Monitoring rozprzestrzeniania zanieczyszczeń

Wykład I

Monitoring rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w atmosferze.

Emisja zanieczyszczeń do atmosfery czynniki topograficzne czynniki meteorologiczne:
- prędkość i kierunek wiatru
- pionowy gradient temperatury
- dyfuzja atmosferyczna
- grubość warstwy mieszania
- opady atmosferyczne
- przemiany zanieczyszczeń w atmosferze
- inne czynniki meteorologiczne

Charakterystyka warunków anemometrycznych (anemologicznych)
1. Rozkład prędkości, długotrwałości i kierunków wiatrów dolnych.
*Wyniki badań wskazują, że największa koncentracja zanieczyszczeń chemicznych występuje przy prędkości wiatru poniżej 12km/h co odpowiada 3,6m/s.

*W przeważającej części kraju średnie dobowe prędkości wiatru wynoszą od 3 do 4m/s. Najmniejsze wartości poniżej 3m/s odnoszą się głównie do całej wyżynnej części kraju. Największe prędkości przekraczają 4m/s, występują na Wybrzeżu oraz w Centralnej Wielkopolsce i na Nizinie Mazowieckiej, a także w wysokich, otwartych okolicach ( z wyjątkiem dolin). Średni przyrost wiatru wynosi 0,75m/s na każde 100m wysokości, dla obszarów położonych ponad 400m.n.p.m.

*Największe prędkości występują przeciętnie zimą a najmniejsze latem, zwłaszcza w lipcu i sierpniu.
* Większe prędkości występują w ciągu dnia niż w nocy.
* W ciągu doby największe prędkości wiatru przypadają w godzinach 14-15, najmniejsze w nocy między 20 a 03.00.
*Przeciętnie największe prędkości 4,3m/s występują ok.13 podczas kalendarzowej wiosny, najmniejsze zaś 1,8m/s o godz.21 w czasie lata.

2. Cisze.
Cisze są to najbardziej niekorzystne warunki dla samooczyszczania przyziemnej warstwy atmosfery.

Na większości obszaru kraju w skali roku, procentowy udział cisz kształtuje się od 5-10%, a ich częstość wzrasta głównie w kotlinach śródgórskich, nawet do 50%. Szczególnie groźne są cisze trwające nieprzerwalnie kilka dni i o dużym zasięgu pionowym, w czasie których stężenie zanieczyszczenia może wzrosnąć nawet kilkakrotnie.

Cisze jednogodzinne występują w Polsce z częstotliwością od 20 do 70%, przy czym, większą częstotliwością krótkotrwałych cisz charakteryzuje się zachodnia części kraju, a zwłaszcza pas nadmorski, gdyż występują z częstotliwością ponad 70%.
*Cisze trwające 2h stanowią już tylko poniżej 20% , a 4h (godzinne) poniżej 10% wszystkich przypadków.
*W skali roku udział cisz wzrasta latem (mniejsze prędkości wiatru).
*Od północy do wschodu słońca najczęściej występują cisze niezależnie od pory roku
* Cisze najrzadziej występują od południa do zachodu słońca


Średnie wahania liczby dni z ciszą i bardzo słabym wiatrem (0-2m/s) :
- wybrzeże ok. 40%
- środkowa Polska - ponad 50%
- południowa Polska
- obszary podgórskie i górskie - ok. 90% dni w roku

Wiatry silne i bardzo silne są przeciwieństwem wiatrów słabych i występują bardzo rzadko. Na większości obszaru kraju z częstotliwością poniżej 2%, częściej notowane są w pasie nadmorskim i środkowo - wschodniej Polsce.

