rozptylové podmínky a jejich vliv na koncentraci aerosolových

ROZPTYLOVÉ PODMÍNKY A JEJICH VLIV NA KONCENTRACI
AEROSOLOVÝCH ČÁSTIC PM10 V LOKALITĚ MOSTECKÉHO JEZERA
Jan Brejcha
Výzkumný ústav pro hnědé uhlí a.s., tř. Budovatelů 2830/3,434 01 Most, [email protected]
Souhrn
V článku byly popsány podmínky rozptylu znečišťujících látek v ovzduší centrální části podkrušnohorské pánve
a byla vyhodnocena imisní situace na stanicích v okolí Mosteckého jezera a porovnána se situací v západní části
podkrušnohorské pánve. K vyšším úrovním znečištění ovzduší docházelo v chladných měsících roku v důsledku
výskytu několika denních inverzí. V jarních a letních měsících při naplnění větší části jezera docházelo na
stanicích vzdálených 1 až 1.6 km od břehové linie k vyššímu počtu překročení imisního limitu než na referenční
stanici vzdálené 4 km od jezera.
Klíčová slova: hydrická rekultivace; Mostecké jezero; kvalita ovzduší; PM10
Summary
Article describes of a dispersion conditions of pollutants in ambient air of the central part of the North Bohemian
Basin, assesses air pollution situation at stations around the Most lake and compared with the situation in the
western part of the basin. Higher levels of air pollution occurred during the cold months of the year due to the
occurrence of several daily atmospheric temperature inversions. A higher number of exceedances of the limit
value occurred when filling a larger part of the lake in the spring and summer months to remote stations 1 to 1.6
km from the shoreline in comparison with the reference station 4 km distant from the lake.
Keywords: hydric reclamation; Most Lake; air quality; PM10
Úvod
V současné době je dokončeno napouštění Mosteckého jezera. Jezero vzniklo zatopením zbytkové
jámy lomu Most – Ležáky, kde byla těžba hnědého uhlí ukončena k 31. srpnu 1999. Napouštění
jezera Most bylo zahájeno 24.10.2008 [1], [2]. Po dokončení hydrické rekultivace a ozelenění okolí se
předpokládá využití lokality jezera Most převážně k rekreačním aktivitám a plánuje se i výstavba
rodinných domů.
V rámci komplexního projektu „Dopady na mikroklima, kvalitu ovzduší, ekosystémy vody a půdy v
rámci hydrologické rekultivace hnědouhelných lomů“ č. TA 1020592 provádělo VÚHU a.s. od roku
2012 kontinuální měření koncentrací aerosolových částic PM10 v Mostě (střecha budovy VUHU
a.s.) a v Kopistech (observatoř UFA ČAV). Pro měření byly použity kontinuální prachoměry FH62IR
(radiometrická metoda). Aerosolové částice PM10 jsou nejvýznamnější složkou, která se podílí na
znečištění ovzduší lokality. Aerosolové částice (Particulate Matter) PM10 jsou částice, které projdou
při odběru vzorku znečištěného vzduchu velikostně-selektivním vstupním odlučovacím zařízením,
které vykazuje pro aerodynamický průměr 10 μm odlučovací účinnost 50%.
Cílem měření bylo získat podklady pro hodnocení kvality ovzduší v lokalitě Mosteckého jezera.
Stanice Kopisty umístěná v objektu observatoře UFA ČAV se nachází ve vzdálenosti cca 1 km od
břehové linie Mosteckého jezera. Proto lze předpokládat, že kvalita ovzduší zde bude obdobná jako
v zájmové lokalitě Mosteckého jezera. Pro hodnocení vztahu mezi znečištěním ovzduší a
meteorologickými veličinami je k dispozici poměrně široký rozsah dat poskytovaný spoluřešitelem
projektu UFA ČAV (teplota a vlhkost vzduchu ve 2 m, tlak vzduchu, směr a rychlost větru, doba
trvání slunečního svitu, vodorovná dohlednost, teploty půdy v 5, 10, 20, 50 a 100 cm, množství srážek,
stav počasí, stav půdy, pokrytí oblohy oblačností a výška její spodní základny včetně stožárová měření
teplota a vlhkost vzduchu ve výškách 20, 40, 60 a 80 m a směru a rychlosti větru ve výškách 40 a 80
m. Stanice Most byla instalována na střeše budovy VÚHU a.s. ve výšce cca 22 m nad okolním
terénem. Výsledky tohoto měření byly porovnávány s dostupnými daty okolních dlouhodobě
provozovaných stacionárních stanic ČHMÚ (Most, Lom, Chomutov a Tušimic) a VÚHU (Lom).
