PROGNÓZNÍ STŘEDISKO ČISTOTY OVZDUŠÍ

PROGNÓZNÍ STŘEDISKO ČISTOTY OVZDUŠÍ

1. ÚVOD

Vědeckotechnická revoluce umožnila nebývalý růst výrobních sil, zvýšení společenské spotřeby a zlepšení mnoha stránek živo­ta člověka. Rozvoj výroby a techniky je však na druhé straně spojen se stále vzrůstajícími nároky na zdroje energie a surovin. S tím ovšem souvisí zhoršování některých složek životního pro­středí, mezi jiným též znečištění ovzduší.

Znečištění ovzduší je problémem vyspělých průmyslových států a oblastí. V našich podmínkách je hlavní příčinou poměrně vysokých úletů škodlivých příměsí do ovzduší struktura naší palivoenergetické základny. Hlavním zdrojem energie pro výrobu elektřiny a vytápění sídlišť je hnědé uhlí, vyznačující se vysokým obsahem síry. Oblasti, v nichž je soustředěn velký energetický a průmyslový potenciál, jsou trvale vysokou měrou postiženy nad­měrnými koncentracemi kysličníku siřičitého, vznikajícího při spalovacích procesech. Do ovzduší jsou vypouštěny i další plynné exhalace, vzniklé např. jako produkty chemických závodů. Eko­nomicky rentabilní a účinný systém odstraňování S0₂ ze spalin není v současné době k dispozici.

V ČSSR je na prvním místě z krajů nejvíce postižených zne­čištěním ovzduší kraj Severočeský a v něm zejména okresy Most, Teplice a Chomutov. Okres Chomutov je na prvním místě v ČSSR pokud jde o množství S0₂, vypouštěného ročně do ovzduší. Rozhodující podíl na tom má komplex tepelných velko-elektráren Tušimice I a II a Prunéřov I. V nedlouhé době k nim přibude ještě elektrárna Prunéřov II.

Prognóza vývoje emisí plynných škodlivin na další léta není příznivá, neboť hnědé uhlí zůstane i nadále základnou naší ener­getiky. Znečištění ovzduší však působí značné škody v národním hospodářství a v budoucnu se nevyhneme ani problémům sou­visejícím s přenosem škodlivin mimo území našeho státu. Naše společnost je tedy ve svém úsilí o komplexní zabezpečení potřeb pracujících postavena před komplikovaný úkol - uspokojit rostoucí nároky ve sféře výroby a současně při tom rozvojem průmyslu nenarušit životní prostředí člověka, potřebné k reprodukci jeho pracovní síly a v konečné míře i k umožnění existence lidského druhu vůbec.

2. Postavení a úkoly prognózního střediska Čistoty ovzduší v projektu regulace vel­kých zdrojů emisí

Jednou z cest, jak snížit vysoké znečištění ovzduší plynnými exhalacemi, je vytvoření účinného systému pro regulaci emisí velkých zdrojů. Regulace zdrojů však v každém případě znamená určité ekonomické ztráty ve výrobní sféře. Má-li být regulační opatření maximálně účinné při minimálních možných ztrátách, je nutno vydat k jeho uplatnění pokyn pouze za podmínek, při nichž dochází k nadměrnému růstu koncentrací škodlivin ve vzduchu. Pokyn musí být vydán s dostatečným předstihem, ještě před dosažením kritického znečištění. Regulační systém musí být proto doplněn prognózním a signálním systémem, vydávajícím krátkodobé předpovědi situací, za nichž dochází k nadměrnému znečištění v zájmové oblasti.

Za předpokladu konstantní úrovně emisí z uvažovaných zdrojů závisí koncentrace škodlivin ve vzduchu pouze na podmínkách atmosférického rozptylu v mezní vrstvě ovzduší, nebereme-li v úvahu chemické změny během transportu příměsí v ovzduší.

