Referenční model SYMOS’97

České ekologické manažerské centrum Praha, 1 4. října 2010 Jan Macoun

, Český hydrometeorologický ústav [email protected]

Obsah

• legislativní základ • základní charakteristiky modelu • vstupní data • metodika výpočtu • výstupní hodnoty • speciální aplikace • úpravy metodiky v souladu se zákonem o ochraně ovzduší (86/2002, 92/2004) • návrh rozšíření metodiky • závěr 2

Legislativní základ

• Nařízení vlády 597/2006 – referenční metodika pro hodnocení kvality ovzduší ve venkovských oblastech – závazná metodika pro výpočty: – povolování k umisťování staveb zvláště velkých, velkých a středních stacionárních zdrojů (§17 odst. 5 zákona o ochraně ovzduší 86/2002 , 92/2004) – pro výpočet výšky komína (§3 odst. 7 zákona o ochraně ovzduší 86/2002, 92/2004) • popis metodiky – Věstník MŽP ČR 3/1998 – Věstník MŽP ČR 4/2003 – 1. dodatek – Věstník MŽP ČR ?/2007 – 2. dodatek 3

Modelové aplikace

• výpočet znečištění většího počtu bodových, plošných a liniových zdrojů • výpočet koncentrací plynných látek • výpočet koncentrace a spadu „těžkého“ prachu • výpočet znečištění z chladicích věží • odhad koncentrací pod inverzemi za bezvětří • stanovení výšky komína s ohledem na splnění imisních limitů – do 100 km od zdroje – nad úrovní střech budov 4

Základní charakteristiky modelu

• stacionární řešení rovnice difúze • předpoklad Gaussova rozdělení • výpočty v komplexním terénu • zahrnutí depozice a transformace • výpočtu koncentrací NO 2 • výpočty pod inverzí za bezvětří 5

Vstupní údaje

• údaje o zdrojích • meteorologické údaje • referenční body • topografie • imisní limity 6

Vstupní údaje

údaje o zdrojích (1/2)

• poloha zdroje ve zvolené síti • nadmořská výška zdroje • geometrie zdroje • výška zdroje na terénem 7

Vstupní údaje

údaje o zdrojích (2/2)

• podmínky nuceného vznosu znečišťující látky (tepelná vydatnost spalin, rychlost a teplota spalin ...) • emisní charakteristiky zdroje • provozní údaje (provozní doba) (množství spáleného paliva, provozní hod... – emisní tok) 8

Vstupní údaje

meteorologické údaje

• potřebná data obvykle za období 1 roku (možné i výpočty za kratší období – sezóna) • větrná růžice rozdělená do 3 tříd rychlosti – 1,7; 5,0; 11,0 m.s

-1 a 5 tříd stability – superstabilní, stabilní, izotermní, normální, konvektovní – stabilitní klasifikace Bubník - Koldovský 9

Z

Vstupní údaje

větrná růžice 20 S 15 10 5 0 V Celkem 1,7 m/s 5,0 m/s 11,0 m/s J

10

Vstupní údaje

stabilitní klasifikace Bubník - Koldovský Třída stability Vertikální teplotní gradient [°C/100m] I. superstabilní

 < -1.6

Popis

silné inverze, velmi špatné rozptylové podmínky

II. stabilní III. izotermní IV. normální V. konventivní

-1.6 ≤  < -0.7

-0.7 ≤ 0.6 ≤   < 0.6

≤ 0.8

0.8 <  běžné inverze, špatné rozptylové podmínky slabé inverze, izotermie nebo malý kladný gradient, často mírně zhoršené rozptylové podmínky indiferentní teplotní zvrstvení, běžný případ dobrých rozptylových podmínek labilní teplotní zvrstvení, dobré rozptylové podmínky 11

Vstupní údaje

referenční body

• poloha bodu v souřadné síti • výška bodu nad terénem (kartézská síť) • nadmořská výška v místě referenčního bodu 12

Vstupní údaje

topografie

• pro výpočty prováděné v komplexním terénu je nutné znát konfiguraci terénu • nejvhodnější způsob je zadat v pravidelné síti nadmořské výšky uzlových bodů 13

Imisní limity

• výsledné koncentrace je nutno porovnat s imisními limity – Nařízení vlády 597/2006

www.szu.cz

SZÚ

, částka 127/2002 Sb.

