Математичне та комп'ютерне моделювання техногенних навантажень на атмосферу міста від стаціонарних точкових джерел забруднення

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

ім. Г.Є. ПУХОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МАТЕМАТИЧНЕ ТА КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТЕХНОГЕННИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА АТМОСФЕРУ МІСТА ВІД СТАЦІОНАРНИХ ТОЧКОВИХ ДЖЕРЕЛ ЗАБРУДНЕННЯ

01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

ПОПОВ Олександр Олександрович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Каменева Ірина Петрівна, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Винничук Степан Дмитрович, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України,

відділ автоматизації проектування енергетичних установок,

провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук, доцент

Янчук Валентин Миколайович, Житомирський державний технологічний університет МОН України, кафедра автоматизації та комп'ютеризованих технологій, доцент

Захист відбудеться „28“ жовтня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий „21“ вересня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01

кандидат технічних наук Е.П. Семагіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

забруднюючий атмосфера домішка урбанізований

Актуальність теми. Побудовані до цього часу узагальнені математичні моделі розповсюдження забруднюючих речовин, що дозволяють визначити техногенний вплив джерела забруднення протягом певного часу, потребують адаптації до задач моделювання техногенних навантажень від викидів потенційно небезпечних об'єктів на приземний шар атмосфери визначеного регіону.

Для комплексного вирішення задач аналізу ризиків небезпечних ситуацій, пов'язаних з забрудненням навколишнього середовища, установам, що приймають відповідні рішення, необхідно мати автономну комп'ютерну систему прогнозування небезпечних ситуацій, що включає засоби статистичного моделювання зони впливу техногенних підприємств на довкілля в межах міста або окремого регіону, моделювання метеорологічних сценаріїв, відображення просторового розподілу факторів небезпеки на електронних картах техногенних навантажень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України в рамках наступних науково-дослідних робіт: „Розробка математичних методів візуалізації багатовимірної медико-екологічної інформації з метою визначення соціо-екологічних ризиків проживання на територіях, що зазнають підсилені техногенні навантаження”, № ДР 0105U008940, 2006- 2009 рр., „Розробка теоретичних основ, алгоритмів та програмних засобів для аналізу даних еколого-енергетичного моніторингу техногенних навантажень на приземний шар атмосфери”, № ДР 0109U006951, 2010-2014 рр., „Створення програмних засобів для вирішення задач еколого-енергетичного моніторингу”, № ДР 0109U007060, 2009-2010 рр.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є побудова математичних моделей розповсюдження забруднюючих речовин в приземному шарі атмосфери міста, які на відміну від відомих детермінованих дозволяють враховувати також статистичний характер кліматичних факторів у досліджуваному регіоні та створення на їх основі інформаційно-комп'ютерної системи моделювання для прогнозування техногенних навантажень та ризиків в задачах екологічної безпеки міста.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішені наступні основні задачі:

Дослідження особливостей розповсюдження забруднюючих речовин в атмосфері для виділення основних факторів впливу на розподіл їх концентрації. Визначення найбільш небезпечних сценаріїв атмосферного забруднення, пов'язаних з метеорологічними факторами та вимог до їх врахування в математичних моделях досліджуваних процесів.

Проведення порівняльного аналізу сучасних підходів до математичного моделювання процесів поширення домішок в атмосфері для урбанізованих територій, та визначення такого, який найбільш повно відповідає визначеним вимогам для досліджуваної території.

Розробка методики врахування статистичних даних про метеофактори досліджуваного регіону у моделях розповсюдження забруднюючих речовин в приземному шарі атмосфери. Перевірка адекватності модифікованих статистичних моделей.

Дослідження можливостей існуючих комп'ютерних пакетів Matlab (V 7.0) та ArcMap (V 9.2) для визначення їх придатності до побудови геоінформаційної моделі зони впливу стаціонарних джерел техногенного забруднення та розробка алгоритмів візуалізації результатів моделювання у вигляді серії тематичних екологічних карт.

Створення спеціалізованої комп'ютерної системи для оцінки впливу викидів забруднюючих речовин в атмосферу, програмних засобів, реалізуючих запропоновані моделі для прогнозування та візуалізації результатів моделювання техногенних навантажень на приземний шар атмосфери від викидів стаціонарних точкових джерел забруднення в задачах аналізу ризиків небезпечних екологічних ситуацій у визначеному регіоні.

Об'єктом дослідження є процес розповсюдження забруднюючих речовин в приземному шарі атмосфери.

Предметом дослідження є математичні моделі і комп'ютерні засоби для моделювання та візуалізації техногенних навантажень від стаціонарних точкових джерел забруднення атмосфери.

Методи дослідження. Методи теорії математичного моделювання, методи теорії турбулентної дифузії, застосування ГІС-технологій для побудови електронних карт, об'єктно-орієнтована методологія розробки і моделювання складних систем.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

В результаті дослідження факторів ризику, особливостей просторово-часового розповсюдження небезпечних речовин та аналізу існуючих моделей поширення домішок в атмосферному повітрі визначені типові детерміновані моделі, які на даний час найбільш достовірно дозволяють визначати розподіл техногенних навантажень від викидів стаціонарних точкових джерел забруднення.

