Sdružení obcí a měst Orlice, Powiat Klodzki a Euroregion Glacensis Ve spolupráci s Akademií věd ČR, Universitou Lausanne a Fakultou Stavební ČVUT

Sdružení obcí a měst Orlice, Powiat Klodzki a Euroregion Glacensis Ve spolupráci s Akademií věd ČR, Universitou Lausanne a Fakultou Stavební ČVUT KONFERENCE ORLICE 2001

Rekreační krajina a problematika znečištění ovzduší (Jablonné nad Orlicí) Karel Brych, ing. František Dittrt, Mgr. Josef Kořenář, CSc – Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, Eva Houbová – Matematicko-fyzikální fakulta UK, RNDr. Zbyněk Jaňour, DrSc – Ústav termomechaniky AV ČRi. 1. Úvod Okres Ústí nad Orlicí, do které region Tiché a Divoké Orlice patří, nenáleží podle vyhlášky MŽP č. 279/1993 Sb. mezi oblasti vyžadující zvláštní ochranu ovzduší. Z místních zdrojů znečišťování ovzduší mají především význam spalovací procesy. Vzhledem k postupující plynofikaci měst jsou dnes lokální topeniště na tuhá paliva postupně nahrazována zařízeními na spalování plynu. Dalším významným zdrojem znečištění je doprava, především automobilová. Velké zdroje znečištění (REZZO 1) nejsou podle OÚ Ústí n. Orlicí evidovány. Středních zdrojů znečištění (REZZO 2) bylo evidováno 11, např. kotelny průmyslových závodů apod. Jako malé zdroje znečištění ovzduší (REZZO 3) jsou významná lokální topeniště na tuhá fosilní paliva s instalovaným výkonem do 0,2 MW. Emise vlivem nízkých komínů, malé tepelné vydatnosti zdrojů a zejména morfologie regionu nejsou dostatečně rozptylovány. Mezi mobilní zdroje znečištění (REZZO 4) lze zejména uvést frekventovanou silnici II/11 jakožto zdroj emisí NOx, CO, polycyklických aromatických uhlovodíků a olova. Vzhledem k vyjímečnosti regionu, jakožto rekreační oblasti, je žádoucí i touto problematikou se zabývat. Proto v rámci projektu, studujícím region Tiché a Divoké Orlice, finančně dotovaném AV ČR, jsou v Ústavu termomechaniky AV ČR zkoumány procesy v mezní vrstvě atmosféry v regionu Jablonného nad Orlicí a zejména disperze znečišťujících látek. Nejprve byly shrnuty základní charakteristiky, důležité pro tyto procesy. Jablonné nad Orlicí leží v údolí na soutoku Tiché Orlice a Orlického potoka. Nadmořská výška nádraží je 419,46 m, okraj města pak dosahuje výšky přes 500 m n. m. Zástavba je rozvinuta na přiléhajících svazích, které spadají do údolních niv obou říček. Údolí Tiché Orlice odděluje Bukovohorskou hornatinu (Červenovodské sedlo 813 m n. m., Suchý vrch 995 m n. m.) a nižší Žamberskou pahorkatinu. Krajina je členitá, lesní porosty se střídají s otevřenými polními a lučními partiemi. Klimaticky je území města Jablonné nad Orlicí charakterizováno v tab. č. 1. Klimatická charakteristika

Klimatická oblast MT2

Počet letních dnů Počet dnů s prům. teplotou 10°a více Počet mrazových dnů Počet ledových dnů Prům. teplota v lednu Prům. teplota v červenci Prům. teplota v dubnu Prům. teplota v říjnu Prům. počet dnů se srážkami 1mm a více Srážkový úhrn ve vegetačním období Srážkový úhrn v zimním období Počet dnů se sněhovou pokrývkou Počet dnů zamračených Počet dnů jasných

20-30 140-160 110-130 40-50 -3 až –4°C 16-17°C 6-7°C 6-7°C 120-130 450-500 mm 250-300 mm 80-100 150-160 40-50

Tab. č. 1 Klimatické podmínky Jablonného nad Orlicí V regionu není přímo v provozu žádná klimatologická ani srážkoměrná stanice ČHMÚ. Nejbližší stanice je v Nekoři (505 m n. m., asi 5 km SZ od Jablonného). Průměrný roční úhrn srážek (třicetiletý průměr 1963 - 1993) je 844 mm, max. v červenci (102 mm), min. v dubnu (49mm). Odborný současný odhad větrné

růžice nebyl pro území Jablonného nad Orlicí k dispozici. Předpokládá se převládající západní až severozápadní proudění větrů.