– konzultace se SZÚ – Referenční koncentrae 14

Metodika výpočtu

• základní rovnice • zahrnutí terénu do výpočtu • efektivní výška zdroje • proudění • rozptylové parametry • depozice a transformace • zeslabení znečištění na horách 15

Metodika výpočtu

základní rovnice

• rovnice pro plynné látky

c

 2 

π



σ y M



σ z z



u h

1 

V s

 exp 2

σ y

2

L

2

y

 exp   

k u



x L u h

1   

K h

     exp    

z

  2

σ

2

z h

1  2     1     exp    

z

  2

σ z

2

h

1  2      exp    

z

  2

σ z

2

h

1  2      • rovnice pro „těžký“ prach

c

 2   

i r c

  1 

pi

100  

y

    exp 

M



z

  

z u h

1   

V s



h

1 2  

z

2  exp

h gi

  2 2 

y L

2

y

2  

K h

 1      exp  

z

 

h

1 2  

z

2

h gi

 2    exp  

z

  

h

1 2   2

z h gi

  2      16

Metodika výpočtu

zahrnutí terénu do výpočtu

• problém horního a dolního odhadu úrovně znečištění    max   0 ,

x

 

z r

1   0

z z

 

x

 0 

z

1  2 

z

2    

d x

  

z

1

z

1  0 

z z z z

     

z z z z z

2

z

2        0

x

 

z r z z

     

z r z r z r



z z z r



z z

17

Metodika výpočtu

koeficient



(1/4)

z r



z z z z

1  

x

  

z z z x

 

z z

 

x

 

z r

1 

z z

  0 

x



z



z z

 

d x



z z

2      

z

0

r

18

Metodika výpočtu

koeficient



(2/4)

z r



z z z z

1  

x

   

z z z x

 

z z z z

2  

x

 

z r

    

z r

  max 0 ,

x

 

z r

1 

z z

 

x

 0  2 

z r



z z



z

   

d x

 19

Metodika výpočtu

koeficient



(3/4)

z r



z z z z

1      

z

0

z

  0

z z

2      

z r

0 20

z r



z z

  0

Metodika výpočtu

koeficient



(4/4)

21

Metodika výpočtu

efektivní výška zdroje (1/4)

• efektivní výška zdroje je součet stavební výšky a vynuceného převýšení

h



H

 

h

• vynucená ventilace + tepelný vznos vlečky 

h

    1    1 .

5 

w o u H



d

 

K s



A



Q B u H

    

K m



x Q

  2 3

x



K m



Q



h

    1    1 .

5 

w o u H



d

 

K s



A



Q B u H

 

x



K m



Q

22

Metodika výpočtu

efektivní výška zdroje (2/4)

postupný vznos vlečky a vliv stability K s (bez vlivu terénu) 23

Metodika výpočtu

efektivní výška zdroje (3/4)

• •

korekce na terén

– po opuštění zdroje vlečka stoupá podél terénu – terén je „kopírován“ ve vzdálenosti dané parametrem  , který závisí na třídě stability

blízké zdroje

– v případě více blízkých zdrojů se jednotlivé vlečky navzájem ovlivňují – velikost převýšení vlečky zdroje je touto interakcí zvětšena – míra nárůstu převýšení závisí na vzájemné konfiguraci zdrojů 24

vliv terénu

Metodika výpočtu

efektivní výška zdroje (4/4)

25

Metodika výpočtu

proudění - rychlost

• velikost vektoru proudění se s výškou mění • pro odhad rychlosti v dané výšce je použit mocninový profil větru • rychlost je nejprve vypočtena ve stavební výšce zdroje H, a po výpočtu efektivní výšky znovu ve výšce h • nárůst je uvažován do výšky 200 m 26

Metodika výpočtu

proudění - směr

• směr proudění v atmosféře závisí obecně na výšce • je uvažováno stočení o 4° na každých 100 m výšky ve směru hodinových ručiček • velikost stáčení nezávisí na stabilitě 27

Metodika výpočtu

rozptylové parametry (1/4)