На базі детермінованих моделей з використанням статистичного підходу Г.І. Марчука розроблена імовірнісна модель розповсюдження в атмосфері небезпечних речовин від стаціонарних точкових джерел забруднення, що дає можливість визначати рівень техногенного впливу на місто або регіон від дії одного або декількох небезпечних підприємств за тривалий період часу (місяць, рік). Запропоновано спосіб введення до відомих детермінованих математичних описів концентрації забруднюючих речовин статистичних характеристик метеофакторів.

На базі статистичних модифікацій як моделі МАГАТЕ, так і К-моделі Робертса запропоновано математичні описи розподілу техногенних навантажень на приземний шар атмосфери за тривалий період часу від викидів стаціонарного точкового джерела забруднення. Для розроблених моделей на основі експериментальних даних здійснено уточнення відповідно коефіцієнтів горизонтальної та вертикальної дисперсій, горизонтального та вертикального коефіцієнтів турбулентної дифузії забруднюючих речовин для різних станів атмосфери м. Києва.

Визначено критерії оцінки техніко-економічних характеристик комп'ютерних систем моделювання техногенних навантажень на атмосферу. Розроблено методику побудови геоінформаційної моделі та програмні засоби моделювання зони впливу техногенних об'єктів з використанням систем Matlab та ArcMap. На прикладі побудованої геоінформаційної моделі зони впливу ТЕЦ-5 м. Києва визначено відповідність поставленим вимогам основних показників ефективності використаних пакетів програм.

Запропоновано структуру та алгоритмічну організацію спеціалізованої комп'ютерної системи моделювання техногенних навантажень на атмосферу від небезпечних підприємств. Розроблено програмні засоби моделювання й картографічного відображення техногенних навантажень та ризиків від токсичного впливу небезпечних підприємств, необхідні для підтримки прийняття рішень з питань забезпечення екологічної безпеки. Система має більш високі показники ефективності порівняно з існуючими аналогами та орієнтована на користувачів в галузі екологічної безпеки.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи можуть бути використані для вирішення широкого кола задач, пов'язаних з охороною повітряного басейну від забруднення, зокрема при проектуванні промислових підприємств або житлових масивів (в задачах оптимального розміщення), для реконструкції та модернізації систем теплопостачання, раціонального розміщення пунктів для спостереження за чистотою повітря.

Основні результати дисертаційної роботи отримали наступне впровадження:

Розроблені методика, комп'ютерні засоби моделювання та прогнозування й картографічного відображення впроваджені в Управлінні інформаційно-аналітичного забезпечення МНС України.

Наукові результати впроваджені у практику наукового процесу Всеукраїнського науково-дослідного інституту цивільного захисту населення і територій від надзвичайних ситуацій техногенного та природного характеру, використовуються „Відділом наукового забезпечення цивільного захисту”, „Відділом моніторингу техногенно забруднених територій” та „Відділом наукового супроводу інформаційних систем”.

Особистий внесок у роботи, виконані у співавторстві. Всі наукові результати, подані у дисертації, одержані автором особисто. В роботах, опублікованих в співавторстві, особистий науковий внесок здобувача складає: [1] - аналіз та комп'ютерна реалізація загальновідомих математичних моделей розповсюдження забруднення в атмосфері; [2] - дослідження параметрів гаусівських моделей розповсюдження забруднення в атмосфері; [3, 4] - аналіз методів інтерполяції неперервної статистичної поверхні, які використовуються в ГІС для побудови карт; [6] - побудова екологічних карт техногенного забруднення приземної атмосфери від викидів ТЕЦ-5 (м. Київ); [8] - побудова карт для візуалізації просторового розподілу ризиків; [9] - розробка структури бази даних інформаційно-комп'ютерної прогнозної системи; [11] - побудова геоінформаційної моделі зони впливу ТЕЦ-5 на основі розробленої статистичної модифікації моделі МАГАТЕ.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на наступних наукових конференціях і семінарах: Щорічних науково-технічних конференціях молодих учених і спеціалістів ІПМЕ ім. Г.Є.Пухова НАН України (м. Київ, 2008-2010 рр.); Міжнародних наукових конференціях „Моделирование” (м. Київ, 2008 р., 2010 р.); Третій міжнародній науково-практичній конференції “Моніторинг навколишнього природного середовища: науково-методичне, нормативне, технічне забезпечення, програмне забезпечення” (АР Крим, м. Коктебель, 2008 р.); Міжнародних наукових конференціях „Інтелектуальні системи прийняття рішень та проблеми обчислювального інтелекту” (м. Євпаторія, 2008-2009 рр.); 11-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції „Організація управління в надзвичайних ситуаціях” (м. Київ, 2009 р.).

Публікації. Основний зміст роботи викладено в 18 наукових працях, із них 11 - у фахових виданнях, 7 - у матеріалах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація містить вступ, чотири розділи, висновки, список використаних джерел та 2 додатки. Матеріал дисертації викладено на 198 сторінках. Робота містить 73 малюнки, 25 таблиць; бібліографічний список налічує 151 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, відбито зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів і їхнє впровадження.