Pravděpodobnost situací s vysokým znečištěním lze tedy stanovit na základě meteorologické předpovědi podmínek rozptylu. Vy­budováním a zajištěním provozu prognózního a signálního sys­tému byl proto ústředními orgány ČSR pověřen Hydrometeoro­logický ústav Praha. Podle projektu, který v roce 1972 vypra­covalo Odborné středisko ochrany čistoty ovzduší (OSOČO) pražského HMÚ, byl prognózní a signální systém s určitými odchylkami realizován.

Ústřední složkou systému je Prognózní středisko čistoty ovzduší (PSČO), které je umístěno y nové budově stožárové observatoře v Tušimicích (obr. 1). Úkolem PSČO je sběr a zpracování meteorologických a imisních dat, jejich zpracování a interpretace podle zadaných metodik a vydávání výstrah v pří­padě pravděpodobnosti výskytu situací s vysokým znečištěním. Ve své činnosti PSČO úzce spolupracuje se synoptickou meteo­rologickou službou HMÚ, od niž přebírá krátkodobou před­pověď meteorologických prvků, sloužících jako vstupní data pro předpověď znečištění. Organizačně a metodicky je PSČO řízeno z OSOČO, od něhož přebírá vypracované metodiky prognóz a s nímž spolupracuje při verifikaci a zlepšování předpovědních metod. Dále pak pracovníci PSČO zajišťují obsluhu a údržbu nasazené spojovací a měřící techniky.

Pracoviště PSČO je postupně vybavováno moderními pro­středky měřicí techniky, s perspektivou zavedení automatizace měřeni a zpracování dat. Pro předpověď znečištění se bezpro­středně využívá údajů z telemetrické sítě na měření koncentrací SO₂ a sodarových měření.

3. TELEMETRICKÁ SÍŤ PRO MĚŘENÍ KONCENTRACÍ S0₂

Telemetrická monitorovací síť tvoří signální složku systému. Jako nejprogresívnější řešení, umožňující plnou automatizaci měření a kladoucí minimální nároky na potřebu pracovních sil, byl zvolen systém osazený monitory Philips PW 9700. Systém je tvořen pěti monitory, napojenými na centrální řídící a vyhodno­covací jednotku. Centrální jednotka je umístěna v budově PSČO. Prostřednictvím telefonních okruhů je spojena s monitory, umístěnými na různých lokalitách okresu Chomutov ve vzdále­nostech od 5 do 12 km vzdušnou čarou od budovy PSČO. Výběr lokalit byl omezen možností získání volných telefonních linek a vybudování elektrické přípojky. Monitory byly proto umístěny v obcích Chomutov, Březno u Chomutova, Žabokliky, Klášterec nad Ohří a Kadaň.

Funkce monitoru PW 9700 je založena na reakci mezi volným bromem v reagenčním roztoku a kysličníkem siřičitým, obsaže­ným v prosávaném vzorku vzduchu (Macner, 1975). Výsledkem reakce je úbytek volného bromu v roztoku. Tento úbytek je elektrochemicky indikován a přístroj reaguje na snížení koncen­trace volného bromu produkcí nových molekul bromu pomocí generačního elektrodového systému. Elektrický proud, potřebný k návratu koncentrace volného bromu v roztoku na původní úroveň, je tedy úměrný koncentraci S0₂ v prosátém vzorku vzduchu a slouží jako výstupní údaj přístroje. Rozsah měření koncentrací S0₂ je 0 — 3 mgm^-3. Reagenčnímu prostoru je před­řazen selektivní filtr, který odstraňuje ze vzduchu interferující příměsi, reagující s roztokem obdobně jako S0₂.

