Нормирование и снижение загрязнения окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по рыболовству РФ

Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет

ФГОУ «Дальрыбвтуз»

Нормирование и снижение загрязнения окружающей среды

Программное обеспечение и IT-инструменты для экологического нормирования

Исполнитель:

Стыцюра Дмитрий

Вячеславович

2015 г

1. Возможности применения компьютерных технологий в области установления нормативов предельно-допустимых выбросов

Одним из важнейших направлений развития системы управления качеством атмосферного воздуха является компьютеризация воздухоохранной деятельности.

Моделирование экологической ситуации в рамках управления качеством атмосферного воздуха невозможно без достаточного объема достоверной информации. Учитывая это, в организовывается прием инвентаризаций выбросов 3В и проектов нормативов ПДВ (как исходных данных для формирования базы по городу) на электронных носителях. Первоначально следует решить задачу совместимого по форматам программного обеспечения. Выработать единую технологию сбора и обработки информации, оговормить ее объем и содержание, стандартную терминологию. Вся информация должна быть структурирована на обязательную (параметры источников выброса) и дополнительную (наименование цехов, участков, источников выделения и выбросов, их характеристики и связь между собой, мероприятия по снижению выбросов 3В в атмосферу и т.п.).

Таким образом требуется создать электронную базу данных о выбросах загрязняющих веществ в атмосферу, которая структурирована тремя уровнями информации: оперативной, тактической и стратегической.

Оперативная - это часто обновляющаяся первичная информация, которая решает задачи создания, ведения и редактирования базы данных и статобработки.

Обобщая информацию на оперативном уровне, мы решаем тактические задачи управления качеством окружающей природной среды:

- проведение расчетов рассеивания для всего спектра загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы в любой точке и расчетной области, на любую дату;

- определение уровней загрязнения и фоновых концентраций с визуализацией результатов на электронной топооснове города и т.п.

Стратегическая информация получается в результате обработки тактической. Проводится анализ уровня загрязнения атмосферы, выделяются основные вкладчики в формирование зон с нарушением качества атмосферного воздуха, определяется достаточность мероприятий, заложенных в ведомственных проектах нормативов ПДВ и разрабатываются общегородские меры по снижению выбросов 3В в атмосферу с целью достижения предельно-допустимых выбросов; проводится прогнозирование последствий аварий; устанавливаются ограничения на выбросы 3В (квоты) для отдельных источников и в целом по предприятиям.

Имея электронную базу данных о выбросах 3В по городу, специалисту становится доступным решение сложных задач определения предельного значения выбросов 3В для источника и предприятия в целом. Эксперт освобождается от рутинной работы, связанной с проверкой точности фиксирования результатов и ошибок в их обработке, которые неизбежны при «ручных» методах расчетов и анализа информации на бумажном носителе.

Оперативность обработки данных инвентаризаций или проектов ПДВ на компьютере позволяет не только провести анализ материалов в сжатые сроки, но и получить графическое отображение информации. Помимо этого компьютерная обработка данных предоставляет возможность визуально оценить, например, точность определения местоположения предприятия, координаты источников загрязнения атмосферы и т.п. Еще одним существенным отличием компьютерной обработки данных является возможность организации интеллектуального интерфейса. Посредством диалога пользователя с компьютером можно получить справки, разъяснения, рекомендации по подготовке базы исходных данных и проведению расчетов.

Значительное повышение оперативности крайне необходимо в ряде ситуаций, когда для принятия решений требуется быстро получить результаты.

Прием и обработка данных инвентаризации и проектов нормативов ПДВ, в основном, осуществляется с помощью программных продуктов серии «Эколог». Информация в наименовании цехов, участков, сведения об источниках выделений, выбросов, их связей между собой, о параметрах источников загрязнения атмосферы, о наличии газопылеулавливающих установок и мероприятий по снижению выбросов в период НМУ и с целью достижения нормативов ПДВ, принимается в виде директории <номер предприятия>.РК, полученной в результате работы программы «ПДВ + Эколог». Топооснова и особые зоны (в т.ч. и СЗЗ) предприятия формируются с помощью программы УПРЗА «Эколог» и принимаются из директории <номер предприятия >.PRE. <код города>.МАР\<код района>.МАР\<код предприятия>.МАР Весь объем информации записывается в файлы с расширением dbf.

После анализа информации на соответствие данным, представленным на бумажном носителе, и на случай необходимости их коррекции, все полученные директории переносятся в архив. В результате реализации процедур поиска, сортировки данных происходит формирование базы веществ, разрешений на выброс, базы мероприятий и т.п.

