Autor RNDr. Josef Keder, CSc. Organizace Český hydrometeorologický ústav, Praha Název textu Návrh na další rozvoj monitorování kvality ovzduší v Praze Blok BK5 - Imisní monitoring Datum Prosinec 2001 Poznámka Text neprošel redakční ani jazykovou úpravou
NÁVRH NA DALŠÍ ROZVOJ MONITOROVÁNÍ KVALITY OVZDUŠÍ V PRAZE Z provedeného vyhodnocení stavu monitorování kvality ovzduší v Praze vyplynulo, že v současné době se využívá široká škála monitorovacích prostředků. Dominantní roli nicméně plní a rovněž v budoucnu nepochybně budou plnit stabilní monitorovací sítě. Závěry a doporučení projektu VaV/740/2/00 [1], ukončeného v listopadu 2001, potvrdily předběžné závěry vyvozené v kapitole 5.2 na základě inventury stávajících monitorovacích prostředků. Počet měřicích míst pro koncentrace oxidu siřičitého v Praze byl shledán jako zbytečně vysoký, naopak neúnosně nízký se jeví počet monitorovacích bodů pro znečišťující látky pocházející z dopravy (benzen, PAHs). Počet měřicích bodů pro troposférický ozon je více než postačující. Finální návrh optimalizované státní sítě monitoringu kvality ovzduší na území Prahy, provozované ČHMÚ, předpokládá redukci stávajícího počtu 13 automatizovaných stanic (AMS) na 9 měřicích bodů. Stanice AIM Vysočany by podle tohoto návrhu měla být přemístěna do východní až jihovýchodní části území Prahy 9 a na území Prahy by místo zrušených AMS Počernická a Vršovice měla být zřízena AMS nová, lépe lokalizovaná. Kromě měření PM bude zavedeno měření frakce PM 2.5 a rozšířeno měření těkavých organických látek benzenu, toluenu a xylenu (BTX). Celkově se v návrhu předpokládá následující skladba monitorovací automatizované monitorovací sítě: Oxid siřičitý 9 AMS Oxidy dusíku 9 AMS PM 9 AMS PM 2,5 2 AMS Ozon 5 AMS Oxid uhelnatý 5 AMS BTX na 3 AMS PAHs a těžké kovy na 1 AMS Vzhledem k velkým problémům s narůstající hustotou dopravy bylo v závěrech zmíněného projektu doporučeno zřídit na území Prahy další AMS typu dopravní, kterou v současnosti reprezentuje pouze AMS Mlynářka. V úvahu připadá zřízení takové stanice v blízkosti Barrandovského mostu. Tím by se celkový počet automatických monitorovacích stanic v Praze doplnil na, podmínkou je však vyřešení financování zřízení a zejména provozování takové stanice. 2
Tímto bude zřejmě konečný počet AMS optimalizován vzhledem ke stávajícím omezením, vyplývajícím z ekonomických podmínek, a další rozšiřování počtu AMS na území Prahy nelze očekávat. Pro doplnění a zahuštění měření se nabízí využití kombinace imisních měření ve stabilní monitorovací síti a výsledků pravidelných měření prováděných měřicím vozem. Návrh jednoho z možných postupů je obsažen v části 5.3.1. Hodnocení kvality ovzduší je vždy nutno provádět v vztahu k meteorologickým veličinám, určujícím podmínky transportu a rozptylu znečišťujících látek. Meteorologická data rovněž vstupují do rozptylových modelů, jimiž se do značné míry dá nahradit a doplnit informace monitorovací sítě o rozložení koncentračních polí. Aplikace takových modelů šíření znečištění v městském prostředí se předpokládá, nicméně přísun potřebných vstupních dat není zajištěn. V části 5.3.2. je proto podán návrh na rozšíření monitoringu meteorologických veličin na území Prahy s ohledem na potřeby hodnocení kvality ovzduší a zejména pro zajištění datových vstupů pro disperzní modely. Monitoring kvality ovzduší na území Prahy založený na kombinaci mobilních měření a stacionárních AMS Měření stacionárních monitorovacích stanic dostatečně přesně popisují vývoj imisní situace na dané lokalitě v čase, avšak hodnocenou oblast nepokrývají s dostatečnou hustotou. Krátkodobá kampaňová měření, například měřicím vozem, mohou vyřešit problém dostačeného prostorového pokrytí zájmové oblasti a umožňují sledování prostorové variability koncentračních polí, jsou však organizačně a