Klasy turbulencyjności.
- brak turbulencji V=0m/s
- turbulencja słaba V > 0-4m/s
- turbulencja silna V>10-20m/s
- turbulencja bardzo silna > 20m/s

Największy udział czasu trwania wiatru o prędkości od 4-15m/s czyli takich przy których występuje co najmniej umiarkowana turbulencja w ponad 50% występuje na Pobrzeżu Słowińskim i Kaszubskim, na Suwalszczyźnie, ale także w środkowej części kraju. Najrzadziej z częstością nawet poniżej 20% warunki mierzalnej turbulencji występują w pd. części kraju, czyli w rejonach gdzie najczęściej występują cisze atmosferyczne.

Kierunek wiatru jest istotnym parametrem który powinien być uwzględniany przy lokalizacji zakładów przemysłowych. Możliwe maksymalne warunki wentylacji i rozpraszania zanieczyszczeń można uzyskać przez stosowanie tzw. wiatrowego rozstawu źródeł emisji, czyli przez lokalizację dowolnej ilości źródeł emisji możliwie prostopadle do przeważających kierunków wiatrów.



rys.









Pionowy profil prędkości wiatru :
Przyrost prędkości zależy od :
- charakteru podłoża
- stanu pionowej równowagi atmosfery
- prędkości wiatru

Tarcie powietrza :
- największe przyrosty prędkości wiatru wraz z wysokością występują zimą, najmniejsze - latem
- przyrost prędkości jest tym większy im silniej zaznacza się stan równowagi stałej

Pionowy profil kierunku wiatru :
- nocą największe przyrosty prędkości występują latem i jesienią a średni pionowy przyrost jest także większy niż w dzień , a dotyczy wiatru od 10 do 100m
- w szerokościach umiarkowanych, nad lądem średnio o 23,5˚ - 20˚, zimą 30˚
- nad terenem płaskim kąt skrętu w prawo jest mniejszy niż nad górzystym
- mniejszy kąt skrętu przy dużej prędkości wiatru i większy przy małej
- kąt skrętu zależy od krzywizny izobar - w obszarach niżów barycznych średnio 15-20˚, a wyżach 30-35˚

*Zależność prędkości wiatru od wysokości nad terenem :

V₂ = V₁ ( Z₂ / Z₁)^α

V₁ i V₂ - prędkości wiatru odpowiednio na wysokościach Z₁ i Z₂
α - wykładnik potęgowy zależny od szorstkości podłoża
V₁ - prędkość wiatru na wysokości 10m ( na takiej wysokości mierzy się w stacjach meteorologicznych)
* szorstkość podłoża zależy od pokrycia terenu np. woda najmniejsza, miasto (zabudowa) - największa, trochę mniejsza - lasy i zarośla itd.

WNIOSKI :
- znacznie gorsze warunki naturalnej wentylacji panują w nocy, lepsze w południe
- najbardziej wietrzną porą roku w Polsce jest zima, najmniej - lato
- korzystniejsze warunki rozprzestrzeniania zanieczyszczeń panują w północnej części kraju, zwłaszcza na Pobrzeżu Słowińskim i Suwalszczyźnie, ale także w nizinnej części kraju na Mazowszu i w centralnej części Pojezierza Wielkopolskiego.
Przeciwieństwem są szczególnie słabo wentylowane tereny wyżynne południowej części kraju oraz duże kotliny : Nowosądecka, Jeleniogórska, Tarnowska, Raciborska, Niecka Niedziańska
- w przypadku zorganizowanych źródeł emisji wpływ wiatru na rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń jest wypadkową działania dwóch przeciwstawnych czynników. Wzrost prędkości wiatru przyspiesza wprawdzie rozpraszaniu zanieczyszczeń, ale jednocześnie zmniejsza wynoszenie smogu ponad źródło emisji. Wypadkową ich działania jest pewna prędkość krytyczna przy której występuje maksimum stężenia zanieczyszczeń. Prędkość krytyczną można obliczyć ze wzoru BERLANDA. Wartości krytycznej prędkości jest zróżnicowana dla typów zakładów przemysłowych np. dla elektrowni cieplnych, wynosi ok. 5m/s, dla innych zakładów 1-2m/s.


