Ing. Petr Jančík, PhD., Ing. Marek Lesák
Laboratoř GIS, Katedra ochrany životního prostředí v průmyslu
Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství
VŠB - Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava - Poruba
E - mail: petr.jancik@vsb.cz, marek.lesak@vsb.cz
Air pollution is predicted using dynamical or statistical mathematical models for a longer time. Dynamical models were created above all for modeling of liquids flowing and now they are used in aerodynamics, hydromechanics and other machine engineering branches. Statistical models exist almost 100 years for solving spreading of air pollutants from point stationary sources. Both types of models are used for modeling parts of machines or for small number of sources on a limited area. GIS opens new possibilities for modeling using both types of models. In GIS Laboratory we are engaged for a longer time in using new information technologies for environmental control and protection. This paper shows some experiences with connection between GIS and model SYMOS 97 and possibilities of its use for solving air pollutants concentrations in a large area on an example of all sources (point, linear and areal) in Opava district. There is also shown new methodic for modeling emissions from local furnaces using GIS analysis and possibilities of its evaluation, and also analysis of effects of different groups of sources.
Znečištění ovzduší se předpovídá již delší dobu pomocí dynamických nebo statistických matematických modelů. Dynamické modely byly vyvinuty zejména pro modelování proudění tekutin a používají se dnes v aerodynamice, hydromechanice a dalších strojírenských oborech. Statistické modely jsou k dispozici již téměř sto let pro řešení rozptylu znečišťujících látek z bodových stacionárních zdrojů znečišťování. Oba druhy modelů byly dosud využívány buď pro modelování strojních částí, nebo menšího počtu zdrojů na omezeném území. S využitím GIS se otvírají zcela nové možnosti pro modelování složek životního prostředí oběma typy modelů. Na pracovišti Laboratoře GIS na katedře Ochrany životního prostředí v průmyslu se již delší dobu zabýváme využitím nových informačních technologií pro kontrolu a ochranu životního prostředí. Tento příspěvek uvádí některé zkušenosti z propojení GIS s modelem SYMOS 97 a ukazuje možnosti jeho využití pro řešení imisní situace v rámci rozsáhlého území na příkladu okresu Opava s velkým množstvím různých druhů zdrojů (bodových, liniových a plošných). Dále se uvádí nová metodika řešení emisí z lokálních topenišť s využitím analýz pomocí GIS a možnosti vyhodnocení výstupů a analýz podílu vlivů různých skupin zdrojů.
Pracovníci autorského kolektivu se zabývají využitím nových informačních technologií pro ochranu životního prostředí již od roku 1991. K prvnímu úspěšnému propojení matematických modelů rozptylu znečišťujících látek v ovzduší a GIS došlo v roce 1992. V roce 1997 vznikla za přispění Ministerstva životního prostředí ČR v rámci Katedry OŽP v průmyslu Laboratoř GIS, ve které se zabýváme využitím technologie GIS pro ochranu ŽP. Významná část práce v Laboratoři je věnována integraci statistických i dynamických matematických modelů a technologie GIS s cílem automatizované přípravy dat pro modely, analýzy a prezentace výsledků modelování.
Ing. Petr Jančík, PhD., vedoucí Laboratoře GIS, je autorizovanou osobou pro zpracování rozptylových studií podle Zákona o ovzduší (86/2002 Sb.).