finančně velmi náročná a zlepšení prostorového rozlišení (zvětšením počtu měřících bodů) se dosahuje za cenu zhoršení rozlišení v čase. Nabízí se proto logický závěr, že vhodným propojením výsledků obou druhů měření by bylo možné dosáhnout umocnění jejich výhod a potlačit nevýhodné stránky. V části 5.2.2. jsou popsány některé výsledky zpracování statistických vazeb mezi půlhodinovými koncentracemi oxidu dusičitého, získanými stabilní měřicí sítí, a synchronními měřeními mobilní laboratoře SZÚ v pravidelné síti bodů v letech 1994-1996. Zjištěné silné korelační vazby pro koncentrace oxidu dusičitého a ozonu opravňují ke stanovení regresních závislostí mezi údaji z mobilní laboratoře a stabilními monitory AIM. Příklad takové regresní závislosti je prezentován v části 5.2.2. Za předpokladu časové stability regresních koeficientů umožňují takové lineární regresní vztahy vypočítat koncentrace v uzlech pravidelné čtvercové sítě, v nichž byla prováděna mobilní měření, na základě údajů stacionární sítě i v době, kdy mobilní měření nejsou prováděna. 3
Tímto postupem lze dosáhnout vysokého stupně prostorového zahuštění údajů a je možno konstruovat mapy rozložení půlhodinových koncentrací NO 2 na území Prahy. Jelikož data stacionární imisní sítě jsou aktualizována každou hodinu, umožňuje tento postup konstruovat mapy vývoje imisní situace na území hlavního města prakticky v reálném čase. Na obrázku 1 je zachycen vývoj pole hodinových průměrných koncentrací oxidu dusičitého na území Prahy 26. listopadu 1999 mezi 4:00 a půlnocí středoevropského času.. Mapy jsou prezentovány s krokem 5 hodin. Na obrázcích je vyznačena síť hlavních pražských komunikací. 4:00 SEČ 9:00 SEČ µg/m^3 140 130 120 1 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 µg/m^3 140 130 120 1 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 13:00 SEČ µg/m^3 140 130 120 1 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 18:00 SEČ 140 130 120 1 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 24:00 SEČ µg/m^3 140 130 120 1 0 90 80 70 60 50 40 30 20 0 Obrázek 1 Mapy vývoje hodinových průměrných koncentrací oxidu dusičitého na území Prahy 26.11.1999 mezi 4:00 a 24:00 SEČ 4
Je vidět, že popsaný postup umožňuje zachytit časový vývoje pole imisí na podstatné části území Prahy. Na základě takových map je možno, při znalosti hustoty osídlení jednotlivých oblastí Prahy, posuzovat míru rizika expozici obyvatel znečišťujícím látkám pocházejícím dopravy. Pokud by existovala metoda předpovědi koncentrací pro lokality stacionární monitorovací sítě, bylo by rovněž možno konstruovat i prognostické mapy, což by mělo velký význam pro provoz smogového systému na území Prahy. Navrhuje se proto kombinovat výsledky stacionárních a mobilních měření popsaným postupem. Za tím účelem je nutno: Vyhodnotit regresní závislosti mezi koncentracemi měřenými monitory AIM a měřeními mobilní laboratoře v bodech čtvercové sítě pro oxid dusičitý a ozon. Provádět výpočty koncentrací v bodech pravidelné sítě a konstruovat mapy pole koncentrací Pravidelně aktualizovat regresní vztahy na základě měření mobilní laboratoře. Monitoring meteorologických podmínek na území Prahy pro potřeby hodnocení kvality ovzduší Meteorologická data na území Prahy jsou v současné době získávána jednak na profesionálních stanicích ČHMÚ, jednak monitorovací stanici AIM Smíchov. ČHMÚ provozuje v Praze tyto meteorologické stanice: Praha-Ruzyně (specializovaná letecká stanice) Praha-Libuš Praha-Karlov Praha-Klementinum Ruzyně a Libuš jsou automatické meteorologické stanice umístěné na severozápadním a jižním okraji města. Stanice Karlov s manuální obsluhou je lokalizována v blízkosti městského centra nad Nuselským údolím. Stanice Klementinum je umístěna v centru města přibližně na úrovni hladiny Vltavy, její měřicí program však zahrnuje pouze klimatologická pozorování třikrát denně a není měřen vítr. Na observatoři ČHMÚ Praha-Libuš jsou rovněž prováděna měření vertikálních profilů meteorologických veličin. Radiosondážní stanice zajišťuje čtyřikrát denně měření profilu tlaku, teploty a vlhkosti vzduchu, směru a rychlosti větru až do výšky cca 30 km. Dále je k dispozici 5