Ćwiczenia I

Organizacja monitoringu i ocena jakości powietrza w Polsce.

1. Zanieczyszczenia - stałe, ciekłe lub gazowe domieszki występujące w ilościach przekraczających wartości naturalnych składników atmosfery oraz takie, które nie tworzą się w atmosferze w wyniku procesów naturalnych.

Zanieczyszczenia dzielą się na :
- pierwotne - występujące w atmosferze w postaci, w której zostały wyemitowane, np. ditlenek siarki
- wtórne - powstałe w wyniku reakcji chemicznych zanieczyszczeń pierwotnych między sobą lub reakcji zanieczyszczeń z naturalnymi składnikami atmosfery

Definicja PMŚ:
Państwowy Monitoring Środowiska - to system powołany do życia na podstawie Prawa o ochronie środowiska
PMŚ, według art.25 ustawy 2 - Prawo ochrony środowiska jest systemem :
- pomiarów, ocen i prognoz stanu środowiska
oraz
- gromadzenia, przetwarzania i rozpowszechniania informacji o środowisku

Ogólne zasady i kryteria rocznej oceny jakości powietrza.
Oceny jakości powietrza dokonuje się w strefach. W Polsce, zgodnie z ustawą, strefę stanowi :

* od 2010 r. obowiązuje nowy podział kraju na strefy. Strefę stanowi aglomeracja o liczbie mieszkańców pow.100tys., oraz pozostały obszar wojewódzki z wyłączeniem aglomeracji i miast powyżej 100tys., mieszkańców

* Ocena prowadzona jest z uwzględnieniem dwóch grup kryteriów :
a. ustanowionych ze względu na ochronę zdrowia ludzi dla terenu kraju i uzdrowisk
b. ustanowionych ze względu na ochronę roślin dla terenu kraju

Kryteriami klasyfikacji stref są :
* poziomy dopuszczalne
* poziomy docelowe
* poziomy celów długoterminowych ( dotyczy tylko ozonu)

*Poziom dopuszczalny dotyczy : SO₂, NO₂, NO_x, C₆H₆, PM₁₀, Pb i CO.
* Poziom docelowy dotyczy : As, Cd, Ni, B(a)P i O₃
* Poziom celu długoterminowego dotyczy tylko O₃

Ocena jakości powietrza :
Strefa C - poziom choćby jednej substancji przekracza poziom dopuszczalny, powiększony o margines tolerancji, w przypadku , gdy margines tolerancji nie jest określony, poziomy dopuszczalne lub poziomy docelowe
Strefa B - poziom choćby jednej substancji mieści się pomiędzy poziomem dopuszczalnym a poziomem powiększonym o margines tolerancji
Strefa A - poziom substancji nie przekracza poziomu dopuszczalnego, poziomy docelowego
Strefa D₁ - nie przekracza poziomu celu długoterminowego (O₃)
Strefa D₂ - przekracza poziom celu długoterminowego (O₃)

*Dla stref, które otrzymały klasę C, marszałek województwa w terminie 12 miesięcy od dnia otrzymania wyników oceny przedstawia do zaopiniowania właściwym Starostom projekt uchwały w sprawie programu ochrony powietrza POP.
* POP ma na celu zmniejszenie poziomów substancji w powietrzu
* W Polsce problemem są : PM₁₀, B(a)P i O₃

* Badanie i ocena jakości powietrza atmosferycznego w województwie zachodniopomorskim realizowane są w oparciu o :
- WIOŚ w Szczecinie
- Zespół Elektrowni „ Dolna Odra”

* Pomiary wskaźnikowe (metoda pasywna) - dla zanieczyszczenia : SO₂ i NO₂ (34pkt) oraz benzenu (21pkt) wykonane przez WIOŚ
* Obliczenia modelowe - rozprzestrzenianie się zanieczyszczeń w powietrzu dla obszarów poszczególnych stref województwa wykonane przez WIOŚ w Szczecinie

1

---