• rozptylové parametry popisují rychlost rozšiřování vlečky v závislosti na vzdálenosti od zdroje • použita byla mocninová závislost na vzdálenosti • koeficienty závisí na třídě stability 

i



a i



x L b i

28

Metodika výpočtu

rozptylové parametry (2/4)

• pro plošné a liniové zdroje jsou koeficientu rozptylu modifikovány v závislosti na geometrii zdroje – plošné zdroje - závisí na velikosti čtvercového elementu – liniové zdroje - závisí na orientaci a délce úseku 29

Metodika výpočtu

rozptylové parametry (3/4)

horizontální rozptyl v závislosti na stabilitě 30

Metodika výpočtu

rozptylové parametry (4/4)

poměr  y /  z v závislosti na stabilitě 31

Metodika výpočtu

depozice a transformace

• depozice a chemická transformace jsou modelově parametrizovány v analogii k poločasu rozpadu radioaktivních látek • jednotlivé látky jsou rozděleny do 3 tříd podle doby setrvání v atmosféře • pro „těžký“ prach je modelována skutečná pádová rychlost • výjimka transformace NO  NO 2 32

Metodika výpočtu

hodnocení z pohledu NO 2 a PM 10

• koncentrace NO 2 – vstupní údaj nadále NO – transformace NO  x NO 2 (10% NO 2 , 90% NO)

c



c

0 .

0 , 1  0 , 8 .

  1  exp   

k p

.

x L u h

1     • koncentrace PM frakce PM 10 10 – dosazení emise PM 10 dle: – známého rozložení emisní granulometrické křivky – průměrných hodnot procentuálního zastoupení v emisích (viz metodika) 33

Metodika výpočtu

výpočet spadu

• spad (depozice) = součin koncentrace a pádové rychlosti • roční spad

W

 31 , 536  

j

  

f



j

 

k



k



W k



j

  • pro PM 10 se používá místo pádové rychlosti depoziční rychlost (0.01 m.s

-1 ) 34

Metodika výpočtu

zeslabení znečištění na horách

• znečištění od malých zdrojů je v horských oblastech nadhodnoceno (vlečka v reálné situaci nevystoupí dostatečně vysoko) • zavedena korekce závislá na: – rozdílu výšek zdroj – bod – četnosti výskytu horních hranic inverzí mezi těmito výškami – stabilitě • v metodice tabelována kumulativní četnost výskytu inverze mezi zemí a výškou 850 hPa 35

Výstupní hodnoty

• Metodika umožňuje stanovovat – průměrnou roční koncentraci – maximální možné krátkodobé koncentrace v dané třídě rychlosti a stability stability imisní zátěži zadanou hodnotu (dle legislativy) – maximální možnou koncentraci bez ohledu na třídu – podíly definovaných skupin zdrojů na celkové – dobu trvání koncentrace převyšující předem – doby překročení zvolených koncentrací od zdroje se sezónně proměnnou emisí 36

Výstupní hodnoty

průměry za delší časová období

• výpočty 1-h a 8-h průměrných koncentrací – prováděny pomocí úpravy rozptylových parametrů  • výpočty denních koncentrací (SO 2 , PM 10 ) – pomocí přepočtu hodinových hodnot na denní

C d



a



C h C h



L C d



b

 ln 

d C h



L

– L – limitní koncentrace vyplývající z tvaru obalové křivky závislosti 37

Speciální aplikace

• výpočet znečištění látkami vypouštěnými z chladicích věží • výpočet znečištění v údolích za inverzí a bezvětří 38

Speciální aplikace

chladicí věže

• spaliny jsou vypouštěny spolu s vlhkým vzduchem chladicími věžemi  hlavní rozdíly ve výpočtu – způsob stanovení převýšení zdroje (závislost na teplotě a vlhkosti okolního vzduchu a na četnosti výskytu mlh) – objem a teplota vypouštěných spalin závisí na venkovní teplotě a vlhkosti 39

Speciální aplikace

výpočet za inverzí (1/2)

• použity následující předpoklady: – uzavřená kotlina s bezvětřím a inverzním teplotním zvrstvením – údolí „zakryté“ shora inverzí – rovnoměrný rozptyl znečištění v oblasti (v horizontálním směru) – veškeré znečištění zůstává v údolí – výsledná koncentrace závisí na délce trvání inverze 40