У розділі 1 розглянуто теоретичні основи моделювання процесів атмосферного забруднення. Для визначення основних задач математичного моделювання атмосферного забруднення проаналізовано основні джерела забруднення (ДЗ) атмосфери як природного, так і антропогенного походження. Проведена класифікація основних ДЗ, пов'язаних з діяльністю людини, за різними ознаками. Визначені особливо небезпечні забруднюючі речовини (ЗР), які потрапляють в атмосферу від викидів найбільших техногенних джерел та проведено аналіз їх впливу на біосферу і зокрема на здоров'я людини.

Проаналізовано метеорологічні аспекти забруднення повітряного басейну, пов'язані перш за все з дослідженнями атмосферної дифузії, вивченням закономірностей розповсюдження домішок і особливостей їх просторово-часового розподілу, які є основою для об'єктивної оцінки стану техногенного забруднення повітряного басейну.

Показано, що основними факторами, які впливають на процес розповсюдження та розподіл концентрації ЗР і мають бути відображені у математичних моделях, є режим вітру (напрямок та швидкість), стратифікація атмосфери, вимивання опадами, тумани, сонячна радіація, хімічна трансформація, поглинання підстилаючою поверхнею. Визначені найбільш несприятливі метеорологічні умови, за яких в приземному шарі атмосфери (ПША) створюються високі рівні концентрацій в разі викидів джерелами забруднення різної висоти.

Проведено аналіз різних напрямків моделювання розповсюдження домішок в атмосфері, визначені їх основні переваги та недоліки; сформульовані вимоги до математичних моделей процесів розповсюдження забруднення в окресленому регіоні.

Розділ 2 присвячено дослідженню детермінованих математичних моделей поширення домішок в атмосфері та побудові модифікованої моделі, яка враховує імовірнісний характер факторів ризику та зміни метеорологічних умов протягом певного періоду часу.

Методи визначення забруднення повітря базуються на результатах теоретичного та експериментального вивчення закономірностей розповсюдження домішок навколо їх джерела. Таке вивчення здійснюється шляхом розв'язання рівняння тепломасопереносу або турбулентної дифузії (К-моделі) (1) з відповідними початковими та граничними умовами:

(1)

де концентрація домішок, [г/м³]; час, [с]; компоненти поля вітру за напрямком осей відповідно, [м/с]; коефіцієнти турбулентної дифузії, [м²/с]; швидкість гравітаційного осадження частинок ЗР, [м/с]; коефіцієнт, який визначає зміну з часом концентрації забруднення за рахунок взаємодії з навколишнім середовищем, [1/с]; потужність точкових ДЗ, [г/с]; дельта-функція Дірака; координати місцезнаходження точкових ДЗ.

В даному розділі досліджено аналітичні розв'язки параболічних та еліптичних рівнянь типу (1) при сталих , , , , , в одно-, дво- та тривимірній постановці за різних початкових та граничних умов для визначення впливу різних параметрів на характер зміни розподілу концентрації певних речовин.

Але використання відомих аналітичних розв'язків рівняння (1) на практиці потребує вирішення задачі знаходження значень коефіцієнтів турбулентної дифузії. Статистичний підхід до визначення коефіцієнтів турбулентної дифузії базується на припущенні, що кожна індивідуальна дифундуюча частинка рухається випадково, причому її координати змінюються з часом по закону марковського випадкового процесу. Метод був започаткований О. Сеттоном, значний внесок в його розвиток зробили Ф. Паскуілл та Ф.А. Гіффорд, і побудована ними модель стала офіційно прийнятою моделлю МАГАТЕ:

(2)

де потужність неперервного джерела, [г/с]; ефективна висота підйому факела, [м]; горизонтальна дисперсія, [м]; швидкість вітру на висоті , [м/с]; вертикальна дисперсія, [м]; коефіцієнт, який визначає зміну з часом концентрації забруднення за рахунок взаємодії з навколишнім середовищем, [1/c].

Оскільки модель (2) враховує основні фактори, що впливають на формування концентрації домішки від точкового джерела, а її реалізація на ЕОМ вимагає набагато менше часу у порівнянні з К-моделями, це сприяло її широкому використанню на практиці.

Також в даному розділі досліджується питання математичного моделювання розповсюдження домішок за умов штилю.

Досліджені моделі є детермінованими, тобто дозволяють визначати рівень техногенних навантажень лише для фіксованих метеопараметрів, що можуть спостерігатися протягом нетривалого періоду часу (як правило, декілька годин). Це не дозволяє використовувати дані моделі для визначення розподілу концентрації ЗР, які викидає ДЗ протягом тривалого періоду часу (місяць, рік), за який метеопараметри змінюються випадковим чином.