Výstupní proud chemické jednotky monitoru je v elektrické jednotce měněn na stejnosměrný proud 0—20 mA, digitalizován, modulován na nosnou frekvenci a přes přizpůsobovací jednotku vystupuje do telefonního okruhu a jeho prostřednictvím se do­stává na vstup ústřední jednotky. V ústřední jednotce je signál zpracován řetězcem telekomunikační modem - korekční zesilovač - analogově impulsní převodník - integrátor. V tomto řetězci se provádí automatická korekce měrného signálu a průměrování naměřených hodnot za časový úsek 30 minut. Každou půlhodinu probíhá na povel řídící jednotky tisk průměrovaných hodnot koncentrací S0₂ ze všech pěti monitorů. Tištěné hodnoty jsou současně děrovány na pásku. V případě potřeby lze k libovol­nému monitoru připojit kontinuální zapisovač pro registraci okamžitých hodnot koncentraci.

Ústřední jednotka dále zajišťuje vždy po 12 hodinách nulo­vání a kalibraci všech monitorů prostřednictvím povelů, vysí­laných monitorům po telefonním vedení. Během nulování a kalibrace monitory neměří. Dva půlhodinové průměry koncen­trací pro každý monitor tedy nejsou každý den k dispozici.

Z oblasti, pokryté telemetrickou sítí, je každý den k dispozici 230 hodnot půlhodinových průměrů koncentrací SO₂ (za před­pokladu bezporuchové funkce všech monitorů). Toto množství údajů poskytuje dostatečně dobrý přehled o změnách znečištění v chráněné oblasti a slouží jako jeden z prediktorů v metodě prognózy znečištění ovzduší.

4. SODAR

Pro ocenění podmínek rozptylu příměsí v atmosféře je roz­hodující určení charakteru teplotního zvrstvení v mezní vrstvě a lokalizace zádržných vrstev, blokujících vertikální transport příměsí. Dosavadní metody používané pro tento účel plně ne­vyhovovaly. Balónová radiosonda následkem velké stoupací rychlosti a setrvačnosti teplotního čidla nemůže zachytit všechny podrobnosti teplotního profilu v přízemní vrstvě. Další nevý­hodou je malá časová hustota sondáží a skutečnost, že radiosondážní stanice provádějící pravidelná kvalitní měření může ležet mimo zájmové území. K ocenění podmínek stability byly proto jako doplňující používány meteorologické prvky, které nepřímo charakterizují teplotní zvrstvení, např. dohlednost, druh oblačnosti, stav půdy apod.

Prudce se rozvíjející elektronika a automatizace nalézá široké uplatnění i v oboru meteorologických měřících metod. Do stadia provozního použití se dostaly přístroje, jejichž funkce je založena na vlastnostech šíření různých druhů vlněni atmosférou. Jedním z nich je sodar (akustický radar), pracující na příbuzném princi­pu jako klasický radiolokátor.

Anténa sodaru vysílá úzký svazek akustických vln ve slyšitel­ném frekvenčním pásmu. Akustické vlny jsou při průchodu atmo­sférou rozptylovány turbulentními fluktuacemi teploty a rychlosti větru. Část rozptýleného akustického signálu se vrací zpět k anténě a může být registrována jako echo. Sodar umožňuje sledovat oblasti s výskytem turbulentních fluktuací, srovnatel­ných s vysílanou vlnovou délkou. Sodar může pracovat nepře­tržitě a záznam je vyhodnotitelný v reálném čase. Vhodnou interpretací sodarových záznamů lze zjistit čas vzniku stabilních vrstev, blokujících vertikální transport příměsí, měřit výšku těchto vrstev nad povrchem a sledovat jejich vývoj a zánik (Parry a kol., 1975; Keder, v tisku). Sodar, provozovaný na PSČO Tušimice, má maximální výškový dosah 1500 m. Do­plňující zařízení, nabízená zahraničním výrobcem, by umožnila též měřeni profilu větru v mezní vrstvě ovzduší.