2. Metoda fyzikálního modelování Procesy v atmosféře a zejména v její spodní části (cca do výšky 1km) označované jako Mezní vrstva atmosféry (MVA) jsou nesmírně komplikované, mnohé doposud nedořešené. Odtud je zřejmé, že nalézt metodu modelování proudění v MVA je úloha značně komplikovaná. Jedním z přístupů je využití matematických modelů v součinnosti s výkonnou výpočetní technikou. Metodu matematického modelování lze využívat především v případech jednodušších. Např. již orograficky komplikovaný terén přináší značné obtíže, mimo jiné do zavedení souřadného systému pro numerická řešení. Komplikacím tohoto druhu se dá vyhnout použitím analogových metod. Pro případy modelování MVA je to především metoda, která je označována jako fyzikální modelování. Ta spočívá v tom, že okrajové podmínky, především zemský povrch včetně staveb, vegetace, vodních ploch apod., jsou simulovány vhodným geometricky podobným modelem a modelem pole proudění vzduchu nebo vody v aerodynamickém tunelu nebo vodním kanálu, ve kterém je umístěn model krajiny. Tato myšlenka není nová. Snad poprvé ji užil francouzský inženýr Eifell, který se na předmětu podobném budově vloženém do volného proudu v aerodynamickém tunelu pokoušel nalézt optimální tvar budovy a odhadnout jeho součinitel odporu. Sedmdesátá a osmdesátá léta jsou pak ve znamení obrovského pokroku v tomto odvětví. Po politických změnách se podařilo zachytit tento trend i v naší republice. V Ústavu termomechaniky AV ČR se podařilo nejprve rozpracovat teoretické základy odvětví, navrhnout ekonomicky dostupná řešení, byl vybudován nezbytně nutný nový aerodynamický tunel a metoda je úspěšně vyvíjena a aplikována. Nový aerodynamický tunel v Ústavu termomechaniky byl konstruován jako přímý tunel s konstantním průřezem 1.5 x 1.5 m a s měřícím prostorem ve vzdálenosti 25.5 m. Tato vzdálenost zajišťuje splnění zmíněné podmínky na tloušťku mezní vrstvy. Vstup do tunelu je v uklidňovací komoře, která má rozměry 6 x 6 x 12 m. V jejích stěnách je prachový filtr o ploše 64 m*2. Na vstup navazuje směrovací koleno s lopatkami, které stáčí proud do horizontálního směru. Za kolenem následuje sekce sestávající z voštinového usměrňovače a šesti vyjímatelných sít, která umožňují vyrovnávat rychlostní profily a utlumovat turbulentní fluktuace. Za touto sekcí následuje proudovod (20,5 m délky) o konstantním průřezu 1,5 x 1,5 m.Měřicí prostor o délce 2 m je ohraničen odnímatelnými bočními stěnami ze skla o tloušťce 12 mm. Modely se umísťují na dno tohoto prostoru. Za měřicím prostorem tunel vyúsťuje do dvou směrovacích kolen, která jsou vzájemně pootočena o 90° a jsou pevná. Tekutinu pohání ventilátor o výkonu 30 kW. Tento ventilátor je opatřen regulátorem otáček ((0;1550) ot./min.) s nastavitelným úhlem lopatek, čímž se dociluje rychlosti proudění v měřicí komoře (0,1;13) m/s. Experimentální metody pro kvalitativní a kvantitativní odhady polí koncentrací jsou vyvíjeny ve spolupráci s Ústavem pro hydrodynamiku AV ČR a Ústavem fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Jako aplikaci je možné uvést řešení úloh znečištění od mobilních zdrojů v ulici uvnitř městské zástavby projekt evropského společenství COST, resp. řešení znečištění ovzduší olovem z Kovohutí Příbram a. s. v komplikovaném terénu. Nutno uvést, že i tuto metodu nelze aplikovat univerzálně, pro různé typy úloh je nutné odvodit, resp. použít různé tzv. metody aproximativní simulace.