На основі узагальненого статистичного підходу Г.І. Марчука

, (3)

та розробленої методики врахування статистичних даних про метеофактори досліджуваного регіону побудовано імовірнісну модель, яка дозволяє визначати техногенний вплив на ПША за визначений час дії ДЗ:

, (4)

де p_k - ймовірність k-ї метеорологічної ситуації; концентрація для k-ї метеорологічної ситуації, визначена за детермінованою моделлю; m - індекс напрямку вітру; j - індекс швидкості вітру; і - індекс класу стійкості атмосфери; С_шт, Р_шт - модель визначення концентрації за умов штилю та ймовірність штилю відповідно.

Наведемо основні етапи побудови моделі (4).

1. Врахування випадкового характеру напрямку вітру.

Як правило, дані про ймовірнісний розподіл напрямку вітру надаються метеослужбами у вигляді багатокутника - рози вітрів. Приклад таких даних для липня 2008 р. для м. Києва представлений на рис. 1, а.



Рис. 1. а) Роза вітрів з кроком дискретизації ; б) Роза вітрів з довільним кроком дискретизації

Для більш точного визначення розподілу концентрації ЗР необхідно обчислити ймовірності проміжних напрямків вітру між основними сторонами світу (рис. 1, б). Для вирішення даної задачі розроблено спосіб інтерполяції, який базується на методах аналітичної геометрії.

2. Врахування випадкового характеру швидкості вітру.

На основі інформації про швидкість вітру за певний період часу, наданої метеослужбами, побудовано ймовірнісний розподіл швидкості вітру в табличному вигляді, необхідний для визначення ймовірнісного розподілу швидкості вітру за напрямками на основі формули множення ймовірностей напрямку та швидкості вітру.

3. Моделювання ймовірнісного розподілу станів атмосфери.

Оскільки метеослужби не надають інформації про розподіл температури повітря з висотою, ймовірнісний розподіл стану атмосфери в залежності від швидкості вітру побудовано на основі графічних залежностей, наведених у відповідній метеорологічній літературі.

4. Взаємодія домішок з навколишнім середовищем.

На середній рівень концентрації ЗР, який утворюється протягом досліджуваного періоду часу (місяць, рік) суттєвий вплив здійснює взаємодія домішок з навколишнім середовищем. Даний параметр було визначено за результатами М.Є. Берлянда для рівняння турбулентної дифузії.

За узагальненою запропонованою моделлю (4) було побудовано статистичні модифікації як моделі МАГАТЕ (СММ), так і К-моделі Робертса (СМР), представлені формулами (5) та (6) відповідно:

де ймовірність і-го стану атмосфери при j-ій швидкості вітру; ймовірність m-го напрямку вітру при j-ій швидкості вітру; швидкість вітру на ефективній висоті факела викидів при швидкості вітру на висоті флюгера [м/с] для і-го стану атмосфери; ефективна висота підйому факела викидів при j-ій швидкості вітру, [м]; швидкість вітру на висоті при швидкості вітру на висоті флюгера [м/с] для і-го стану атмосфери; , відповідно горизонтальна та вертикальна дисперсії і-ї стратифікації атмосфери; x_m(x,y,ц_m)=xcosц_m+ysinц_m, y_m(x,y,ц_m)=-xsinц_m+ycosц_m - формули переходу до іншої системи координат пов'язаної з поворотом напрямку розповсюдження ЗР на кут ц_m по відношенню до східного напрямку; L - висота штильового шару, [м]; k_yi, k_zi - горизонтальний та вертикальний коефіцієнти турбулентної дифузії для і-го класу стійкості атмосфери, [м²/c].

Для розроблених моделей на основі експериментальних даних методом перебору здійснено уточнення відповідно коефіцієнтів горизонтальної та вертикальної дисперсій, горизонтального та вертикального коефіцієнтів турбулентної дифузії ЗР для різних станів атмосфери м. Києва, що дало можливість зменшити відносну похибку моделювання в 2 рази (табл. 1).

У розділі 3 запропоновано методику відображення результатів математичного моделювання на електронну карту з використанням сучасних ГІС-технологій на прикладі дослідження техногенного впливу ТЕЦ-5 на ПША м. Києва.

В результаті аналізу різних методичних підходів для виявлення та оцінки наслідків впливу стаціонарних точкових ДЗ атмосфери, використано геостатистичний підхід, що включає сучасні ГІС-технології, які забезпечують представлення досліджуваних територій у вигляді електронних екологічних карт.

Для порівняння різних підходів до математичного моделювання процесу розповсюдження домішок в ПША на основі моделей МАГАТЕ, ОНД-86, Робертса, Лайхтмана та Берлянда побудовано розподіли діоксидів азоту та сірки й оксиду вуглецю вздовж вісі факела викидів, що здійснює ТЕЦ-5 (м. Київ) за несприятливих метеорологічних умов, якими є нестійкий стан атмосфери в поєднанні з небезпечною швидкістю вітру (рис. 2). Для ТЕЦ-5 небезпечна швидкість вітру на висоті флюгера становить 3,7 м/с.

Рис. 2. Порівняння результатів моделювання

З використанням математичної моделі МАГАТЕ досліджено розповсюдження ЗР від викидів ТЕЦ-5 за аномальних метеорологічних умов, та показано, що у такому випадку концентрації ЗР небезпечніші, ніж за найгірших нормальних метеоумов.