Kvalitu ovzduší obecně ovlivňují dva faktory, kterými jsou intenzita emisí znečišťujících látek a
rozptylové podmínky. Na znečištění ovzduší v regionu se podílí převážně spalovací zdroje.
V jednotlivých letech lze považovat roční chody úrovně emisi znečišťujících látek za obdobné
s určitou variabilitou, která souvisí s meziroční variabilitou ročních chodů teplot, ze které vyplývá
intenzita provozu energetických zdrojů. Významný vliv na imisní situaci má proto v jednotlivých
kalendářních letech četnost výskytu zhoršených rozptylových podmínek. Na častém výskytu
zhoršených rozptylových podmínek v podkrušnohorské pánvi se podílí zejména orografie lokality.
Charakteristika lokality
Mostecké jezero je položeno v poměrně nedokonale provětrávané centrální části severočeské pánve.
Nedokonalé provětrávání lokality souvisí s uzavřením prostoru centrální části pánve mezi Krušnými
horami a Českým středohořím. Centrální část podkrušnohorské pánve má charakter příkopové
propadliny. Nadmořská výška dna pánve na úpatí Krušných hor je přibližně 260 m, ve střední části a
před Českým středohořím 200 až 240 m. Nadmořská výška hřebenu Krušných hor v oblasti Mostecka
je přibližně 600 až 950 m. Jižní svahy krušnohorské soustavy klesají prudce do pánevní části. Reliéf
Českého středohoří disponuje velkou výškovou členitostí při průměrné nadmořské výšce 363 m,
nejvyšším vrcholem je Milešovka (836,5 m n.m). Poloha Mosteckého jezera v Podkrušnohoří je
uvedena na obr. 1a [3], kde je tmavě šedou čarou vymezen prostor zhoršeného provětrávání [4]. Na
obrázku 1b je zobrazen profil pánve v řezu S-J [3] a na obrázku 1c je zobrazen profil pánve v řezu Z-V
[3]. Řezy jsou na obrázku vyznačeny 1a černými tečkovanými úsečkami. Na mapě jsou vyznačeny
polohy měřicích stanic provozovaných v rámci projektu (Most VÚHU – 4, Kopisty 5) i dlouhodobě
provozovaných stacionárních stanic ČHMÚ (Most - 3, Lom 6, Chomutov 2 a Tušimice 1) a VÚHU
(Lom2 - 7), které byly zahrnuty do vyhodnocení imisní situace.
S
S
7
Z
6
V
V
5
4
3
2
1
Mostecké jezero
J
Obr.1a Poloha Mosteckého jezera
Mostecké jezero je obklopeno řadou významných potenciálních zdrojů znečišťujících látek, včetně
aerosolových částic, např. zvláště velké spalovací zdroje (elektrárny, teplárny), chemický průmysl,
povrchové doly, zařízení k nakládání s odpady.
Mostecké
jezero
199 m n.m.
Most
J
S
Obr.1b Profil řezu S-J
Kopisty
824 m n.m.
Mostecké jezero
685 m n.m.
137 m n.m.
Z
V
Obr.1c Profil řezu Z-V
Rozptylové podmínky
Rozptylové podmínky podmiňují promíchávání a ředění emisí zdrojů a tím ovlivňují úroveň imisních
koncentrací. V případě dobrých rozptylových podmínek se emise znečišťujících látek v důsledku
mechanické a termické turbulence průběžně rozptylují horizontálně a vertikálně do velkého prostoru.
