Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Rozptylové modelování
Přednáška a cvičení
Alice Dvorská
evropský	
. 1 sociální	
1 fond v ČR	EVROPSKÁ UNIE
MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY
I
OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost
INVESTICE  DO ROZVOJE VZDELÁVANÍ
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
Přednáška
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Úvodní poznámky k rozptylovým modelům
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:
o boxové o gaussovské
o lagrangeovské a euleriánské
o simulující rozptyl vleček s vysokými koncentracemi plynných polutantů (vlečka je těžší než okolní vzduch)
o zahrnující dynamické chování aerosolů
o a další...
Matematické rovnice v rozptylových modelech popisují procesy v ovzduší, rozptyl látek a fyzikální a chemické procesy, jimž látky ve vlečce podléhají.
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
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:
o podmínkách na zdroji (výstupní rychlost emisí, rozdíl v teplotě emisí a okolního vzduchu)
o stratifikaci (rozvrstvení) atmosféry
o rychlosti větru
Vlečka
Maximální prízemní 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.
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Analytické řešení problému atmosférické difúze
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.
Plume grows later like square root of distance
Downwind distance
Gaussian or 'Bell shaped probability of enccunteriig a puff of smoke
Rovnice Gaussovské vlečky vyjadřuje průměrnou koncentraci látky emitované ze stálého, vyvýšeného bodového zdroje.
Rovnice atmosférické difúze je obecnějším přístupem. Jejím základním problémem je výběr vhodných hodnot rychlostí větru a turbulentních difuzivit pro danou situaci.
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
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:
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
jeden z nástrojů pro design monitorovacích sítí
o hodnocení vlivu různých faktorů (např. tvaru terénu) na rozptyl látek o a řada dalších...
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Roof level wind
www;
www;
www;
www;
www;
www;
www;
www;
www;
www;
Le euuardc
www;
www;
Background pollution
Recirculating air
jwwww jwwww
'WWWW
;wwww ;wwww ;wwww
'WWWW
jwwww jwwww jwwww jwwww
Přehled pracovního postupu při rozptylovém modelování
Background concentrations of pollutant
Meteorological conditions
Source data: - site description ■ ernisaori rate
Model options: ■ receptor grid - dispersi on parameters
Local topographic^
Ktnpel
Data iiipiLt
Atmospheric dispersi on
ftredietion or ground level toticintr^ions of pollutant*
Stipe "■ til output
Assessment of
puten lid cľ. Miro ťir.'.crntí! and health rffrcts
Dat* analysis
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
newzealand.govt.nz
Vstupní a výstupní informace
Výpočet úrovně znečištění ovzduší po směru větru od zdroje je prováděno na základě znalostí o:
o kvalitě a kvantitě emisí z jednoho nebo více zdrojů
o úrovni pozaďového znečištění lokality
o místní topografii
o meteorologických podmínkách charakteristických pro dané místo a
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.:
o legislativní limity různého typu o jakékoli jiné srovnávací hodnoty o možné zdravotní riziko pro obyvatele
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Typy emisních zdrojů
Emisní zdroje se obvykle rozdělují na čtyři základní typy:
o bodový - nemá rozměr, jednotlivý a konkrétně identifikovatelný, může být při zemi, nebo vyvýšený (např. komín)
o liniový - má jeden rozměr (např. automobilový provoz na silnici)
o plošný - má dva rozměry, emise mají difuzní charakter (např.
výpary ze skládek, plošný požár) ^^I^^HBi o objemový - má tři rozměry, emise mají difuzní charakter (např.
emise látek z vnitřního prostředí z budov s několika patry otevřených
oken)
Zdroje mohou být také mobilní (pohyblivé) a stacionární (nepohyblivé).
Emise mohou být přerušované (občasné), nebo kontinuální. Je třeba znát zeměpisné souřadnice zdrojů.
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Na co je třeba dávat pozor a co brát v potaz při modelování
Rozptylové modelování není vhodné pro:
o  látky s krátkou dobou života v atmosféře (např. přízemní ozon)
o zjišťování pozaďové úrovně znečištění ovzduší způsobené vlivem vzdálenějších zdrojů
Zdroje nejistot při receptorovém modelování jsou:
o  nedostatečné informace o zdrojích (např. obvyklá neúplnost nebo
nepřesnost emisních inventur, nepřesné emisní faktory, nereprezentativní měření emisí na zdroji apod)
o  nezahrnutí informací o pozaďové úrovni znečištění zájmové lokality
o zjednodušené matematické vztahy, které nereflektují např. transformace látek v atmosféře
o  nepřesnost vstupních meteorologických dat (např. větrné růžice nejsou reprezentativní pro větší oblast, protože směr větru je u zemského povrchu velmi variabilní)
o  použití nevhodného modelu (např. modelu pro venkovské oblasti pro simulaci rozptylu látek v městské zástavbě)
o a další...
iS
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Příklady modelů
Některé rozptylové modely jsou volně dostupné, jiné ne. Zejména ty, jejichž použití je zakotveno v legislativě a/nebo jsou komerční, mají uživatelsky příjemné rozhraní.
o CALGRID (California Photochemical Grid Model)
o CALPUFF (California Puff Model)
o LASAT (Lagrangian Simulation of Aerosol Transport)
o AERMOD (American Meteorological Society / Environmental Protection Agency Regulatory Model Improvement Committee Dispersion Model)
o UK-ADMS (UK Atmospheric Dispersion Modeling Systém)
o CMAQ (Congestion Mitigation and Air Quality)
o CAQM (Community Multiscale Air Quality Model)
o a mnoho dalších...