Визначено критерії оцінки техніко-економічних характеристик комп'ютерних систем моделювання техногенних навантажень на атмосферу. Розроблено методику побудови геоінформаційної моделі та програмні засоби моделювання зони впливу техногенних об'єктів з використанням систем Matlab та ArcMap.

Алгоритм побудови екологічної карти техногенних навантажень за результатами моделювання з використанням універсальних програмних засобів Matlab та ArcMap показаний на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм побудови екологічної карти техногенних навантажень на основі застосування Matlab та ArcMap

На рис. 4 показані екологічні електронні карти, побудовані за алгоритмом, наведеним на рис. 3, на основі реальних метеорологічних параметрів, які спостерігались протягом липня 2008 р., для візуалізації розповсюдження діоксиду азоту від ТЕЦ-5 на ПША м. Києва. Аналогічні карти отримані для діоксиду сірки та оксиду вуглецю.

Карта на рис. 4, а побудована за результатами застосування формули (3) для моделі МАГАТЕ та усереднених метеоданих. Вона не відповідає реальній ситуації, адже наявні території, на які станція не здійснює впливу. Цей недолік виник через використання рози вітрів для 8 напрямків (рис. 1, а). Максимум концентрації в цьому випадку становить 0,042 мг/м³.

Карта на рис. 4, б побудована за результатами застосування СММ (5) з кроком інтерполяції напрямків вітру . Досліджено залежність якості карт техногенних навантажень від кроку інтерполяції ймовірностей проміжних напрямків вітру та запропоновано методику визначення такого, який забезпечує потрібну якість візуалізації. Максимум середньої концентрації діоксиду азоту в ПША за липень 2008 р., обчислений за моделлю (5), становить 0,022 мг/м³, що практично в 2 рази менше за максимум, отриманий за спрощеною методикою (3). Це свідчить про некоректність використання спрощеної методики в задачах екологічної безпеки. Отже, розроблена модифікація є суттєвим удосконаленням спрощеної методики, що підтвердили отримані розрахунки.

Рис. 4. Результат візуалізації техногенних навантажень на ПША м. Києва від викидів ТЕЦ-5 у вигляді екологічних карт

В результаті побудови геоінформаційної моделі зони впливу ТЕЦ-5 визначено відповідність поставленим вимогам основних показників ефективності використаних пакетів програм, представлених в табл. 2.

На основі табл. 2 можна зробити висновок, що використання Matlab та ArcMap для побудови геоінформаційної моделі зони впливу не є ефективним, що спонукає до створення спеціалізованої інформаційно-комп'ютерної системи, яка б задовольняла висунутим вимогам.

Розділ 4 присвячено розробці спеціалізованої інформаційно-комп'ютерної системи моделювання та прогнозування техногенних навантажень на ПША від стаціонарних точкових ДЗ.

Розроблена автономна комп'ютерна система моделювання небезпечних ситуацій від техногенних викидів в ПША MathMapMod задовольняє наступним вимогам:

можливість роботи програми на будь-якому ПК під управлінням ОС Windows (починаючи з версії 95) без використання іншого спеціального програмного забезпечення (Matlab, ArcGIS тощо);

простота та інтуїтивна зрозумілість інтерфейсу, орієнтованого на спеціалістів в галузі екологічної безпеки;

можливість реалізації різних сценаріїв визначення розподілів концентрацій ЗР (середнє забруднення за період, вибіркове забруднення, аномальна конвекція, штиль, аномальний штиль, залповий викид);

наявність модулю візуалізації, результатом роботи якого є електронна екологічна карта техногенних навантажень для досліджуваної території.

На рис. 5 представлена модульна структура розробленої системи.

Рис. 5. Модульна структура системи

Суттєвою перевагою інформаційно-комп'ютерної системи MathMapMod є наявність модуля розрахунку екологічних ризиків, що є більш об'єктивною оцінкою небезпеки, ніж рівень концентрації ЗР.

Розроблені програмні засоби дозволяють крім просторового розподілу рівнів техногенних навантажень побудувати розподіл індивідуальних ризиків для населення (карту ризику). Саме оцінки ризику визначають критерії для прийняття управлінських рішень.

В системі закладено можливість визначення оцінок ризиків негайних токсичних ефектів та хронічної інтоксикації населення.

Основні елементи управління роботою системи MathMapMod сформовано у вигляді системи закладок, меню та діалогових вікон (рис. 6). Основними закладками, що реалізують процес моделювання від вводу вхідних даних до побудови карт ризиків є „Вхідні дані” та „Картографічне моделювання”.

В закладці „Вхідні дані” вказується наступна інформація: кількість ДЗ та їх характеристики (назва, географічні координати, кількість труб, параметри викидів ЗР); з бібліотеки вибирається бажаний сценарій атмосферного забруднення та відповідно до нього вводяться метеорологічні дані.

В закладці „Картографічне моделювання” здійснюється прив'язка завантаженої карти до географічної системи координат, пов'язаної з досліджуваним ДЗ, налаштування розмірів легенди та кольорової гами візуалізації ризиків, а також часові характеристики для сценарію „Залповий викид”. Дана закладка містить кнопку „Нанести результат”, натискання якої візуалізує результати математичного моделювання на карті.

