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)