Rozsáhlý přehled rozptylových modelů uvádí např. Holmes a Morawska (2006) a dále http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_atmospheric_dispersion_models
f/ jAl1	Centrum pro výzkum
(§]]	toxických látek
_*32l	v prostředí
Model AUSTAL
AUSTAL- lagrangeovský model pro rozptyl atmosférických aerosolů
http://www.weblakes.com/products/austal/demo.html
AUSTAL View
Lagrangian Parf/e/e-Tracking Air Dispersion Modei
AUSTAL View is an enjonomical and intuitive user interface for the official German Federal Environmental Agency air dispersion model - AU5TAL5GQ0-
AUSTAL View uses a Lagrangian particle tracking air dispersion model that contains its own prognostic wind field model. Thus, the model takes into account the influence of topography on tne wind field and therefore on the dispersion of pollutants;.
%   %   S3 ►
Lakes Environmental snftw
Tri: Cil?) 7Jfi-?igt)5 Fax: (519) 7400793
in
Lakes
Start DEMO
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
! Domácí úkol - proklikat se demo verzí modelu AUSTAL !
Rozptylové modely v ČR
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	S02, NOx, CO, PM, benzen a další méně reaktivní látky
SYMOS '97	venkovské oblasti	do 100 km od zdroje	S02, NOx, CO, PM, benzen a další méně reaktivní látky
AEOLIUS	městské oblasti v uličních kaňonech	jednotlivé ulice	látky z mobilních zdrojů
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Hřebíček a Kubásek, 2011
SYMOS '97
Byl vyvinutý ČHMÚ, software vyvinula a distribuuje firma Idea-Envi.
http://www.idea-envi.cz/produktv svmos.html
Umožňuje výpočet znečištění ovzduší:
o  plynnými látkami a prachem z bodových, liniových a plošných zdrojů
o  od většího počtu zdrojů
o  pomocí nadstavby i za inverze a bezvětří
Pro každý referenční bod umožňuje metodika výpočet těchto základních charakteristik znečištění ovzduší:
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)
! SYMOS '97 je gaussovský model, který značně zjednodušuje skutečnost!
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Příklad studie - Aplikace modelu SYMOS'97 na rozptyl polycyklickych aromatických uhlovodíků ve Valašském Meziříčí
Před výpočtem bylo potřeba zkonvertovat do textových souborů:
o digitální výškopisná data
o  informace z větrných růžic
o  informace o emisích ze zdrojů (viz dnešní cvičení)
o  konvertovat úseky liniových zdrojů na body
o  konvertovat plošné zdroje na body
o  definovat síť receptorových bodů
Velká část těchto úkolů byla provedena s pomocí GIS
SYMOS97 - [C:\Users\Ondra\Documents\DIplomka\vysledky\l080420_vi
Soubor    Ná stroje Nápověda
Popis projektu
Popis projektu
Výškopřsy Větrné růžice Veličiny jEäil} Prachové skupiny
Skupiny zdrojů Shluky zdrojů [Zdroje
Referenční body ^Jř Mapa
[Výpočet
Autor:
Název:
Popis:
Ondřej Sanka
Ba P 1 small
pollutant: Benzoíajpyrene
period:1/2006
area of interest: smaller one
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
O. Sáňka
Příklad studie - Valašské Meziříčí, výsledky
KONCENTRACE BENZO{a)PYRENU KONCENTRACE BENZO(k)FLUORANTENU
VE VALAŠSKÉM ME2IŔÍCÍ VE SLEDOVANÝCH OBDOBÍCH ROKU 2006 VE VALAŠSKÉM MEZIŘÍČÍ VE SLEDOVANÝCH OBDOBÍCH ROKU 2006
12 3 4
Onalei SAHkA GÚ ftf mu Brno. OuWJ SOOĚ Ondľej S ANKA <3Ů PrF MU. Brnu, dutran !008
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
O. Sáňka
Zdroje
Vhodná studijní literatura:
o  Bubník J., Keder J., Macoun J. Maňák J. (1998) SYMOS'97 - Systém modelování stacionárních zdrojů. Metodická příručka. ČHMÚ Praha
o  Holmes 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
o  Sáňka O. (2008) Modelování a vizualizace environmentálních dat v prostoru a čase s využitím GIS. MU, diplomová práce
o  Seinfeld 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?paqe=IPLGeneral&Menu=01100000&DoclD=0203 9194d3720115576435fe007c6d
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
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Cvičení
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Cvičení
Obsahem cvičení bude:
o bližší seznámení s problematikou emisních inventur o náhled do struktury REZZO
o orientace v různých typech zdrojů a kategoriích REZZO
o príprava modelového vstupního souboru do modelu SYMOS '97 obsahujícího informace o emisích na zdroji
o seznámení se s požadavky SYMOS '97 na formát vstupních dat o emisích
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí
Registr emisí a zdrojů znečišťujících ovzduší (REZZO)
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:
o REZZO 1 - Zvláště velké a velké zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. elektrárny, kotelny, teplárny apod.)
o REZZO 2 - Střední zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. ústřední vytápění, drobné výroby komunálního charakteru)
o REZZO 3 - Malé zdroje znečišťování (stacionární zařízení jako např. lokální vytápění, skládky apod)
o REZZO 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
inu
Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí