z komínů vypouštěny se značnou počáteční hybností a teplotou vyšší, než je teplota okolního vzduchu, aby stoupaly nahoru. Chování vlečky závisí na: 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vlečka Maximální přízemní koncentrace polutantů emitovaných z vyvýšeného bodového zdroje závisí zhruba na převrácené hodnotě čtverce efektivní výšky komína. Efektivní výška komína je dána součtem vlastní výšky komína a vzestupem vlečky. Vzestup vlečky je výška, kde je vlečka již jen pasivně unášena prouděním okolního vzduchu. Přímo pod zdrojem (komínem) se koncentrace polutantů blíží nule. Je žádoucí, aby i dále od komína byly přízemní koncentrace polutantů co nejnižší, tj. aby vlečka co nejvíce stoupala. Výše vzestupu vlečky je důležitým aspektem snižování přízemních koncentrací polutantů. Jednou z možných aplikací rozptylových modelů je predikce vzestupu vlečky za různých povětrnostních podmínek. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Analytické řešení problému atmosférické difuze Za idealizovaných podmínek má průměrná koncentrace látky ve vlečce emitované z bodového zdroje Gaussovskou distribuci. Ačkoli není gaussovský přístup schopný do výpočtu zahrnout změny v rychlosti větru s výškou a nelineární chemické reakce, je široce používaný. Rovnice Gaussovské vlečky vyjadřuje průměrnou koncentraci látky emitované ze stálého, vyvýšeného bodového zdroje. Rovnice atmosférické difuze je obecnějším přístupem. Jejím základním problémem je výběr vhodných hodnot rychlostí větru a turbulentních difuzivit pro danou situaci. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Aplikace rozptylových modelů Rozhodujícím aspektem rozptylových modelů je měřítko zájmové oblasti. Některé modely jdou do velkých detailů, např. dokážou simulovat i rozptyl znečišťujících látek v uličních kaňonech. Příklady aplikací rozptylových modelů: o předpověď časových období se zhoršenou kvalitou vzduchu o hodnocení vlivu (existujících nebo plánovaných) zařízení emitujících polutanty na životní prostředí o určení vhodných výšek komínů o v managementu rizik (např. havárií) o doplňuje monitoring stavu ovzduší o jeden z nástrojů pro design monitorovacích sítí o hodnocení vlivu různých faktorů (např. tvaru terénu) na rozptyl látek o a řada dalších… o - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Přehled pracovního postupu při rozptylovém modelování newzealand.govt.nz 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vstupní a výstupní informace okvalitě a kvantitě emisí z jednoho nebo více zdrojů oúrovni pozaďového znečištění lokality omístní topografii ometeorologických podmínkách charakteristických pro dané místo a čas • • • olegislativní limity různého typu ojakékoli jiné srovnávací hodnoty omožné zdravotní riziko pro obyvatele Výpočet úrovně znečištění ovzduší po směru větru od zdroje je prováděno na základě znalostí o: Výstupní informace (tj. koncentrace látek) jsou počítány pro určené místo nebo oblast (charakterizovanou pomocí vhodně husté sítě referenčních bodů) a vyhodnoceny s ohledem na např.: 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Typy emisních zdrojů obodový – nemá rozměr, jednotlivý a konkrétně identifikovatelný, může být při zemi, nebo vyvýšený (např. komín) oliniový – má jeden rozměr (např. automobilový provoz na silnici) oplošný – má dva rozměry, emise mají difuzní charakter (např. výpary ze skládek, plošný požár) oobjemový – má tři rozměry, emise mají difuzní charakter (např. emise látek z vnitřního prostředí z budov s několika patry otevřených oken) Emisní zdroje se obvykle rozdělují na čtyři základní typy: Zdroje mohou být také mobilní (pohyblivé) a stacionární (nepohyblivé). Emise mohou být přerušované (občasné), nebo kontinuální. Je třeba znát zeměpisné souřadnice zdrojů. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Na co je třeba dávat pozor a co brát v potaz při modelování olátky s krátkou dobou života v atmosféře (např. přízemní ozon) ozjišťování pozaďové úrovně znečištění ovzduší způsobené vlivem vzdálenějších zdrojů • • Rozptylové modelování není vhodné pro: Zdroje nejistot při receptorovém modelování jsou: onedostatečné informace o zdrojích (např. obvyklá neúplnost nebo nepřesnost emisních inventur, nepřesné emisní faktory, nereprezentativní měření emisí na zdroji apod) onezahrnutí informací o pozaďové úrovni znečištění zájmové lokality ozjednodušené matematické vztahy, které nereflektují např. transformace látek v atmosféře onepřesnost vstupních meteorologických dat (např. větrné růžice nejsou reprezentativní pro větší oblast, protože směr větru je u zemského povrchu velmi variabilní) opoužití nevhodného modelu (např. modelu pro venkovské oblasti pro simulaci rozptylu látek v městské zástavbě) oa další… o • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklady modelů oCALGRID (California Photochemical Grid Model) oCALPUFF (California Puff Model) oLASAT (Lagrangian Simulation of Aerosol Transport) oAERMOD (American Meteorological Society / Environmental Protection Agency Regulatory Model Improvement Committee Dispersion Model) oUK-ADMS (UK Atmospheric Dispersion Modeling Systém) oCMAQ (Congestion Mitigation and Air Quality) oCAQM (Community Multiscale Air Quality Model) oa mnoho dalších… Některé rozptylové modely jsou volně dostupné, jiné ne. Zejména ty, jejichž použití je zakotveno v legislativě a/nebo jsou komerční, mají uživatelsky příjemné rozhraní. Rozsáhlý přehled rozptylových modelů uvádí např. Holmes a Morawska (2006) a dále http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_atmospheric_dispersion_models 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Model AUSTAL AUSTAL – lagrangeovský model pro rozptyl atmosférických aerosolů http://www.weblakes.com/products/austal/demo.html ! Domácí úkol – proklikat se demo verzí modelu AUSTAL ! 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rozptylové modely v ČR Hřebíček a Kubásek, 2011 Nařízení vlády č. 597/2006 Sb., o sledování a vyhodnocování kvality ovzduší, které je prováděcím předpisem zákona o ovzduší, jsou stanoveny referenční (srovnávací) metody pro výpočet rozptylu znečišťujících látek v ovzduší. Jméno modelu Oblasti použití Velikost výpočetní oblasti Látky ATEM městské oblasti nad úrovní střech budov do 100 km od zdroje SO2, NOx, CO, PM, benzen a další méně reaktivní látky SYMOS ´97 venkovské oblasti do 100 km od zdroje SO2, NOx, CO, PM, benzen a další méně reaktivní látky AEOLIUS městské oblasti v uličních kaňonech jednotlivé ulice látky z mobilních zdrojů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif SYMOS ´97 oplynnými látkami a prachem z bodových, liniových a plošných zdrojů ood většího počtu zdrojů opomocí nadstavby i za inverze a bezvětří • ! SYMOS ´97 je gaussovský model, který značně zjednodušuje skutečnost ! Umožňuje výpočet znečištění ovzduší: Pro každý referenční bod umožňuje metodika výpočet těchto základních charakteristik znečištění ovzduší: Byl vyvinutý ČHMÚ, software vyvinula a distribuuje firma Idea-Envi. http://www.idea-envi.cz/produkty_symos.html o maximální možné krátkodobé (půlhodinové) hodnoty koncentrací znečišťujících látek, které se mohou vyskytnout ve všech třídách rychlosti větru a stability ovzduší o maximální možné krátkodobé (půlhodinové) hodnoty koncentrací znečišťujících látek bez ohledu na třídu stability a rychlost větru o roční průměrné koncentrace o dobu trvání koncentrací převyšujících určité, předem zadané, hodnoty (např. imisní limity) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad studie – Aplikace modelu SYMOS´97 na rozptyl polycyklických aromatických uhlovodíků ve Valašském Meziříčí O. Sáňka symos Před výpočtem bylo potřeba zkonvertovat do textových souborů: odigitální výškopisná data oinformace z větrných růžic oinformace o emisích ze zdrojů (viz dnešní cvičení) okonvertovat úseky liniových zdrojů na body okonvertovat plošné zdroje na body odefinovat síť receptorových bodů Velká část těchto úkolů byla provedena s pomocí GIS 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad studie – Valašské Meziříčí, výsledky O. Sáňka 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Zdroje Vhodná studijní literatura: oBubník J., Keder J., Macoun J. Maňák J. (1998) SYMOS´97 – Systém modelování stacionárních zdrojů. Metodická příručka. ČHMÚ Praha oHolmes N.S., Morawska L. (2006) A review of dispersion modelling and its application to the dispersion of particles: An overview of different dispersion models available. Atmospheric Environment 40, 5902-5928 oSáňka O. (2008) Modelování a vizualizace environmentálních dat v prostoru a čase s využitím GIS. MU, diplomová práce oSeinfeld J.H., Pandis S.N. (2006) Atmospheric chemistry and physics. From air pollution to climate change. Wiley, USA Seznam webových zdrojů použitých obrázků: http://www.aes.com/ipl/index?page=IPLGeneral&Menu=01100000&DocID=02039194d3720115576435fe007c6d http://www.dmu.dk/en/air/models/ospm/ospm_description/ http://www.mfe.govt.nz/publications/air/atmospheric-dispersion-modelling-jun04/html/figure1-1.html http://www.antipollution.asia/web/PC-Puff.html 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Cvičení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Cvičení obližší seznámení s problematikou emisních inventur onáhled do struktury REZZO oorientace v různých typech zdrojů a kategoriích REZZO opříprava modelového vstupního souboru do modelu SYMOS ´97 obsahujícího informace o emisích na zdroji oseznámení se s požadavky SYMOS ´97 na formát vstupních dat o emisích • • Obsahem cvičení bude: 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Registr emisí a zdrojů znečišťujících ovzduší (REZZO) oREZZO 1 – Zvláště velké a velké zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. elektrárny, kotelny, teplárny apod.) oREZZO 2 – Střední zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. ústřední vytápění, drobné výroby komunálního charakteru) oREZZO 3 – Malé zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. lokální vytápění, skládky apod) oREZZO 4 – Mobilní zdroje znečišťování (pohyblivá zařízení s motory, vozidla, plavidla a letadla) • •http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/09embil/09embil.html • Jedná se o druhý největší datový zdroj o kvalitě ovzduší v ČR. Je to evidenční monitorovací systém obsahující přehled zdrojů znečištění ovzduší. Registruje druh a množství vypouštěných znečišťujících látek. Zdroje kategorizuje dle výkonu a povahy následovně: