Исследование состояний атмосферного воздуха вблизи стационарного поста вероятностными методами
Применение вероятностного подхода в экологических исследованиях. Расчеты концентраций вредных веществ в атмосфере вероятностными методами. Оценка безопасного состояния воздушного пространства. Значения параметров закона распределения для скорости ветра.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.04.2018 |
| Размер файла | 30,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЙ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ВБЛИЗИ СТАЦИОНАРНОГО ПОСТА ВЕРОЯТНОСТНЫМИ МЕТОДАМИ
Гаврась О.В., Заноз А.В.
Научный руководитель кандидат техн. наук Гавриленко Т. В.
Сибирский федеральный университет
Одним из основных загрязнителей воздуха в городах является автомобильный транспорт. Вероятностный подход в экологических исследованиях позволяет учесть случайный характер погодных условий и интенсивности транспортного потока, выделить наиболее опасные факторы, получить количественную оценку показателя безопасности автомагистрали.
Состояние атмосферного воздуха принято оценивать интегральным показателем - индексом загрязнения атмосферы, рассчитываемым по пяти наиболее значимым ингредиентам:
, (1)
где , Qi - концентрация i-го вещества, QПДК,i - его предельно допустимая концентрация.
Расчеты концентраций вредных веществ по методике [1] в районе стационарного поста Государственной службы наблюдений в г. Красноярске, расположенного на ул. Сурикова, показали, что наибольший вклад в загрязнение воздуха автотранспортом вносят следующие вещества: диоксид азота, оксид углерода, углеводород, формальдегид и двуокись серы [2]. Таким образом, можно ввести показатель загрязнения атмосферы автотранспортом ИЗА5, включающий вышеперечисленные вещества. Загрязнение воздушной среды считается малоопасным, если ИЗА5 ? 5.
Обозначим Х = ИЗА5/5. Тогда условие малоопасного состояния воздушной среды вблизи автомагистрали
Х ? 1. (2)
Объем выбросов вредных веществ определяется на основе учёта различных типов транспортных средств, интенсивности движения и конкретных дорожных условий. Выброс i-го загрязняющего вещества, г/(м•с), движущимся автотранспортным потоком определяется по формуле:
(3)
где - пробеговый выброс i-гo вредного вещества автомобилями k-й группы для городских условий эксплуатации, г/км; K - количество групп автомобилей; Gk, авт./час, - фактическая наибольшая интенсивность движения, т.е. количество автомобилей каждой из К групп, проходящих через фиксированное сечение выбранного участка автомагистрали в единицу времени в обоих направлениях по всем полосам движения; - поправочный коэффициент, учитывающий среднюю скорость движения транспортного потока , км/час, на выбранной автомагистрали (или ее участке); 1/3600 - коэффициент перехода от часа к секундам [1].
Концентрация i-го вещества в воздухе определяется по зависимости
, (4)
где - мощность эмиссии, г/(м·с); у - стандартное отклонение Гауссового рассеивания, зависящее от расстояния от оси дороги и уровня солнечной радиации, м; V -скорость ветра, м/с; ц - угол между направлением ветра и осью трассы (при ц < 30°, sin ц =0,5) F - фоновая концентрация загрязнения воздуха, г/м3 [3].
В формуле (4) учитываются два уровня солнечной радиации. Пусть R1 и R2 - события, заключающиеся в наступлении дней с сильной и слабой солнечной радиацией соответственно. Сильная солнечная радиация наблюдается в светлое время суток при солнечной ясной погоде. Тогда вероятность погоды с сильной радиацией можно оценить, как
, (5)
где фс, фмакс - средняя и максимально возможная продолжительность солнечного сияния соответственно, ч. В качестве фс принимается среднее количество солнечных часов с ясной солнечной погодой в году, в качестве фмакс - суммарная продолжительность светлого периода суток в течение года.
Вероятность погоды со слабой солнечной радиацией определяется по зависимости
. (6)
При оценке этих вероятностей используются климатические характеристики из [4], и приведенные в табл. 1.
Таблица 1
Продолжительность солнечного сияния, ч
|
Зима |
Весна |
Лето |
Осень |
|||||
|
фс |
фмакс |
фс |
фмакс |
фс |
фмакс |
фс |
фмакс |
|
|
181 |
724 |
588 |
1295 |
765 |
1519 |
299 |
793 |
Тогда вероятности Р(R1) составят 0,25; 0,454; 0,504 и 0,377 для зимы, весны, осени и лета соответственно. Вероятности Р(R2) принимают значения 0,75; 0,546; 0,496 и 0,623 для зимы, весны, осени и лета соответственно.
Оценка безопасного состояния воздушного пространства может быть проведена по формуле
, (7)
где P(Х?1) - вероятность выполнения условия (2); P(Rk) - вероятность наступления события Rk ; - условная вероятность того, что будет иметь место безопасное состояние воздушной среды при соответствующей солнечной радиации Rk .
Условные вероятности могут быть определены методом Монте-Карло. В качестве случайных параметров на «входе» принимается интенсивность движения автотранспорта и скорость ветра, а на «выходе» - концентрации вредных веществ, входящих в ИЗА5. Предполагаем, что случайная величина изменения интенсивности движения автомобильного транспорта подчиняется нормальному закону распределения. Тогда ее моделирование можно провести с помощью пары независимых стандартных нормальных (т.е. гауссовских с нулевым средним и единичной дисперсией) случайных величин о и з, определяемых по формулам:
, (8)
, (9)
где б1 и б2 - случайные равномерно распределенные величины из интервала от 0 до 1, генерируемые датчиком псевдослучайных чисел [5]. В этом случае приближенная модель случайного процесса может быть представлена как:
k=0; 0,5; 1; 1,5;… (10)
атмосферный экологический вероятностный метод
Выборка чередующихся значений б1 и б2 создается с помощью датчика псевдослучайных чисел, встроенного в Excel. Датчик генерирует значения случайной величины, распределённой по равномерному закону, из интервала [0,1]. Тогда модельная выборка значений интенсивности будет состоять из членов ряда:
, (11)
где - среднесуточная интенсивность движения, определяемая из натурных наблюдений, , сv - коэффициент вариации. Наблюдения за интенсивностью движения автотранспорта в районе поста показали, что составляет 24500 авт./сут, коэффициент вариации - 12%.
Обработка данных по скорости ветра для многих метеостанций показывает, что наилучшее согласие со статистическими данными имеет несмещённое распределение Вейбулла [6]:
, (12)
где F(V) - вероятность того, что в наперёд заданный момент времени скорость ветра не превысит значения V; б>0, в>0 - коэффициенты, определяемые для каждой метеостанции, и зависящие от ветрового режима данной местности.
Плотность распределения выражается зависимостью
(13)
Оценки параметров б и в могут быть найдены по методу максимального правдоподобия. Если ввести обозначения , b= б , то данные параметры определяются из решения системы уравнений
(14)
где xk - статистические данные наблюдений за ветром, k =1,2, …,n; n - длина выборки. Второе уравнение системы (14) является нелинейным, которое решается методом деления отрезка пополам.
Нами были обработаны данные о скорости ветра, фиксировавшиеся с 1 июня 2012 г. по 28 февраля 2013 г. в 13 и 19 часов. Данные поступают с метеостанции, установленной в Центральном районе г. Красноярска в реальном времени [7]. В итоге были получены значения параметров для трех сезонов, приведенные в табл. 2.