Speciální aplikace

výpočet za inverzí (2/2)

vertikální profil koncentrací – osa x čas – osa y výška nad zemí 41

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

• vychází z projektu VaV/740/2/02 závěrečná zpráva projektu 2003) • (odoponovaná řešené okruhy: – situace s bezvětřím – resuspenze prachu ze zemského povrchu – silnice vedené zářezy – stanovení výšky komína s ohledem na zástavbu – denní koncentrace s přihlédnutím k provozní době – modelové hodnocení pachových látek 42

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

situace s bezvětřím

• • •

stávající metodika

– min rychlost 1.5 m.s

-1 i případy bezvětří – podhodnocení koncentrací (ZL jsou „odváty“ pryč)

náprava

– zavedení kategorie bezvětří s třídní rychlostí 0.5 m.s

-1 – větší horizontální rozptyl (meandrující vlečka)

rozdíly oproti stávajícímu stavu

– při výpočtu efektivní výšky rychlost 1.5 m.s

-1 (ne 0.5 m.s

inverze (T b -1 ) – ztrojnásobení rozptylu – odstraňování závisí na délce nepřetržitého trvání ) – omezení dosahu postupu za inverze (x  0.5 T b ) 43

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

resuspenze prachu (1/2)

• •

stávající metodika

– nezohledňuje

velikost emise závisí na

– rychlosti proudění – typu terénu – zrnitosti částic – atmosferické podmínky • „odtržení částice ze země“ – rovnováha mezi zdvihovou silou a váhou částice

C

1  3  .

 .



C

2 .



c

.

g

.

u d

 2 

C C

3 2 .

 .

c

 .

g

.

u

2 

d

• C1 < 1 – nulová emise 44

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

resuspenze prachu (2/2)

• velikost emise

Q i



const



pi

100 .

u

 .

d i

2 .



C

1  1 

M E



S

.

i m

  1

Q i

• nutné vstupní údaje – hustota částic – granulometrická křivka • dodatečná třída proudění (93.75% - 11 m.s

-1 , 6.25% - 20 m.s

povrchu -1 ) • statistické zohlednění vlhkého nebo zmrzlého 45

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

silnice vedené zářezy (1/2)

•

stávající metodika

– nezohledňuje • navržená parametrizace – uliční kaňon • odhad doby setrvání v kaňonu (zářezu)     1  

c

 1

A

 1

D

• příspěvek difuze a (advekce) k ventilaci

u H W

46

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

silnice vedené zářezy (2/2) 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0.5

2 3.5

5 6.5

8 9.5

rychlost proudění [m.s

-1 ] 11 12.5

14

H:W=2:1 H=10.0, W= 5.0

H=20.0, W=10.0

H=30.0, W=15.0

H=40.0, W=20.0

H=50.0, W=25.0

H=60.0, W=30.0

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0.5

2 3.5

5 6.5

8 9.5

rychlost proudění [m.s

-1 ] 11 12.5

14

H:W=1:2 H= 2.5, W= 5.0

H= 5.0, W=10.0

H= 7.5, W=15.0

H=10.0, W=20.0

H=12.5, W=25.0

H=15.0, W=30.0

• ovlivňuje transformaci NO  • má smysl uvažovat pro H > 5 m NO 2 47

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

stanovení výšky komína v zástavbě

• vyhodnocení rozsahu úplavu • vyhodnocení možnosti snížení osy vlečky pod stavební výšku zdroje  • v případě potřeby

upravit výšku zdroje

48

Návrh úpravy metodiky SYMOS’97

denní koncentrace

• •

stávající metodika

– neumožňuje zohlednění zdroje, který není v provozu po celý den

návrh řešení

– přenásobení denní koncentrace poměrem P h 24 49

Shrnutí

• použití metodiky: – rozptylové studie v souladu s legislativou – další rozptylové studie v lokálním až regionálním měřítku (maximální vzdálenost zdroj - bod je 100 km ) – stanovení potřebné výšky komína s ohledem na splnění imisních limitů • nelze použít na velké vzdálenosti a uvnitř městské zástavby • metodika je dále rozvíjena a doplňována 50