Teplotní gradient je záporný (teplota se snižuje s výškou). V případě nepříznivých rozptylových
podmínek (při vzniku teplotních inverzí) je rozptyl emise znečišťujících látek omezen výškou
směšovací vrstvy, která souvisí s výškou vrstvy teplotní inverze. V inverzní vrstvě je kladný teplotní
gradient (teplota se zvyšuje s výškou). Významně se na úrovni znečištění ovzduší podílí několikadenní
trvání nepříznivých rozptylových podmínek. K těmto stavům dochází převážně v zimním období. Po
celý rok však běžně dochází ke zhoršení rozptylových podmínek během jednotlivých dnů na
přechodnou dobu zejména v nočních a ranních hodinách v důsledku inverze teplotního zvrstvení
vzniklého radiací (ochlazování dlouhovlnným vyzařováním zemského povrchu v nočních hodinách)
[5]. Tomu v těchto dnech odpovídají i denní chody koncentrací znečišťujících látek. Na obr. 2 a 3 jsou
uvedeny příklady vývoje teplotního profilu do výšky 80 m nad povrchem na jaře a v létě při přechodně
zhoršených rozptylových podmínkách.
5.8.2012
5.3.2012
80
80
0:00
70
8:00
50
40
12:00
30
16:00
20
výška nad terénem [m]
60
60
výška nad terénem [m]
0:00
70
8:00
50
40
12:00
30
16:00
20
10
10
19:00
19:00
0
0
-6 -3 0
3
6
9 12
teplota [oC]
Obr. 2 Vývoj teplotního profilu 5.3.2012 (jaro)
v Kopistech
12 15 18 21 24 27 30
teplota [oC]
Obr. 3 Vývoj teplotního profilu 5.8.2012 (léto)
v Kopistech
Z obrázků 2 a 3 je zřejmé, že k nejvýraznějším změnám teplotního gradientu během dne dochází
v přízemní vrstvě do výšky cca 20 až 30 m nad povrchem. Za určitých podmínek lze tento jev
pozorovat jako přízemní mlhu.
Na obr. 4 a 5 jsou porovnány denní chody vybraných meteorologických veličin a koncentrace PM10 ze
stanice Kopisty z období přechodně periodicky zhoršených rozptylových podmínek (22.3 - 27.3.2012)
a z období dobrých rozptylových podmínek (30.3. – 2.4.2012). Vybrány byly meteorologické
parametry, které významně ovlivňují nebo odrážejí lokální rozptylové podmínky: rychlost větru ve 2
m v m.s-1 – RV 2m; teplota ve 2 m nad terénem ve oC - t+2m; teplotní gradient v přízemní vrstvě rozdíl mezi teplotami ve 2 a 20 m ve oC – dt 20–2m a doba slunečního svitu v hodinách - sl. svit
doba; koncentrace PM10 – PM10. Doba integrace veličin je 1 hodina. Meteorologická data byla
převzata z databáze výsledků měření observatoře Kopisty, kterou provozuje Ústav fyziky atmosféry
AV ČR, v.v.i.
6.0
200
6.0
200
-2.0
100
-4.0
75
-6.0
50
-8.0
25
dt 20-2m
125
-2.0
100
-4.0
75
-6.0
50
-8.0
25
-10.0
27.03.12
26.03.12
25.03.12
24.03.12
23.03.12
0
22.03.12
-10.0
0.0
SL SVIT DOBA
Obr. 4
Porovnání denních chodů vybraných
meteorologických veličin a PM10 při přechodně
zhoršených rozptylových podmínkách ve dnech 22.25.3.2012
RV 2m
PM10 a teplota
125
150
0
t +2m
03.04.12
0.0
2.0
02.04.12
150
175
01.04.12
2.0
4.0
31.03.12
175
30.03.12
4.0
dt, r.v., doba slunečního svitu
30.3. - 2.4. 2012
PM10 a teplota
dt, r.v., doba slunečního svitu
22.3. - 27.3. 2012
PM10
Obr. 5
Porovnání denních chodů vybraných
meteorologických veličin a PM10 při převážně
dobrých rozptylových podmínkách ve dnech 30.3.2.4.2012
Na obr. 4 lze pozorovat téměř cyklické fluktuace koncentrace PM10 a meteorologických veličin
v závislosti na denní době. Při postupném nárůstu rozdílu teplot (dt - teplotního gradientu) mezi
výškami 20 m a 2 m nad terénem do kladných hodnot dochází ke snížení rychlosti větru a postupnému
zvyšování koncentrace PM10. Při snižování tohoto rozdílu teplot do záporných hodnot pak dochází ke
zvyšování rychlosti větru a snižování koncentrace PM10. Na obr. 5 lze pozorovat v prvních dvou
dnech v důsledku trvale vanoucího větru převážně téměř nulovou hodnotu teplotního gradientu a
relativně nízkou úroveň koncentrací PM10. Snížení rychlosti větru v noci mezi druhým a třetím dnem
se okamžitě projevilo zvýšením koncentrace PM10.