На рис. 6 представлений приклад роботи комп'ютерної системи: за результатами моделювання побудована карта, що відображує приземний розподіл забруднення території міста діоксидом азоту від викидів ТЕЦ-5.



Рис. 6. Основні закладки та діалогові вікна системи MathMapMod

Для перевірки адекватності запропонованих СММ та СМР здійснено порівняння рівнів концентрацій, отриманих в результаті математичного моделювання, з даними натурних вимірювань, які проводились на постах спостереження за забрудненням (ПСЗ) для різних випадків.

На рис. 7 зображена карта розподілу діоксиду сірки в ПША за липень 2008 р. від викидів восьми найбільш небезпечних стаціонарних точкових ДЗ м. Києва.

Рис. 7. Приклад карти техногенних навантажень від викидів декількох ДЗ

На основі отриманої карти було визначено концентрації в місцях знаходження ПСЗ №5, 13 та 15. Аналогічні розрахунки здійснювались і за інші періоди часу. В табл. 1 наведені результати моделювання та виміряні дані з відповідних ПСЗ на прикладі липня 2008 р.

Таблиця 1

Порівняння результатів моделювання з даними ПСЗ

Липень 2008 р.
С/ГДКс.д.	ПСЗ
	№5	№13	№15
Вимір	0,2	0,1	0,2
СММ	0,188	0,115	0,180
СМР	0,218	0,083	0,214
Відносна похибка, %	СММ	6	15	10
	СМР	9	17	7
Після уточнення коефіцієнтів
Відносна похибка, %	СММ	2	7	6
	СМР	4	8	4

Отримані значення відносних похибок не перевищують 17%, що є цілком прийнятним для даної практичної задачі. Таким чином, можна зробити висновок про адекватність розроблених статистичних модифікацій моделей (5) та (6) реальним даним.

В табл. 2 представлені основні показники ефективності розробленої спеціалізованої інформаційно-комп'ютерної системи МathМapМod та їх відповідність висунутим вимогам.

Таблиця 2

Основні показники ефективності використаних засобів моделювання

Характеристики	Потрібні	Засоби моделювання
		Matlab+ ArcMap	MathMapMod
Необхідна оперативна пам'ять	128 Мб	255 Мб	78 Мб
Час рішення задачі	3 хв	10-15 хв	1-3 хв
Вартість використаних продуктів (Matlab, ArcMap тощо)	2 тис. грн	6,5 тис. $	1,5 тис. грн
Наявність спеціалізованого інтерфейсу	+	-	+
Доступність для неспеціалістів з програмування	+	-	+

Як видно з табл. 2, створена спеціалізована система має суттєво кращі показники ефективності в порівнянні із застосуванням Matlab 7.0 та ArcMap 9.2 при вирішенні поставлених задач та повністю відповідає висунутим вимогам.

Розроблена спеціалізована інформаційно-комп'ютерна система MathMapMod дозволяє вирішувати наступні задачі:

Побудова просторової конфігурації полів ЗР в атмосфері, що близька до результатів натурних спостережень.

Визначення параметрів швидкості і напрямку вітру, що відповідають небезпечним сценаріям розповсюдження ЗР.

Визначення залежності об'ємів викидів від метеоумов.

Урахування екологічних вимог при проектуванні нових та реконструкції вже існуючих промислових підприємств, систем теплопостачання, житлових масивів тощо.

Визначення розмірів санітарно-захисних зон.

Вибір координат раціонального розміщення пунктів для спостереження за забрудненням повітря.

Вирішення обернених задач щодо визначення джерел, чий внесок в забруднення приземної атмосфери за досліджуваний період є найбільшим, для подальшого регулювання об'ємів викидів потенційно небезпечних об'єктів (ПНО) або накладання на них штрафів.

Розроблена комп'ютерна система забезпечує необхідні умови для вирішення актуальних задач охорони навколишнього середовища, пов'язаних з регулюванням викидів в атмосферу від стаціонарних джерел. Запропоновані програмні засоби дозволяють визначити рівні техногенних навантажень і ризики для населення при зміні режимів роботи ПНО, застосуванні альтернативних видів палива, з урахуванням метеорологічних умов і особливостей конкретного регіону.

Розроблена методика моделювання і графічної візуалізації екологічних ризиків для здоров'я, обумовлених забрудненням атмосфери, може бути використана як універсальний інструмент підтримки управлінських рішень в області охорони навколишнього середовища і здоров'я населення на великих територіях, у тому числі - в нових районах розвитку промисловості та освоєння природних ресурсів.

ВИСНОВКИ

Здійснено порівняльний аналіз сучасних підходів до математичного моделювання процесів поширення домішок в атмосфері урбанізованих територій для визначення основних факторів впливу на розподіл їх концентрації та найбільш небезпечних сценаріїв атмосферного забруднення, пов'язаних з метеорологічними факторами.

Досліджено фактори ризику та просторово-часові особливості розповсюдження небезпечних речовин, що створюють ризики для населення, та визначено такі, які не були враховані в детермінованих моделях забруднення атмосфери.