3. Simulace znečištění ovzduší v intravilánu Jablonného nad Orlicí Pro diskutovanou úlohu byl po konzultacích se sdružením Orlice vybráno Jablonné nad Orlicí a jeho blízké okolí (o rozloze asi 1,5 x 1,5 km) tak, aby budoucí model zahrnoval podstatné lokality. Městský úřad v Jablonném nad Orlicí zajistil mapové podklady a základní údaje o zdrojích znečišťování ovzduší. Rozborem zadání bylo vybráno měřítko modelu 1 : 1000. Mapové podklady byly zvětšeny na plochu 1500 x 1500 mm a podle této výchozí mapy byl zhotoven plastický model, kde vrstevnice s rozlišením po 2 m jsou po 2 mm. Jednotlivé plochy vrstevnicového plánu byly vyrobeny z buničiny a slepeny disperzním lepidlem. Při stavbě modelu byla využita technologie (původně vyvinutá v ÚT), která zaručuje stabilitu modelu. Nakonec byly na modelu naznačeny, resp. namontovány podrobnosti dominující ve zkoumaném terénu. Jde především o lesní porost, vodní plochy, vyšší zástavbu ve městě a komunikace. Podklady pro tyto dominanty byly vyčteny z turistických map. Charakter zástavby, zejména rozložení budov a jejich výška, byl podchycen osobním pozorováním. Fotografie modelu je na obr. 1. Pro tento případ byla pro simulaci užita metoda nezávislosti na Reynoldsově čísle, kterou odvodil Cermak (1984). Princip této metody je popsána v monografii Jaňoura (2001) a předpoklady této metody byly ověřeny a jsou popsány v diplomové práci – Houbová (2001). Pro odhad kvalitativních vlastností proudění a šíření znečišťujících látek v ovzduší byla použita metoda vizualizace. Proudění vzduchu a tedy větrné poměry jinak průhledného vzduchu se zviditelňovaly cigaretovým kouřem, který vyvíjí zvláštní zařízení. Kouř byl osvětlen laserovým nožem a snímán video kamerou, resp. digitálním fotoaparátem. Takto získaný obraz byl pak počítačem digitalizován a uložen na pevný disk. Takto bylo sledováno SZ proudění kolmé na osu údolí. Obraz modelu prokázal, že při rychlostech kolem 1 ms-1 je

míra znečištění ovzduší vyprodukovaná městem přijatelná. Vzduch proudí údolím a emise odnáší mimo městskou zástavbu. Více bylo presentováno na konferenci Orlice ´97 – viz. Jaňour (1997).

Obr. 1 Plastický model krajiny v měřítku 1:1000

z IA

zp

ŠZ OS

xp

yp

x

ZN y

x,y,z osy vymezující vzdušný prostor

OS

odběrová sonda plynného kontinuálního vzo

ZN

zdroj znečištění ovzduší

ŠZ

šíření znečištění od zdroje

IA

infraanalyzátor plynů

xp, yp, zp osy možného pohybu odběrové sondy

Obr. 2 Měření koncentrací. (x, y, z souřadné osy, ZN – zdroj, IA – infraanalyzátor plynu, OS – odběrová sonda plynného kontinuálního vzorku, SZ – kouřová vlečka, xp, yp, zp,- osy možného pohybu odběrové sondy). Princip měření rozložení koncentrací je znázorněn na obr. 2. Vlastní měření bylo prováděno ve spolupráci s pracovníky Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR. Jako analyzátor byl použit Infračervený analyzátor IREX, který využívá specifické zvláštnosti CO2, jakožto heteroatomového plynu, absorbovat infračervené záření v určitém rozsahu vlnových délek. Spektrální rozsah absorpce leží zhruba v rozmezích 2 – 5 µm a vlastní absorpce je způsobena změnou rotačně-vibračních stavů molekul plynu. Z vybrané metody je zřejmé, že modelem zdroje je do měřícího prostoru vpouštěn testovací plyn, zde CO2 . Odběrovou sondou umístěnou na povrchu modelu jsou

získávány vzorky, které jsou silikonovou trubičkou nasávány do analyzátoru. Z takto naměřených koncentrací Cm jsou určeny koncentrace na prototypu – Cp pomocí vztahu

Q p U m  Lm    C p = Cm Qm U p  L p 

2

,

(1)

kde poměr rychlostí je vybrán 1:10, poměr měřítek je 1:1000. Byly sledovány pro region důležité bodové zdroje - tovární komíny firem Masokombinát a Bravo, a. s. Takto byly získány hodnoty bezrozměrných přízemních koncentrací K,

K≡

CUL2 , Q

(2)

kde je Q emise [kgs-1], C skutečná koncentrace [kgm-3], U charakteristická rychlost [ms-1], L charakteristický rozměr. Programem Arc Explorer, bylo určeno rozložení těchto koncentrací na ploše a k nim přiřazen mapový podklad. Toto rozložení je uvedeno na obr. 3 a 4.