Při nízkých rychlostech větru lze předpokládat znečištění ovzduší aerosolovými částicemi PM10:
 při výškové regionální inverzi ze spalovacích zdrojů všech kategorií včetně zvláště velkých
zdrojů regionu
 při přízemní inverzi z velkých a malých zdrojů situovanými v lokalitě a blízkou dopravou.
Při vyšších rychlostech větru cca nad 4 m.s-1 dochází převážné k dobrému rozptylu znečišťujících
látek. K vyššímu znečištění aerosolovými částicemi pak může docházet zejména v důsledku
resuspenze prachu v relativně blízkém okolí nebo v méně častých případech při přemetání kouřové
vlečky spalovacích zdrojů.
Zhodnocení imisní situace a výskytu rozptylových podmínek v lokalitě v letech 2008 až 2014
Imisní situace v lokalitě Mosteckého jezera v letech 2008 až 2014 je zhodnocena v tabulce 1 na
základě porovnání počtu překročení imisního limitu pro 24hodinové koncentrace aerosolových částic
PM10 (50 μg.m-3) [6] na jednotlivých hodnocených stanicích. Roční chod úrovně koncentrace
aerosolových částic PM10 má výrazně sezónní charakter, který souvisí s častým výskytem zhoršených
rozptylových podmínek a zvýšeným výkonem spalovacích zdrojů v zimním a podzimním období.
Proto je tabulka rozčleněna po jednotlivých ročních obdobích. Pro jednotlivá roční období jsou
uvedeny i počty dní s trvale nepříznivými nebo mírně nepříznivými rozptylovými podmínkami ve
sloupci označeném TRP2 a počty dní s mírně nepříznivými rozptylovými podmínkami trvajícími
pouze část dne ve sloupci označeném TRP1 [7]. Jednotlivá roční období byla volena podle
meteorologického kalendáře, tj. jaro – březen, duben, květen; léto – červen, červenec, srpen; podzim –
září, říjen, listopad; zima – prosinec (předcházejícího roku), leden, únor. Při porovnávání počtu
překročení imisního limitu lze s ohledem na vzdálenost od jezera považovat lokalitu Lom za
referenční (Lom ČHMÚ i Lom VÚHU cca 4 km) pro měřicí stanice centrální části pánve.
Tabulka 1
rok
období
č. st. na mapě
n.m. [m]
2008 jaro
2009 jaro
2010 jaro
2011 jaro
2012 jaro
2013 jaro
2014 jaro
2008 léto
2009 léto
2010 léto
2011 léto
2012 léto
2013 léto
2014 léto
2008 podzim
2009 podzim
2010 podzim
2011 podzim
2012 podzim
2013 podzim
2014 podzim
2008 zima
2009 zima
2010 zima
2011 zima
2012 zima
2013 zima
2014 zima
Tušimice
ČHMÚ
1
322
1
8
1
11
4
5
17
0
0
3
0
0
2
1
3
10
9
19
10
2
7
16
16
31
35
14
18
15
Chomutov
ČHMÚ
2
344
1
5
1
11
4
7
17
0
0
0
0
0
2
0
7
6
8
21
12
1
19
22
16
35
38
9
24
19
Most
ČHMÚ
3
221
2
7
14
27
12
12
22
0
3
1
2
8
4
2
11
13
13
27
18
10
12
27
22
28
47
17
33
27
Most
VÚHU
4
234+22
2
0
19
0
0
0
15
11
6
10
6
21
24
Kopisty
VÚHU
5
238
8
7
20
5
6
7
25
13
39
14
27
23
Lom
ČHMÚ
6
265
5
19
4
13
2
8
23
2
0
0
0
2
3
2
25
17
7
29
18
7
18
33
23
40
43
13
31
31
Data ze stanic ČHMÚ byla převzata z internetových stránek ČHMÚ [8].