Запропоновано спосіб модифікації детермінованих моделей забруднення атмосфери, який враховує імовірнісний розподіл метеорологічних факторів. Перевірка адекватності моделей шляхом порівняння результатів моделювання з даними стаціонарних постів спостереження за забрудненням атмосфери показала їх достатнє співпадіння.

Для підвищення точності моделювання з використанням модифікованих моделей розроблено спосіб інтерполяції значень ймовірностей проміжних напрямків вітру, та досліджено залежність якості карт техногенних навантажень від кроку інтерполяції.

З використанням універсальних пакетів Matlab (V 7.0) та ArcMap (V 9.2) побудовано геоінформаційну модель зони впливу стаціонарних точкових джерел техногенного забруднення, яка забезпечує візуалізацію результатів математичного моделювання у вигляді серії тематичних екологічних карт (на прикладі ТЕЦ) та проаналізовано характеристики ефективності такого способу.

Запропоновано структуру та алгоритмічну організацію спеціалізованої комп'ютерної системи моделювання техногенних навантажень на атмосферу в складних метеорологічних умовах. Розроблено програмні засоби для моделювання й картографічного відображення техногенних ризиків від токсичного впливу небезпечних підприємств, орієнтовані на підтримку прийняття рішень з питань екологічної безпеки.

Здійснено тестування запропонованої спеціалізованої інформаційно-комп'ютерної системи на прикладі побудови для м. Києва карт техногенних навантажень та екологічних ризиків від викидів найбільш небезпечних стаціонарних джерел забруднення за різних метеорологічних умов.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Сердюцька Л. Ф. До огляду моделей розповсюдження домішок в атмосфері міста / Л. Ф. Сердюцька, О. О. Попов // Моделювання та інформаційні технології. - 2008. - Вип. 45. - С. 67-80.

Каменева І. П. Моделювання забруднення атмосфери на основі Гаусового розподілу концентрацій / І. П. Каменева, О. О. Попов, А. В. Яцишин // Моделювання та інформаційні технології. - 2008. - Вип. 49. - С. 24-31.

Каменева И. П. ГИС-технологии построения экологических карт статистических поверхностей / И. П. Каменева, А. В. Яцишин, Д. А. Полишко, А. А. Попов, Т. В. Бахурец // Збірник наукових праць ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова НАН України. - К., 2008. - Вип. 49. - C. 81-88.

Каменева І. П. Комплексний аналіз екологічної безпеки міста на основі сучасних ГІС-технологій / І. П. Каменева, А. В. Яцишин, Д. О. Полішко, О. О. Попов // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2008. - Вип. 5. - С. 41-46.

Попов О. О. Математичне моделювання розповсюдження техногенного забруднення від підприємств паливної енергетики / О. О. Попов // Збірник наукових праць ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова НАН України. - К., 2009. - Вип. 51. - С. 73-84.

Каменева И. П. Математико-картографическое моделирование техногенных нагрузок на атмосферу / И. П. Каменева, А. А. Попов, А. В. Яцишин // Моделювання та інформаційні технології. - 2009. - Вип. 51. - С. 58-64.

Попов О. О. Стохастична модель забруднення приземної атмосфери від підприємств паливної енергетики (на прикладі ТЕЦ) / О. О. Попов // Збірник наукових праць ІПМЕ ім. Г. Є. Пухова НАН України. - К., 2009. - Вип. 53. - С. 10-21.

Каменева І. П. Методи визначення екологічного ризику за атмосферним фактором / І. П. Каменева, О. О. Попов, А. В. Яцишин, В. О. Артемчук // Моделювання та інформаційні технології. - 2009. - Вип. 53. - С. 23-32.

Яцишин А. В. Комп'ютерні засоби прогнозування техногенних навантажень на атмосферу / А. В. Яцишин, О. О. Попов, В. О. Артемчук // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2009. - Вип. 5/2 (41). - С. 33-36.

Попов А. А. Компьютерная система для прогнозирования опасных ситуаций от техногенных выбросов в атмосферу / А. А. Попов // Моделювання та інформаційні технології. - 2010. - Т. 3, спец. вип. - С. 48-55.

Yatsyshyn A. V. Computer modeling of anthropogenic load on urban atmosphere / A. V. Yatsyshyn, I. P. Kameneva, V. I. Nochvai, O. O. Popov, O. O. Artemchuk // Моделювання та інформаційні технології. - 2010. - Т. 3, спец. вип. - С. 330-334.

АНОТАЦІЯ

Попов О. О. Математичне та комп'ютерне моделювання техногенних навантажень на атмосферу міста від стаціонарних точкових джерел забруднення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г. Є. Пухова НАН України, Київ, 2010.

На базі детермінованих моделей з використанням статистичного підходу Г. І. Марчука розроблена імовірнісна модель розповсюдження в атмосфері небезпечних речовин від стаціонарних точкових джерел забруднення, що дає можливість визначати рівень техногенного впливу на місто або регіон від дії одного або декількох небезпечних підприємств за тривалий період часу (місяць, рік).