Obr. 3 Rozložení bezrozměrných koncentrací K v okolí Masokombinátu

Obr. 4 Rozložení bezrozměrných koncentrací K v okolí závodu Bravo

Z těchto bezrozměrných hodnot je možné určit skutečné rozložení koncentrací pro různé hodnoty vydatnosti příslušných zdrojů, pro různé vnější rychlosti. Charakteristiky obou zdrojů se kvůli změnám výrobních procesů často mění, a proto byl proveden pouze odhad rozložení reálných koncentrací při plné pracovní kapacitě, kdy dochází ke spalování černého uhlí a tedy je nutné určit rozložení přízemních koncentrací SO2. Protože se k výpočtům rozložení přízemních koncentrací nebylo možné získat konkrétní údaje o zdrojích, jejich přesné parametry, byl použit kvalifikovaný odhad pro zařízení tohoto typu s výkonem 9 MW. Pro emise těchto zdrojů lze použít hodnotu Qp ≈ 15 gs-1. Pak z hodnot bezrozměrných koncentrací K byly určeny koncentrace C (viz vztah (29)) pro dva případy: • rychlost vně mezní vrstvy atmosféry (v hladině 850 hPa) 10 ms-1 • rychlost vně mezní vrstvy atmosféry (v hladině 850 hPa) 5ms-1. Pro takto určené koncentrace SO2 od Masokombinátu, resp. Brava, a. s. bylo opět bylo určeno rozložení přízemních koncentrací a k nim přiřazen mapový podklad. Toto rozložení je uvedeno na obr. 5 pro Masokombinát a obr. 6 pro Bravo, a. s.

a) b) Obr. 5 Rozložení koncentrací v okolí Masokombinátu při rychlosti větru a) 10 ms-1, b) 5 ms-1

a) b) Obr. 6 Rozložení koncentrací v okolí závodu Bravo při rychlosti větru a) 10 ms-1, b) 5 ms-1

4. Závěr Vypočtené koncentrace lze interpretovat jako koncentrace osmihodinové. Vyhláška MŽP 117/97 Sb., příloha č. 4, osmihodinové koncentrace bohužel neuvádí. Nicméně za předpokladu meteorologicky stacionární situace lze použít tyto hodnoty i jako koncentrace denní. Pro denní koncentrace SO2 je imisní limit 150 µgm-3. Ze všech obrázků je zřejmé, že modelové odhadnuté maximální koncentrace při předpokládaném režimu obou zdrojů tento limit přesahují. Přitom z obr. 5 a 6 je zřejmé, že při nižších rychlostech jsou koncentrace vyšší. Zdroje byly navíc zkoumány nezávisle na sobě a vzhledem k aditivnosti koncentrací pasivních příměsí je možné při souběhu zdrojů dílčí výsledky v daném bodě sečíst. Dále je nutno podotknout, že tato rozložení koncentrací jsou pro zadaný režim zdrojů. Pro režimy jiné, např. při snížení emisních hodnot, se budou přízemní koncentrace snižovat a tato redukce je lineárně úměrná, jak plyne ze vztahu (2). Maximální koncentrace znečišťujících látek se nacházejí cca 300 - 350 m od zdroje, asi 50 m severozápadně od osy proudění na návětrné stráni. Právě zde stojí sídliště s lokálními topeništi, která také nemalou měrou přispívají k znečištění ovzduší. Podchytit charakteristiky těchto lokálních zdrojů je z mnoha důvodů nemožné, a tedy odhad celkového znečištění je prakticky neproveditelný. V současné době je do města zaváděn topný plyn, ale vzhledem k rostoucím cenám tohoto média jsou oprávněné obavy, že část obyvatelstva této změny nevyužije. Neočekává se tedy zlepšení stavu ovzduší. Ke změně by ovšem měly býti přinuceni provozovatelé zdrojů větších, mezi něž patří námi sledované závody. Závěrem je nutné konstatovat, že pro rekreačně významný region, který dle v úvodu zmíněné vyhlášky MŽP nevyžaduje zvláštní ochranu ovzduší, je nutné posuzovat i z hlediska lokálního. V příspěvku bylo prokázáno, že díky nepříznivým orografickým podmínkám přízemní koncentrace v lokálním měřítku převyšují imisní limity a jsou tedy pro životní prostředí podstatné. Přitom bylo uvažováno indiferentní zvrstvení. V případě nepříznivých inverzí pak je možné očekávat, že hodnoty koncentrací budou ještě podstatně nepříznivější.

Poděkování: Práce vznikla během řešení grantů podporovaných GA AV ČR - A3040101 a badatelského projektu AV ČR č. 03. 5. Literatura Cermak J. E. (1984): Physical Modeling of Flow and Dispersion over Complex Terrain, Boundary layer Meteorology 30, 261 – 292, Houbová E. (2001). Fyzikální modelování proudění a difúze nad geograficky komplikovaným terénem, diplomová práce MFF UK, ss. 38, Jaňour Z. (2001): Modelování mezní vrstvy atmosféry, Karolinum, Praha, ss. 147, Jaňour Z. (1997): Výzkum znečištění ovzduší v regionu Jablonného nad Orlicí , v Konference Orlice ´97, Sborník, Letohrad 1997, 124 – 128. i

Dolejškova 5, Praha 8 182 00, tel. 0266053273, [email protected]