Моделирование случайной величины, подчиняющейся закону распределения Вейбулла, выполняется методом обратной функции распределения. В этом случае
V= F-1(z),
где z - случайная величина, равномерно распределенная на интервале [0,1], обратная функция к функции распределения Вейбулла (12). Обращая ее, получим выражение для выборки
, j=1, 2, … (15)
По методу Монте-Карло строятся выборки значений концентраций для пяти исследуемых веществ: Q1,j , Q2,j , Q3,j , Q4,j , Q5,j и совокупная выборка
. (16)
Таблица 2
Значения параметров закона распределения для скорости ветра
|
Сезон |
б |
в |
|
|
Лето |
1,928 |
1,926 |
|
|
Осень |
1,398 |
1,892 |
|
|
Зима |
1,296 |
1,850 |
В том случае, когда случайная величина Х подчиняется нормальному закону распределения, условные вероятности находятся с помощью функции Лапласа
, (17)
где Ф(·) - табулированная функция Лапласа, - среднее значение случайной величины Х при выполнении условия Rk, - стандартное отклонение случайной величины Х при выполнении условия Rk.
Список литературы
1. Методика определения выбросов автотранспорта для проведения сводных расчетов загрязнения атмосферы городов / Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды: М., 1999. 8 с.
2. Гаврась, О.В. Анализ загрязнения воздуха транспортными потоками на застроенной территории /О.В. Гаврась, А.В. Заноз, Т.В. Гавриленко // Материалы VIII Всероссийской научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э.Циолковского: Молодежь и наука [Электронный ресурс]. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012.
3. Рекомендации по учету требований по охране окружающей среды при проектировании автомобильных дорог и мостовых переходов / Мин-во транспорта Российской Федерации. - М., 1995. - 74 с.
4. Климат Красноярска / под ред. Швер Ц.А. и Герасимовой А.С. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 231 с.
5. Пригарин С.М. Методы численного моделирования случайных процессов и полей / Отв. Ред. Г.А.Михайлов. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 2005. - 259 с.
6. Райзер В.Д. Методы теории надёжности в задачах нормирования расчётных параметров строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1986. - 192 с.
7. Графики фактического хода метеоэлементов по ст. Красноярск [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://meteo.krasnoyarsk.ru/map_p/fr2.htm?mode=2. - Загл. с экрана.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Загрязнение атмосферного воздуха в г. Уфа, его источники и характеристика выбросов. Мониторинг атмосферного воздуха. Влияние направления и скорости ветра, вертикального распределения температур воздуха (инверсии) на содержание примесей в воздухе.
дипломная работа [1,5 M], добавлен 18.02.2012Оценка состояния атмосферного воздуха в Республике Башкортостан. Расчет рассеивания вредных веществ в атмосфере. Загрязнение водного объекта сбрасываемыми сточными водами, основные загрязнители. Категории взрывоопасности технологического объекта.
курсовая работа [65,6 K], добавлен 19.06.2010Понятие о предельно допустимых выбросах. Расчет массы выброса в атмосферу, скорости выхода отходящих газов и максимальных приземных концентраций вредных веществ. Определение безопасного расстояния до жилой застройки, построение санитарно-защитной зоны.
контрольная работа [326,8 K], добавлен 14.11.2011Проблема загрязнения атмосферного воздуха промышленными предприятиями, классификация методов анализа его состава. Основные достоинства автоматических приборов, измеряющих количество вредных веществ. Виды сигнализаторов довзрывоопасных концентраций.
курсовая работа [50,5 K], добавлен 07.07.2012Экологические проблемы атмосферного воздуха города Оренбурга. Влияние загрязнителей на здоровье человека. Устройство и принцип работы фотометра КФК-3. История создания ФГУ "Оренбургский ЦГМС". Определение содержания вредных примесей в атмосфере.
дипломная работа [337,2 K], добавлен 20.06.2012Система государственного мониторинга в Украине. Основные характеристики загрязнения атмосферного воздуха. Расчет интегральных показателей состояния атмосферы. Значения среднемесячных концентраций диоксида серы, измеренных на сети стационарных постов.