Lom2
VÚHU
7
292
17
6
15
6
8
21
0
0
0
0
0
1
9
14
30
18
11
7
14
52
48
21
36
31
TRP2
TRP1
4
2
0
4
0
5
2
1
0
0
1
0
0
0
28
20
16
41
23
14
23
35
27
38
43
10
30
43
68
61
66
68
72
52
60
75
67
68
62
76
64
70
45
55
48
35
49
45
55
38
36
27
25
38
37
36
Závěr
Na základě údajů porovnaných v tabulce 1 lze provést následující shrnutí:
 V podzimních a zimních obdobích je oproti jarním a letním obdobím významně vyšší počet dní
s trvale zhoršenými rozptylovými podmínkami.
 V centrální části podkrušnohorské pánve dochází častěji k překračování imisního limitu pro
24hodinové koncentrace PM10 než v její západní části.
 V letech 2010, 2011, 2012 a 2013, tj. v době, kdy již byla naplněna větší část jezera, došlo v jarním
a letním období k anomálnímu zvýšení počtu překročení imisního limitu pro 24hodinové hodnoty
koncentrace PM10 na stanovišti Most ČHMÚ oproti lokalitě Lom. Na stanovišti Kopisty je tento
jev patrný na jaře 2012 a v létech 2012, 2013 a 2014. Ke zvýšení počtu překročení imisního limitu
došlo oproti lokalitě Lom v Kopistech i podzimním období let 2012, 2013 a 2014.
 Na výše položené stanici Most VÚHU (cca 22 m nad terénem) byly zjištěny nižší hodnoty než na
stanici Most ČHMÚ umístěné v úrovni terénu.
Anomální zvýšení úrovně znečištění v okolí jezera v jarních a letních měsících lze vysvětlit dvěma
způsoby:
 jedná se buď o náhodnou shodu mezi stavem naplnění jezera a meziroční prostorovou fluktuací
úrovně sezónního znečistění ovzduší v lokalitě
 vodní plocha ovlivňuje atmosféru širšího okolí jezera. Důsledkem toho může být za určitých
meteorologických podmínek prodloužení doby denních přechodně zhoršených lokálních
rozptylových podmínek a tím i zkrácení doby možného rozředění nakumulovaných znečišťujících
látek.
Nižší úroveň znečištění na stanici Most VÚHU (cca 22 m nad terénem) oproti stanici Most ČHMÚ
umístěné v úrovni terénu lze vysvětlit častým výskytem přízemních inverzí s výškou směšovací vrstvy
nižší než cca 20 m nad terénem.
Poděkování
Práce byla realizována s podporou Technologické agentury ČR v rámci projektu TA01020592
„Dopady na mikroklima, kvalitu ovzduší, ekosystémy vody a půdy v rámci hydrické rekultivace
hnědouhelných lomů“, řešeného v letech 2011 – 2014.
Literatura a podklady
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Kružíková L. (2013):Vývoj napouštění jezera Most, sborník konference Jezera a mokřady ve
zbytkových jamách po těžbě nerostů, Most, 04/2013, str. 89 – 63, ISBN 978-80-260 -4172-6
http://www.pku.cz/pku/site.php?location=5&type=napousteni_most, staženo 5.12.2012
http://www.mapy.cz/
http://www.ufa.cas.cz/vetrna-energie/vetrna-mapa, staženo 25.11.2013
Pavlicová I. (2007): Teplotní inverze v oblasti Ostravské průmyslové aglomerace, Diplomová
práce, Masarykova universita v Brně, Brno 2007
Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší (2012)
http://www.chmuul.org/?page=rozptylove-podminky
http://portal.chmi.cz (staženo 31.7. 2014)