Далее по цепочке «Эколог - ПДВ» --> УПРЗА «Эколог» --> «Эколог-город» передается информация о параметрах источников выбросов для формирования базы по городу. Таким образом, информацию, полученную на магнитном носителе, можно разделить на корректируемую и базовую. Корректируемая информация предшествует созданию базовой. Она подлежит анализу и уточнению, после чего обеспечивается достоверность данных базовой информации, на основе которой принимаются решения. База данных о совокупности источников загрязнения города находится в динамике, постоянно пополняясь по мере согласования первичных либо очередных инвентаризаций выбросов, проектов нормативов ПДВ либо материалов по их корректировке.

Как видно, формирование информации об источниках загрязнения происходит на стадии инвентаризации выбросов не «дожидаясь» согласования ведомственных проектов ПДВ, необходимость в которых вообще отпадает для предприятий IV, Ш, а иногда и П категорий. Нормативы для упомянутых предприятий устанавливаются на базе сводных расчетов, минуя стадию ведомственного проектирования. Это одно из преимуществ оперативного приема данных на магнитных носителях и наличия сводных расчетов приземных концентраций. Оценка объема материалов по нормированию выбросов происходит на стадии инвентаризации на основании данных таблицы суммарных выбросов, сформированной с помощью программы «Эколог -ПДВ».

Таким образом, решается основная задача реализации базы данных, которая заключается в унификации представляемой информации и устранении вероятности дублирования, что повышает достоверность и возможность дальнейшего использования результатов.

Одно из перспективных направлений применения данных сводных расчетов загрязнения атмосферы в области нормирования выбросов 3В -определение допустимых вкладов предприятий в уровень загрязнения атмосферы с последующим ограничением выбросов -- установление хвот.

Пока недостаточно разработана методология определения предельно-допустимых вкладов предприятия. При этом часто вне внимания остается сам механизм получения результатов, который в большей степени субъективен. Манипуляция базовой информацией сопряжена с большими трудностями. Без фиксирования параметров выбросов на каждом конкретном источнике, характерных для данного технологического процесса, существует бесконечное множество решений поставленной задачи определения квот. В результате решения этой задачи важно не только получить результирующую интерпретацию, но и аргументированный ответ, которого пока нет.

Еще одним активно прогрессирующим направлением в области нормирования выбросов и компьютерных технологий является создание автоматизированных экспертных систем. Повышение эффективности результатов рассмотрения материалов и достоверности исходных данных для формирования базы имеет непосредственную связь с созданием экспертных систем, аккумулирующих в себе профессиональные знания, умения квалифицированных специалистов и достижения компьютерных технологий. Необходимо создать программный продукт, способный «накапливать» знания и моделировать процесс принятия решений специалистами.

Необходимо создать интеллектуальный интерфейс, имеющий систему общения с пользователем, позволяющую правильно оценить содержание базы данных, а также способный анализировать косвенную информацию и выдавать обосновывающий ответ в доступной для специалиста форме.

До настоящего времени бывают случаи, когда результаты инвентаризации выбросов от однотипных производств трудно даже сопоставить между собой, хотя за этими результатами стоит сходная или одинаковая информация. Это происходит потому, что результаты не достаточно формализованы. Анализ данных находится в прямой зависимости от индивидуального опыта и профессионального уровня специалиста-эколога. Для того, чтобы исключить субъективный подход к экспертизе и большую вероятность ошибки из-за отсутствия или недостаточности опыта в работе, необходимо создание автоматизированных экспортно-аналитических систем.

Развитие компьютерных информационных технологий дает основание рассматривать в качестве реальной перспективы совершенствование сложившейся системы нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Соединение приема информации на магнитных носителях и автоматизированного анализа результатов позволит значительно расширить возможности традиционных способов установления нормативов предельно-допустимых выбросов и создавать новые приемы и методы, соответствующие меняющимся потребностям специалистов в области охраны атмосферного воздуха.

2. Анализ моделей распространения примеси в атмосфере

При решении задач анализа и прогноза загрязнения атмосферного воздуха актуальным является вопрос выбора математической модели распространения вредных веществ в атмосфере. Цель данной работы - представить характеристики основных существующих моделей.

Штатная модель служб гражданской обороны. В настоящее время для использования службами ГО и ЧС страны регламентирована методика [1]. При ее разработке использовались теоретические и эмпирические модели распространения примесей в атмосфере, созданные в одном из ведущих в этой области НИИ учреждений страны ГГО им. Воейкова. На создателей модели был наложен ряд ограничений, главным из которых является простота методов, достаточная, чтобы их можно было реализовать без ЭВМ. Методика дает только внешний контур опасной зоны, с ее помощью невозможно определить концентрацию примеси в определенной точке пространства.