nepřetržité měření výškového profilu větru sodarem (akustickým lokátorem) do výšky 500-0 m nad terénem s krokem po 50 m. Stanice AIM Smíchov, umístěná v blízkosti vyústění Strahovského tunelu, poskytuje půlhodinové průměry teploty a vlhkosti vzduchu jakož i směru a rychlosti větru. Měření větru není v důsledku špatné ventilace lokality, kde je umístěna, reprezentativní pro širší okolí. Z uvedeného výčtu vyplývá, že nejsou k dispozici meteorologické informace z lokality v blízkosti centra města na úrovni dna vltavského údolí. S ohledem na terénní reliéf města a z něho vyplývající častý výskyt inverzí teploty a vzhledem k rozdílným ventilačním podmínkám v údolí Vltavy a ve výše položených částech Prahy je nutno tento fakt pokládat za vážný nedostatek. Jeho závažnost ještě vynikne v kontextu úvah o využití matematických modelů pro posuzování transportu a rozptylu znečišťujících látek na území Prahy. Například předpokládaná aplikace modelového systému AIRVIRO pro modelování imisní situace na území hlavního města v reálném čase je přímo podmíněna zavedením speciálních měření meteorologických prvků a jejich on-line přenosem do výpočetního systému. V rámci dalšího rozvoje monitoringu kvality ovzduší v Praze se proto doporučují následující opatření Vybavení dalších monitorovacích stanic AIM v Praze meteorologickými čidly. Jako minimální varianta připadá v úvahu doplnění meteorologických měření na AIM Kobylisy a na další uvažované stanici AIM typu dopravní, s možným umístěním v blízkosti Barrandovského mostu. Vybudování specializovaného měřicího stanoviště pro získávání vstupních dat pro disperzní modely provozované na území Prahy, vybavené meteorologickým stožárem a systémem SODAR/RASS pro kombinované měření výškových profilů teploty a větru. Takovéto měřicí stanoviště bude třeba lokalizovat na dno vltavského údolí v blízkosti městského centra. V rámci předběžných úvah byl jako vhodná lokalita vytipován areál čističky odpadních vod na Císařském ostrově v Praze- Troji, sledovat je ovšem nutno i jiná možná řešení. 6
Požadavky na meteorologická čidla pro stanice AIM Požadavky na charakteristiky meteorologických čidel Meteorologický prvek Požadovaná citlivost čidla Rychlost větru rozběhová rychlost 0.5 m/s Směr větru rozběhová rychlost 0.5 m/s (vyvolá změnu směru stupňů) Teplota vzduchu časová konstanta 30 sec Relativní vlhkost časová konstanta 30 sec Globální záření časová konstanta 5 sec operační rozsah teplot -20 až +40 st. C spektrální obor 285 až 2800 nm Požadavky na celkovou přesnost a rozlišovací schopnost měřicího systému meteorologických veličin (Celková přesnost a rozlišovací schopnost zahrnuje charakteristiky celého měřicího řetězce: čidlo, převodník, přepočet a uložení dat) Meteorologický prvek Požadovaná přesnost systému Požadované rozlišení Směr větru (v azimutu i elevaci) ± 5 stupňů 1 stupeň Teplota vzduchu ± 0.2 st. C 0.1 st. C Relativní vlhkost ± 3% Globální záření ± 5% pozorované hodnoty 5 sec Navrhované vybavení specializovaného měřicího stanoviště a požadavky na meteorologická čidla V souladu s požadavky na vstupní data systému AIRVIRO [2] a dalších modelů šíření znečišťujících látek je třeba specializované měřicí místo vybavit pro měření následujících meteorologických veličin: Teploty vzduchu na úrovních 2, 8 a 22 m nad terénem Relativní vlhkosti vzduchu ve výšce 2 m nad terénem Teplotní diference mezi úrovněmi 2 a 22 m Směru a rychlosti větru ve výšce m nad terénem Složek vektoru větru a jejich směrodatných odchylek ve výšce 25 m nad terénem (doporučeno měřit ultrazvukovým anemometrem) Globálního záření ve výšce 2 m nad terénem 7