V současné praxi se používají dva typy modelů, které jsou principiálně odlišné. Odlišují se rovněž rozšířením v praxi, náročností matematického základu, náročností výpočtů i zadávání vstupních parametrů. Jsou to:
První z nich jsou založeny na přímém použití základních hydrodynamických a termodynamických rovnic, které se řeší numericky. Druhé používají analytické řešení na základě upravené rovnice difúze zjednodušené na základě praktických pozorování. Statistické modely tedy popisují skutečné proudění zjednodušeným způsobem, vycházejí ze zjednodušených předpokladů a okrajových podmínek:
SYMOS 97 byl vydán v roce 1998 jako doporučená metodika MŽP ČR ve Věstníku ministerstva. Zároveň byla tato metodika zpracována jako software pro počítače třídy PC s operačním systémem Windows NT, DOS/Windows 95, 98 i pro počítače třídy pracovních stanic s OS UNIX. Program dodává firma Idea Envi, s.r.o. Metodika je určena především pro vypracování rozptylových studií jakožto podkladů pro hodnocení kvality ovzduší. SYMOS 97 umožňuje výpočet znečištění ovzduší plynnými látkami a prachem z bodových, liniových a plošných zdrojů. Pro každý referenční bod umožňuje metodika výpočet těchto základních charakteristik znečištění ovzduší:
Tak jako obecně u statistických modelů, existují i zde stejná omezení. Navíc není možno výsledky vyhodnocovat uvnitř městské zástavby pod úrovní střech budov (např. na křižovatkách nebo v kaňonech ulic). Metodika není rovněž použitelná pro výpočet znečištění ovzduší ve vzdálenosti nad 100 km od zdrojů. Základních rovnic modelu rovněž nelze použít pro výpočet znečištění pod inverzní vrstvou ve složitém terénu a při bezvětří. Při posuzování výsledků modelování je třeba přihlédnout k uvedeným omezením.
Na pracovišti Laboratoře GIS používáme kromě jiných modelů také SYMOS 97, zpracovaný jako software pro počítače třídy PC i pro počítače s OS UNIX (Idea Envi, s.r.o.). U nás využíváme uvedený programový balík pro modelování znečišťování ovzduší pro různé účely, zejména pro posuzování vlivu technologií na životní prostředí, ale také pro komplexní řešení problematiky znečišťování v rozsáhlém území. Cílem propojení GIS a modelu SYMOS 97 je zajistit možnost současného zpracování velkého množství zdrojů znečišťování ovzduší při co nejmenší generalizaci. Tak rozsáhlé a detailní modelování není možné bez využití GIS.
Všechna potřebná data vstupují do modelu SYMOS jako textové soubory se stanoveným formátem. Pro jejich přípravu je dodáváno v rámci modelovacího programu několik modulů, které usnadňují jejich vytvoření. Je také možno tyto soubory připravit ručně ve vhodném textovém editoru nebo jiným programem.
Potřebná vstupní data pro model SYMOS 97 jsou:
Pro modelování metodikou SYMOS 97 je nutno zadat tvar reliéfu celé modelované oblasti. Například pro oblast okresu Opava a přilehlých okresů byly k dispozici tyto zdroje dat o průběhu terénu:
Ze všech zdrojů dat byly vytvořeny vektorové digitální modely terénu v nepravidelné trojúhelníkové síti (TIN) a byly převedeny na jeden společný model. Z něj byl vytvořen rastrový model terénu (LATTICE) s krokem 100 m.
Obrázek č. 1: Příprava terénu pro modelování z více zdrojů dat
Zdroje znečišťování ovzduší v rozsáhlém území je možno rozdělit na zvlášť velké, velké, střední, malé, lokální topeniště a mobilní zdroje.
Data o zvlášť velkých a velkých zdrojích jsou dostupná v digitální podobě v ČHMÚ (databáze REZZO 1). Po úpravě je možno vytvořit databázi, která obsahuje potřebné vstupní údaje pro modelování. Teoreticky by bylo možno dále zpracovat tuto databázi do podoby vstupních textových souborů pro SYMOS i bez použití GIS. Zdroje jsou totiž lokalizovány v Gauss-Krügerových souřadnicích. Předpokladem ale je, že všechna ostatní data budou vedena ve stejném souřadném systému.
V modelu SYMOS používáme souřadný systém S-JTSK, a proto je nezbytným krokem transformace souřadnic. K transformaci využíváme GIS. Bez něj by byl převod při velkém množství zdrojů (např. pro okresy Opava, Ostrava, Karviná, Nový Jičín a Bruntál je to 436 zdrojů) velmi obtížný.