Модель Паскуилла-Гиффорда является рабочей Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). Это эмпирическая модель, используются для расстояний до 10 км. В основе модели - представление концентрации примеси, выбрасываемой непрерывным точечным источником в атмосфере как струи с Гауссовым распределением по вертикали и в поперечном к ветру направлении. Возможные атмосферные метеоусловия делятся на 6 классов устойчивости, распределение скорости ветра считается степенной функцией от высоты. Основным содержанием модели являются обобщающие многочисленные экспериментальные данные. Однако при сложном рельефе или при наличии крупных водоемов рекомендуют проводить натурные эксперименты, без которых применение модели становится некорректным.

До настоящего времени продолжается совершенствование моделей данного вида. Так, созданы различные версии модели TUPOS [2], в которых учитывается влияние направления и величины скорости ветра на уровень струи, более детально моделируется взаимодействие с лежащим выше струи теплым слоем воздуха, уточняются коэффициенты в модели.

В некоторых случаях лучшего соответствия экспериментальным данным достигают за счет некоторого упрощения модели. Так, в качестве вертикальной дисперсии струи используют высоту слоя перемешивания, что для условий развитой атмосферной конвекции дает хорошие результаты.

Модель Института экспериментальной метеорологии (ИЭМ). По видимому, наиболее совершенная из практически применяемых отечественных моделей. Практическая форма модели изложена в [3] как официальная модель для расстояний до 100 км. Научные основы модели и ее сравнение с моделью Паскуилла-Гиффорда (и с некоторыми другими) приведены в [4]. компьютерный выброс атмосфера экспертиза

Эта модель в равной степени пригодна для описания распространения облака, созданного мгновенным источником, и струи от непрерывного источника. Распределение концентрации примеси по всем трем координатам имеют гауссову форму, как и в модели Паскуилла-Гиффорда, однако положение центра облака или струи находят интегрированием кинематического уравнения: , где: u(t) - скорость ветра в точке, где облако находится в настоящий момент; r - вектор координат центра облака; t - время движения.

Процесс диффузии в перпендикулярных к ветру направлениях рассматривают как функцию времени, в отличии от чисто пространственных распределений в модели Паскуилла - Гиффорда. Таким образом, модель включает важные свойства так называемых моделей «лагранжева облака». Это обеспечивает возможность учета изменения направления и скорости ветра в процессе распространения облака, что позволяет применять модель для расстояний, много больших 10 км.

Зависимость дисперсий облака по всем координатам как функции от времени задают формулами, в которые входит параметр Монина-Обухова, заменяющий в качестве характеристики устойчивости атмосферы классы устойчивости Паскуилла. В модели учитывается поворот и изменение модуля скорости ветра с высотой.

Данная модель при наличии только простейших метеоданных, то есть однократного измерения скорости и направления на уровне флюгера, почти не имеет преимуществ по сравнению с моделью Паскуилла-Гиффорда. Ее преимущества реализуются с увеличением входной информации.

В модели используется карта свойств подстилающей поверхности, которая должна быть создана с учетом сезонной зависимости.

Одним из направлений развития таких моделей является подключение к ним модели пространственного распределения скорости ветра, простейший учет сложного рельефа в которой реализован при расчете течений воздуха в предположении его потенциальности. Хотя это предположение плохо соответствует наличию турбулентной вязкости, из-за математической простоты оно применяется достаточно широко. Таким путем, как сообщалось в [5], совершенствуется официальная модель США, которая создана и поддерживается Агенством по охране окружающей среды EPA.

Трехмерные модели переноса и диффузии примеси и их упрощенные варианты. В обзоре МАГАТЭ [6] рассмотрены три типа моделей: Гаусовские, модкли Лагранжева облака и трехмерные модели. Основное отличие трехмерных моделей состоит в явном расчете диффузии и переноса примеси. Компоненты скорости ветра, коэффициенты тензора диффузии и плотность источника примеси при решении уравнения рассматривают как заданные функции. Для задания коэффициентов тензора диффузии используются различные эмпирические модели атмосферной турбулентности, в которых необходимо прежде всего задать распределение скорости ветра. К определению пространственного распределения скорости ветра есть принципиально различные подходы.