5. PŘEDPOVĚĎ DIFÚZNÍCH PODMÍNEK

Metody krátkodobé předpovědi potenciálu znečištění pro potřeby prognózního a signálního systému byly vyvinuty v OSOČO v rámci státního výzkumného úkolu P-16-331-055. Základem metod jsou práce Bubníka (1972) a Sládka (1972, 1975). Byly definovány čtyři tzv. rozptylové typy počasí, rozlišené prů­měrným směrem proudění v hladině 850 mb a znaménkem te­plotního rozdílu mezi povrchem země a hladinou 850 mb. Pro každý typ bylo zjištěno, do jaké míry při jeho výskytu převládají příznivé či nepříznivé podmínky pro rozptyl. Chráněná oblast byla pro účely tohoto studia rozdělena na údolní a horskou pod­oblast a difúzní poměry byly sledovány v rámci každého typu odděleně pro jednotlivé podoblasti. Na podkladě statistického zpracování řad imisních a meteoro­logických dat byly uvnitř každého rozptylového typu stanoveny regresní vztahy mezi vybranými meteorologickými prvky, imi­semi S0₂ z předchozího dne a imisemi v následujícím dnu. Dále byly stanoveny kritické hodnoty předpovídaných imisí -meze výstrah. Výstrahy se vydávají tehdy, jestliže existuje 25% pravděpodobnost, že v některém místě chráněné oblasti bude překročena průměrná denní koncentrace S0₂ 0.5 mgm^-3.

Organizace sestavování předpovědi a vydávání výstrah je tato: Předpověď se vydává s platností na následující den 07 — 07 hodin. Na PSČO jsou k dispozici vstupní data pro předpověď - prognóza meteorologických parametrů dodaná SMS HMÚ a imisní data z telemetrické sítě Philips. Vstupní data se zpracují podle pro­vozního manuálu a výsledná předpovězená hodnota imisí se porovná s kritickými hodnotami. V případě překročení těchto hodnot vzniká povinnost vydat výstrahu a předat ji regulačnímu systému emisí (obr. 2). Předpověď musí být zpracována do 14 hodin SEČ. Byla-li vydána výstraha, vyžádá si PSČO od SMS ve 20 hodin upřesnění prognózy meteorologických prvků a provede verifikaci předpovědi znečištěni. Podle výsledku veri­fikace je pak nutno vydanou výstrahu potvrdit nebo odvolat.

PSČO vydává prognózy potenciálu znečištění v zimním půl­roku, od začátku října do konce března následujícího roku.

V letní polovině roku se předpovědi nevydávají, neboť pravdě­podobnost překročení kritických hodnot je téměř nulová. Vy­dávání předpovědi bylo zahájeno v zimní sezóně 1973—1974.

V obdobích 1974–75, 1975–76 a 1976–77 vydávání prognóz pokračovalo, avšak pouze pro účely ověřování a vylepšování metod předpovědi, aniž by výstrahy byly předávány regulač­nímu systému.

V návaznosti na předchozí opatření ke komplexnímu řešení problematiky životního prostředí v pánevních okresech Pod­krušnohoří se plánuje zavedení regulace emisí závodů chemic­kého průmyslu. Vypracováním metod předpovědi situací, v nichž bude nutno tuto regulaci uplatňovat, byl opět pověřen Hydro­meteorologický ústav Praha. V navržené metodě se využívá jednak osvědčených rozptylových typů počasí, jednak je učiněn pokus o prognostické využití sodarových měřeni. Oproti původním metodám byl předpoklad platnosti vztahů mezi koncentracemi S0₂ a podmínkami počasí rozšířen i na jiné druhy škodlivin a na celou oblast Podkrušnohoří (Bubnik, 1976). Předpovědi podle této metody bude rovněž vydávat PSČO Tušimice. Účinnost regulačních opatření bude podle plánu ověřována v praxi v prů­běhu let 1977-78.