Údaje o středních zdrojích znečišťování ovzduší vedou dosud okresní úřady, data se pak centrálně soustřeďují v databázi REZZO 2. Například pro okres Opava obsahovala databáze údaje o celkem 1627 topeništích, umístěných v 678 zdrojích. Zdroje jsou obvykle lokalizovány pouze adresou. Proto byly zaměřeny jejich souřadnice pomocí GPS a vyhodnocením v ortogonalizovaných leteckých snímcích a převedeny do digitální podoby v GIS. Po připojení databáze s údaji o zdrojích bylo možno vytvořit vstupní soubor se zdroji pro SYMOS. Tato práce je zautomatizována a jsou připraveny programové moduly v GIS, které umožňují podobné zpracování jakéhokoli množství zdrojů.
Údaje o malých zdrojích znečišťování ovzduší jsou shromážděny na příslušných obecních úřadech, obvykle na papíře. Celkem byly v případě okresu Opava na příslušných orgánech obcí shromážděny údaje o 683 malých zdrojích. Byla vytvořena digitální databáze, ve které byly doplněny chybějící údaje a provedeny výpočty emisí. Lokalizace těchto zdrojů je provedena pouze názvem a kódem obce.
Provozovatelům lokálních topenišť zákon neukládá oznamovací povinnost, a proto neexistuje žádná ucelená databáze s těmito údaji. Získání potřebných dat pro modelování je proto obtížné. Emise škodlivin lze vypočíst z množství a druhu spotřebovaného paliva. Jako základ pro výpočet palivové bilance lokálních topenišť je možno použít data ze Sčítání lidu, domů a bytů z ČSÚ. Ve Sčítání lidu z roku 1991 však nebyly správně shromažďovány informace o způsobu vytápění bytů, proto není možno vypočítat palivovou bilanci přímo, ale je možno vycházet z předpokládané spotřeby tepla v zástavbě rodinných domů, která je závislá na počtu bytů v rodinných domech, uvedených ve Sčítání, a ze struktury spotřebovaných paliv. V současné době jsou zpracovávána na ČSÚ data z nového Sčítání lidu (2001), kde jsou uvedeny i druhy topenišť v rodinných domcích a bytech a použitá paliva. Bohužel do současné doby nejsou tato data k dispozici.
Všechny emise z malých zdrojů a lokálních topenišť jsou prostorově lokalizovány na obce nebo sídla. Pro přesnější modelování je tato lokalizace nedostatečná a výsledky značně nepřesné. Proto byla s využitím analytických možností, které poskytuje GIS, vytvořena nová metodika pro přesnější prostorovou lokalizaci emisí ze zdrojů, které představují obytné rodinné domy a malé průmyslové technologie v nich. Podle metodiky SYMOS 97 je možno plošný zdroj (zástavbu) nahradit čtvercem nebo sadou čtverců.
Jednotlivé malé zdroje znečišťování a lokální topeniště jsou lokalizovány v rodinných domech. Nejdříve se tedy musí analyzovat z dostupných prostorových dat rozložení tohoto typu zástavby. Porovnáním s leteckým snímkem bylo zjištěno, že zástavbu rodinných domků nejlépe charakterizují polygony vrstvy zástavby (DMÚ 25) o velikosti od 20 do 300 m2. Pro celý okres bylo takto vybráno 28 000 rodinných domů. Výběr byl ověřen v obci Staré Těchanovice terénním průzkumem a v intravilánu Opavy z leteckého snímku (2 extrémně různé charaktery zástavby). Lepší shoda se ukázala ve městě Opava (až 90 procent). V obci Staré Těchanovice se ukázala shoda v 65 procentech z důvodu méně typického stylu zástavby (převážně bývalé statky), než v centrálních částech okresu. Tato nižší shoda v typických zemědělských obcích nevadí pro další analýzu, protože vybrané polygony (menší než 300 m2) jsou v intravilánu obce rozmístěny pravidelně mezi ostatními rodinnými domy a dobře charakterizují rozložení této zástavby. Pro ověření správnosti údajů bylo dále provedeno srovnání se statistickými údaji za sčítání lidu (počet rodinných domků v základní sídelní jednotce).