Авторы обзора МАГАТЭ выражают скептическую точку зрения: не существует моделей, которые позволили бы предсказывать поле ветров на масштабах 10-100 км. Поэтому они считают единственным путем методы экстраполяции и интерполяции данных непосредственных измерений. При этом строится распределение ветра по высоте на многих уровнях на достаточно подробной горизонтальной сетке. Такой путь может быть обобщен за счет типизаций метеоусловий, что позволяет привлечь измерения, выполненные ранее. В любом случае, это большая метеорологическая работа, требующая организации сети постоянно действующих метеодатчиков.

Существует более оптимистичная точка зрения. О моделировании течений воздуха на масштабах десятков километров вокруг Новосибирска сообщалось в обзорном докладе на II Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии. В такой модели входными являются уже иные параметры: ветер в свободной атмосфере, температура почвы и воды, тепловыделение предприятий, рельеф, шероховатость, и т.д.

Существует класс двумерных моделей. Для города такое допущение соответствует предположению о неизменности всех параметров.

Трехмерные модели имеют важные преимущества. Учитываются высотные распределения ветра и температуры, взаимодействие примеси с подстилающей поверхностью может быть учтено в качестве граничного условия в настолько полной форме, насколько известна природа этого процесса. Могут быть учтены различные вариации параметров атмосферы и поверхности в течении суток и от сезона к сезону.

Но отсутствие необходимых данных для использования 3-х мерных моделей и инфраструктуры для их использования (реальных заказов и квалифицированных пользователей) не позволяют рассчитывать на их практическое применение в ближайшем будущем, и эти модели остаются научно-исследовательскими.

Существует ряд упрощенных моделей. Так, в [7], при дополнительном предположении о постоянстве коэффициентов в уравнении переноса-диффузии при некоторых более сложных предположениях построены аналитические решения. Однако этот путь в нашей стране также считается нецелесообразным, так как решения достаточно сложны, а реальные распределения коэффициентов слишком огрубляются.

Наиболее перспективной является реализация упрощенного варианта, в котором оставлена одна диффузия по высоте, как это предложено в модели [8].

3. Перспективы развития моделей в соответствии с рекомендациями МАГАТЭ

При анализе различных моделей распространения примесей в атмосфере, пригодных для оценки аварий на объектах, атомной энергетики, в обзоре МАГАТЭ [6] представлены 3 типа моделей: гауссовы модели, модели лагранжева облака и трехмерные модели. Гауссовы модели являются в настоящее время рабочими моделями в МАГАЭ, последние 2 типа моделей названы как перспективными, и уже используются в некоторых странах для повышения обоснованности экспертных заключений.

Заключение

Модели, используемые в научных исследованиях, в основном создаются как инструмент исследования природы и носят причинно-следственный характер. В их использовании сложились определенные технологии, понятийный и математический аппарат, условия и традиции. Иногда даже говорят о культуре физико-математического моделирования.

В задачах экологической экспертизы, оценки и даже прогноза качества окружающей среды чаще всего используются описательные или имитационные модели. В них, прежде всего, стремятся получить ответы на вопросы «Какое загрязнение окружающей среды произойдет при тех, или иных условиях?». В таких случаях необходимо получить ответ, адекватный ситуации, а не устанавливать причинно-следственные связи.

В целом выбор математической модели в значительной степени зависит от реализуемых задач.

Литература

1. Turner D.B., Zimmerman J.R., Busse A.D.: An Evaluation of Some Climatological Dispersion Models, 3rd Meeting of the Panel on Modeling of the NATO Committee on the Challenges of Modern Society. Paris, October 2-4, 1972.

2. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Международное агентство по атомной энергии. Вена, 1980.

3. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат.

4. Методика расчета распространения вредных выбросов промышленнми предприятиями ОНД-86, Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

5. Берлянд М. Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.

6. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Международное агентство по атомной энергии. Вена, 1980.

7. Бызова Н. Л., Гарнер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчет распространения примеси. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

8. Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.

9. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / под редакцией Ф.Т.М. Ньюстадта и Х. Ван Дона. Л.: Гидрометеоиздат.

10. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. М.: Наука, 1965.

11. Паненко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1985.

12. Бутусов О. Б., Татарников В.А. Трехмерная математическая модель атмосферного переноса промышленных загрязнений от точечных источников в условиях городской среды М., 1992. С 91-96.

13. Пащенко С.Э., Сабельфельд К.К. Атмосферный и техногенный аэрозоль (кинетические, электронно-зондовые и численные методы исследования): 2 ч. Новосибирск, 1991.

14. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности. М.: Наука, 1965.

15. Руководство по организации контроля состояния природной среды в районе расположения АЭС / под редакцией Махонько К.П. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.

Размещено на Allbest.ru