6. ZÁVĚR

Vybudováním Prognózního střediska čistoty ovzduší v Tušimicích, vypracováním metod předpovědi potenciálu znečištění a jejich zavedením do rutinního provozu splnil český Hydro­meteorologický ústav požadavky, které na něj byly kladeny roz­hodnutími ústředních orgánů o ochraně čistoty ovzduší. Bo­hužel, podmínky počasí v zimní sezóně 1973 — 74 byly natolik netypické, že za celé období nenastala ani jedna situace, za které by bylo nutno vydat výstrahu na vysoké znečištění ovzduší. Na konci sezóny byla provedena pouze simulovaná zkouška pohotovosti regulačního systému energetiky. Rozptylové pod­mínky v době této zkoušky byly dobré a podmínky pro vydání výstrahy nenastaly. V dalších sezónách bylo od regulačních opatřeni upuštěno, neboť by zhoršovala beztak již napjatou situaci v energetice. Komplexní prověření účinnosti celého prognosticko-regulačního systému v reálných podmínkách ne­bylo tudíž nikdy provedeno.

Prognózní a signální systém, přesto že již delší dobu pracuje bez návaznosti na systém regulační, je udržován v takovém stavu, aby mohl být kdykoliv aktivován. Obnovení této vazby a využití výsledků činnosti PSČO v denní praxi závisí na vybudování regulačního systému chemického průmyslu. Spolupráce PSČO při řešení problémů, které z praktické aplikace nových předpovědních metod vyplynou, bude zřejmě částí náplně činnosti střediska v této pětiletce. Výhledově lze rovněž počítat s účastí PSČO při řešení problematiky dálkového transportu příměsí v atmosféře a při zavádění automatizace sběru a zpracování meteorologicko-imisních dat.

Významným faktorem pro práci PSČO je vzrůstající zájem místních orgánů lidové správy o spolupráci v oblasti ochrany životního prostředí. Věříme, že prohlubování vzájemných kon­taktů se příznivě projeví jak v podmínkách činnosti PSČO, tak, a to především, v konečných výsledcích a smyslu činnosti střediska - zlepšení životních podmínek obyvatel průmyslových oblastí v Podkrušnohoří.

Literatura:

Macner, J.: Automatický telemetrický systém Philips. Výzkum­ná zpráva úkolu P-16-331-055-1/3.2, HMÚ, Praha, 1975.

Parry, H. D., Sanders, M. J., Jensen, H. P.: Operational Appli­cations of a Pure Acoustic Sounding System. j. Appl. Me­teorol., 14, 1975, s. 67-77.

Keder, J.: Sodar - nový prostředek sondáže mezní vrstvy ovzduší. Meteorol. zpr., v tisku.

Bubnik, J.: Krátkodobá prognóza potenciálu znečištění, 1. etapa. Výzkumná zpráva úkolu P-16-331-055-1/4.1, HMÚ, Praha, 1972.

Bubnik, J.: Krátkodobá prognóza podmínek šíření, 2. etapa. Výzkumná zpráva úkolu P-16-331-234-l/ř E 09a, HMÚ, Praha, 1976.

Sládek, L: Metodika předpovědi oblastního denního průměru imisí S0₂ pro horské a nízké polohy Chomutovska. Výzkumná zpráva úkolu P-16-331-055-1, HMÚ, Praha, 1972.

Sládek, I.: Vztahy mezi režimem znečištění a počasím v severo­západních Čechách. Meteorol. zpr., 28, 1975, č. 4, s. 97-103.

Sládek, L: Krátkodobá prognóza znečištění ovzduší. Závěrečná zpráva za úkol P-16-331-055-1/4, HMÚ, Praha, 1975.

Obr. 1. Pohled na budovu PSČO Tušimice z meteorologického stožáru (výška 80 m). Na střeše budovy jsou umístěny některé měřicí přístroje. Vlevo na snímku je viditelný kryt antény sodaru

Josef Keder, MZ 1977/5, ročník 30, str. 138-140