Obrázek č. 2: Analýza druhu zástavby z letecké fotografie [1]
Obrázek č. 3: Reprezentace rodinných domů čtvercovým gridem, pokrývajícím celé území [1]
Obrázek č. 4: Zdroje pro statistický model s emisemi rozpočtenými podle množství reprezentovaných rodinných domů [1]
Byla tedy připravena vrstva prostorových dat se zástavbou rodinných domů pro celý okres. Vektorová data byla převedena na binární grid o velikosti buňky 10 m s následnou generalizací na čtverce o rozměrech 500 m. Každému čtverci byla přiřazena váha, závisející na množství zástavby rodinných domků. Byla získána sada čtvercových plošných zdrojů o rozměrech 500 m, reprezentujících s určitou vahou zástavbu z rodinných domů pro celý okres. Nakonec se výsledný grid převedl na bodové prvky. Vypočtené emise za jednotlivé územní celky (obec, sídlo nebo základní sídelní jednotky) mohly být pak rozpočteny podle uvedené váhy na jednotlivé zdroje, reprezentované těmito body. Rozložení emisí je tedy úměrné váze. Každý bod má své emise a tvoří spojovací článek mezi obcí a sídlem. Takovýmto způsobem je zajištěn vzájemný přepočet dat ze sídla na obec a naopak a korektní rozložení emisí do zástavby.
Metodika SYMOS 97 umožňuje modelovat také liniové zdroje, reprezentující silnice s provozem motorových vozidel a železnice s provozem vlakových souprav. Emise z těchto zdrojů se vypočítávají z emisních faktorů pro jednotlivé druhy vozidel a z hustoty provozu těchto vozidel na příslušných komunikacích. Model SYMOS 97 umožňuje zadávat jednoduchou geometrii liniového zdroje - úsečku, která je určena souřadnicemi koncových bodů. Střed úsečky pak reprezentuje celý úsek jako bodový zdroj.
S využitím GIS lze vytvořit geografické vrstvy zahrnující všechny komunikace s dostupnými informacemi o četnosti průjezdů vozidel. Navíc je možno provádět analýzy a doplnit chybějící četnosti dopravy na úsecích silnic nižších kategorií (v závislosti na množství obyvatel v sídlech a orografii terénu). Na našem pracovišti byl vyvinut postup, jak automatizovaně vytvořit z takovýchto prostorových dat úsečkové zdroje o definované délce a z nich vstupní soubory pro SYMOS 97. Pak je možné zpracovat velmi detailně údaje na rozsáhlém území. Při délce úsečky - zdroje 20 m bylo například pro okres Opava vytvořeno 19 618 úsečkových zdrojů, u kterých lze rozlišit typ dopravy (městská, mimoměstská, rychlosti, stoupání, klesání atd.). Výsledkem automatizovaného zpracování těchto dat v GIS je pak přímo vstupní soubor pro modelování s emisemi vztaženými k jednotlivým úsekům - zdrojům.
Obrázek č. 5: Zdrojová data o intenzitě dopravy (Silniční databanka Ostrava)
Obrázek č. 6: Úprava a dopočet dat - analýza v GIS podle počtu obyvatel a orografie terénu
Metodika stanoví určitá pravidla pro umísťování receptorů. Z nich je třeba vycházet při stanovení délky úseků liniových zdrojů a velikosti plošných zdrojů ve vztahu k hustotě a umístění receptorů.