курсовая работа [431,9 K], добавлен 31.10.2014Анализ промышленной площадки и источников выбросов вредных веществ в атмосферу. Определение годовых выбросов вредных веществ по каждому источнику. Характеристика источников шумового загрязнения атмосферного воздуха. Мероприятия по охране атмосферы.
курсовая работа [572,2 K], добавлен 28.07.2013Токсическое действие вредных веществ, показатели токсикометрии. Их предельно допустимая концентрация. Расчет аддитивного и антагонистического действия вредных веществ. Анализ концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах.
курсовая работа [81,8 K], добавлен 19.11.2014Загрязнение, охрана и методы определения загрязнений воздуха. Характеристика предприятия и источников загрязнения атмосферного воздуха. Методика определения выбросов вредных веществ в атмосферу. Расчет платежей за загрязнение атмосферного воздуха.
курсовая работа [422,1 K], добавлен 02.07.2015Расчет концентраций загрязняющих веществ при неблагоприятных метеорологических условиях, разных скоростях ветра. Определение санитарно-защитной зоны для теплоэлектроцентрали с учетом вытянутости розы ветров. Расчет рассеивания выбросов в атмосфере.
курсовая работа [408,3 K], добавлен 21.11.2013Определение предельно допустимой концентрации вредных веществ. Основные методы мониторинга и очистки атмосферного воздуха, почв, гидросферы. Влияние экологических факторов на здоровье населения. Воздействие промышленного загрязнения на экологию города.
курсовая работа [955,7 K], добавлен 18.02.2012Качество атмосферного воздуха в г. Новосибирск. Качество поверхностных вод. Выбросы вредных веществ в атмосферу города. Водопотребление и сброс сточных вод. Мероприятия по улучшению охраны атмосферного воздуха. Экологическое просвещение населения.
реферат [3,0 M], добавлен 26.08.2009История развития проблемы загрязнения окружающей среды автотранспортом в мире, России и Республике Башкортостан. Анализ данных инструментальных замеров атмосферного воздуха в салонах АТС в период с 2008 г. по 2010 г. на содержание вредных веществ.
дипломная работа [706,2 K], добавлен 22.07.2012Задачи мониторинга атмосферного воздуха, его основные методы. Критерии санитарно-гигиенической оценки состояния воздуха. Система государственного мониторинга состояния и загрязнения атмосферного воздуха в России, ее проблемы и пути дальнейшего развития.
реферат [487,3 K], добавлен 15.08.2015Оценка экологического состояния среды в Томской области: атмосферного воздуха, земельных, водных, лесных ресурсов, радиационной обстановки, животного мира. Математические модели и методы анализа экологических рисков аварий на магистральных трубопроводах.
курсовая работа [213,4 K], добавлен 29.09.2013Экологический кризис Донбасса как промышленного района Украины. Экологическая ситуация в Донецкой области. Загрязнения атмосферного воздуха. Характеристика вредных веществ. Данные по производственным выбросам. Региональные проблемы Донецкой области.
реферат [381,2 K], добавлен 03.02.2009Физико-географическая и климатическая характеристика г. Одесса и региона, особенности ландшафта. Социально-экономическое положение и демографическая ситуация в Одессе. Уровень загрязненности воздушного бассейна и методы очистки атмосферного воздуха.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 20.08.2009Определение концентрации загрязняющих веществ детальным методом в зоне начального разбавления. Расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения водных объектов. Оценка уровня загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом.
контрольная работа [338,7 K], добавлен 18.12.2013Характеристика технологического оборудования котельной как источника загрязнения атмосферы. Расчет параметров выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Использование критериев качества атмосферного воздуха при нормировании выбросов вредных веществ.
курсовая работа [290,1 K], добавлен 18.02.2013Оценка масштабов и негативного влияния на животный и растительный мир Земли загрязнения атмосферного воздуха. Источники данного загрязнения, их процентное отношение. Расчет среднегодовой концентрации вредных веществ в воздухе города Курска на сегодня.
презентация [1,0 M], добавлен 08.03.2012