Pro umístění čidel v příslušných výškových patrech je měřicí místo potřeba vybavit příhradovým stožárem výšky 25 m, s příslušnými výložníkovými rameny, a stožárem m pro měření směru a rychlosti větru v této hladině. Dále se navrhuje přemístění systému SODAR/RASS z observatoře ČHMÚ Praha-Libuš na toto specializované měřicí místo, což by umožnilo rozšíření měření profilu teploty a větru až do výšky 00 m nad terénem (podle meteorologických podmínek pro rozptyl akustických vln). Požadavky na charakteristiky meteorologických čidel pro stožárová měření Meteorologický prvek Požadovaná citlivost čidla Rychlost větru horizontální rozběhová rychlost 0.25 m/s Směr větru rozběhová rychlost 0.25 m/s (vyvolá změnu směru stupňů) Teplota vzduchu časová konstanta 30 sec Vertikální teplotní rozdíl časová konstanta 30 sec Relativní vlhkost časová konstanta 30 sec Globální záření časová konstanta 5 sec operační rozsah teplot -20 až +40 st. C spektrální obor 285 až 2800 nm Požadavky na celkovou přesnost a rozlišovací schopnost měřicího systému meteorologických veličin pro stožárová měření (Celková přesnost a rozlišovací schopnost zahrnuje charakteristiky celého měřicího řetězce: čidlo, převodník, přepočet a uložení dat) Meteorologický prvek Požadovaná přesnost systému Požadované rozlišení Směr větru (v azimutu i elevaci) Lepší než 0.3% 1 stupeň Teplota vzduchu ± 0.1 st. C 0.1 st. C Vertikální teplotní rozdíl (ventilovaná čidla v radiačním Lepší než ± 0.03 st. C 0.02 st. C krytu) Relativní vlhkost ± 3% Globální záření ± 5% pozorované hodnoty 5 sec Požadavky na ultrazvukový anemometr pro měření složek větru ve výšce 25 m Přímo měřené veličiny složky větru u,v,w Odvozené veličiny směr a rychlost horizontálního větru stanovené výpočtem směrodatné odchylky σ u, σ v, σ w Pracovní rozsah rychlosti 0-60 m/s větru 8
Vzorkování Výstup Interval průměrování nastavitelné v oboru 0.1 až 1 Hz analogový, sériový RS232 nastavitelný v rozsahu 60 až 3600 sec Odhad nákladů na vybavení speciálního měřicího stanoviště Vybavení měřicího stanoviště kvalitními čidly splňujícími dříve uvedené požadavky je značně ekonomicky nákladné. Hrubý odhad nákladů na čidla a stožáry podle současných cen včetně DPH vypadá následovně: Počet Cena včetně DPH Čidlo teploty 3 44 000 Kč Ventilovaný kryt 3 6 000 Kč Čidlo vlhkosti 1 20 000 Kč Globální záření 1 24 000 Kč Stožár m 1 29 000 Kč Stožár příhradový 28m 1 356 000 Kč Sonic anemometr 2 195 000 Kč Celkem 774 000 Kč Ve výčtu nejsou zahrnuty náklady na montáž stožárů a instalaci čidel, cena řídícího počítače a programového vybavení pro sběr a komunikaci dat. Dále je nutno počítat s cenou za zpracování projektu a náklady na příslušné stavební řízení. Další náklady by si vyžádalo případné přestěhování systému SODAR/RASS na navrhovanou lokalitu a jeho zprovoznění. Přesnější odhad nákladů by zřejmě byl předmětem speciální studie, nicméně realistický odhad výsledné ceny celého projektu zřízení specializovaného měřicího stanoviště pro monitorování meteorologických vstupů pro disperzní modely, provozované pro území Prahy, se pohybuje v rozpětí 1.4 až 1.6 mil. Kč. ČHMÚ může ze svého rozpočtu v rámci plánovaného rozvoje monitorovacích systémů na území Prahy pokrýt část uvedených nákladů, je však nezbytné najít další zdroje financování takové akce a zajistit příslušné krytí nákladů provozních. 9
Literatura [1] Zpráva za řešení dílčího úkolu DU01 projektu VaV/740/2/00 Vyhodnocení připravenosti České republiky splnit požadavky na kvalitu ovzduší podle směrnic EU a Konvence LRTAP, ČHMÚ Praha, 2001 [2] AIRVIRO - An Integrated System for Air Quality Management. Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrköping, 1997