Pro zpracování tak velkého množství zdrojů (řádově tisíce) se osvědčil program SYMOS 97 pro operační systém IRIX na platformě SGI. Díky vstřícnosti dodavatelské firmy Idea Envi, s.r.o. byly provedeny speciální úpravy pro naše pracoviště (automatické vyhodnocování vzdálenosti receptorů od plošných a liniových zdrojů a jejich případné vyřazení z výpočtu koncentrací).
Výsledkem každé varianty výpočtu z modelu SYMOS 97 je databázový soubor ve formátu DBF, který obsahuje číslo, souřadnice a výsledky modelování pro každý použitý receptor.
Z těchto výsledků je možno vytvořit v GIS prostorová data - body. Přímým zobrazením těchto bodů na mapovém podkladě je možno vytvořit výstupy, které přesně vyjadřují výsledky modelování (například výpisem koncentrace ke každému bodu nebo barevnou škálou bodových symbolů). Přehlednějšího vyjádření však dosáhneme dalším zpracováním těchto dat.
Vhodnou prostorovou interpolační statistickou metodou je možné získat izolinie koncentrací. Toto je metoda, která se požívá často ve výstupech bez využití GIS. Takové vyjádření výsledků modelování je však méně vhodné, protože svádí k jejich nesprávné interpretaci a k tendenci popisovat spojitý jev (rozložení přízemních koncentrací znečišťujících látek) diskrétně - popisem průběhu hranice konkrétní koncentrace.
S využitím analytických možností GIS je možno vytvořit z výsledků na receptorech spojité prostorové plochy, vyjadřující koncentrace v podobě gridu, tzn. rastru, pokrývajícího sledované území. Pro jejich vytvoření lze využít vhodnou prostorovou interpolační metodu ("SPLINE"). Tato metoda zajišťuje, že výsledná plocha vždy obsahuje přesné hodnoty v místě receptorů. Takto zpracované výsledky modelování je možno vzájemně kombinovat do výsledných výstupů a provádět na nich další analýzy. Například je možno vyhodnotit místa s převládajícím vlivem určitých zdrojů nebo upravovat výstupy z modelu dalšími matematickými operacemi. Výsledná data je pak možno v GIS efektně zobrazovat v libovolných mapových kompozicích tak, aby byla správně vystihnuta podstata výsledku modelování.
Obrázek č. 7: Prezentace výsledků modelování jako spojitého jevu v území
Obrázek č. 8: Analýza převahy vlivu dopravy na znečištění ovzduší nad vlivem stacionárních zdrojů (NOx)
GIS není pouze vhodnou technologií pro vizualizaci výstupů modelování a vytváření hezkých mapek, ale je to analytický nástroj pro modelování prostorových jevů v životním prostředí. Detailní modelování ve větším území si dnes již bez jeho využití nedokážeme představit. Pokud je to vůbec možné, tak pouze za cenu ztráty přesnosti výsledků a s vynaložením obrovské pracnosti. Další výhodou používání GIS je možnost přehledně ukládat data v jednom systému pro další použití a kdykoli se k nim vrátit a vytvářet tak například časové řady v určitém území.
Modelování s využitím metod uvedených v článku bylo ověřeno na územích různé velikosti, největší pokrývá svým rozsahem několik okresů. Metody přípravy a vstupu dat jsou však navrženy tak, že stejným způsobem, tzn. stejně podrobně, je možno modelovat i území o velikosti nových krajů, nebo dokonce celé České republiky.
Při zpracování většího množství menších studií různými autory je jejich nevýhodou i přes použití stejné metodiky různá generalizace zdrojů znečišťování ovzduší a tím někdy i velmi odlišné výsledky pro jednotlivé skupiny zdrojů (zejména zástavba rodinných domů s lokálními topeništi a mobilní zdroje - silniční doprava). Tato problematika je nyní řešitelná najednou pro celé území ČR s využitím navržených metod a metodik bez nutnosti větší generalizace. Výsledky takto rozsáhlého modelování je možno použít například při zpracování krajských programů snižování emisí nebo národního programu snižování emisí, které ukládá současná legislativa.