На основі експериментальних даних для розроблених моделей здійснено уточнення відповідно коефіцієнтів горизонтальної та вертикальної дисперсій (модель МАГАТЕ), горизонтального та вертикального коефіцієнтів турбулентної дифузії (К-модель Робертса) забруднюючих речовин для різних станів атмосфери м. Києва.

Визначено критерії оцінки техніко-економічних характеристик комп'ютерних систем моделювання техногенних навантажень на атмосферу. Розроблено методику побудови геоінформаційної моделі та програмні засоби моделювання зони впливу техногенних об'єктів з використанням систем Matlab та ArcMap. На прикладі побудованої геоінформаційної моделі зони впливу ТЕЦ-5 м. Києва визначено відповідність поставленим вимогам основних показників ефективності використаних пакетів програм.

Запропоновано структуру та алгоритмічну організацію спеціалізованої комп'ютерної системи моделювання техногенних навантажень на атмосферу від небезпечних підприємств. Розроблено програмні засоби моделювання й картографічного відображення техногенних навантажень та ризиків від токсичного впливу небезпечних підприємств, необхідні для підтримки прийняття рішень з питань забезпечення екологічної безпеки. Система має більш високі показники ефективності порівняно з існуючими аналогами, та орієнтована на користувачів в галузі екобезпеки.

Ключові слова: розповсюдження забруднюючих речовин в атмосфері, техногенні навантаження, ГІС, статистична модель, екологічна карта, ризик, інформаційно-комп'ютерна система.

АННОТАЦИЯ

Попов А. А. Математическое и компьютерное моделирование техногенных нагрузок на атмосферу города от стационарных точечных источников загрязнения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - Математическое моделирование и вычислительные методы. - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г. Е. Пухова НАН Украины, Киев, 2010.

На базе детерминированных моделей с использованием статистического подхода Г. И. Марчука разработана вероятностная модель распространения в атмосфере опасных веществ от стационарных точечных источников загрязнения, что позволило определять уровень техногенного влияния на город или регион от действия одного или нескольких опасных предприятий за определенный период времени (месяц, год). Предложен способ введения в известные детерминированные математические описания концентраций загрязняющих веществ статистических характеристик метеофакторов.

На базе статистических модификаций моделей МАГАТЭ и К-модели Робертса предложены математические описания распределения техногенных нагрузок на приземный слой атмосферы за длительный период времени от выбросов стационарного точечного источника загрязнения. Разработанные статистические модификации учитывают вероятностное распределение основных метеорологических факторов (направление и скорость ветра, стратификация атмосферы), а также взаимодействие примесей с окружающей средой (вымывание осадками, химическая трансформация и поглощение подстилающей поверхностью). Адекватность моделей проверена путем сравнения результатов моделирования с данными стационарных пунктов наблюдения за состоянием атмосферы.

На основе экспериментальных данных для разработанных моделей осуществлено уточнение соответственно коэффициентов горизонтальной и вертикальной дисперсий, горизонтального и вертикального коэффициентов турбулентной диффузии загрязняющих веществ для разных состояний атмосферы г. Киева.

Исследованы возможности использования универсальных программных пакетов Matlab и ArcMap для компьютерной реализации предложенных моделей. Разработана методика построения геоинформационной модели зоны влияния техногенных объектов с использованием систем Matlab и ArcMap. На примере построенной геоинформационной модели зоны влияния ТЭЦ-5 г. Киева определены основные технические характеристики использованных пакетов программ и их соответствие выдвинутым требованиям.

С помощью разработанных средств исследовано влияние на приземный слой атмосферы наиболее опасных стационарных точечных источников г. Киева (ТЭЦ-5, ТЭЦ-6, Дарницкая ТЭЦ-4) за разные периоды времени. Построенные электронные цифровые карты техногенных нагрузок позволили определить территории повышенного риска проживания, связанного с повышенной загрязненностью атмосферы.

В работе проведен анализ наиболее известных существующих систем мониторинга атмосферы и определены их недостатки. На основании выдвинутых требований для комплексного решения задач анализа экологических рисков, связанных с загрязнением приземного слоя атмосферы от выбросов стационарных источников загрязнения, предложена структура и алгоритмическая организация специализированной компьютерной системы моделирования техногенных нагрузок на атмосферу в сложных метеорологических условиях. Разработаны программные средства моделирования и картографического отображения для определения техногенных нагрузок и рисков от токсичного влияния опасных предприятий, необходимые для поддержки принятия решений по вопросам обеспечения экологической безопасности.

Разработанная компьютерная система обеспечивает необходимые условия для решения актуальных задач охраны окружающей среды, связанных с регулированием выбросов в атмосферу от стационарных источников. Предложенные программные средства позволяют определить уровни техногенных нагрузок и риски для населения при изменении режимов работы потенциально опасных предприятий, применении альтернативных видов топлива, с учетом метеорологических условий и особенностей конкретного региона.

Созданная компьютерная система может применяться как универсальный инструмент поддержки принятия управленческих решений в области экологической безопасности и здравоохранения населения на больших территориях, в том числе - в новых районах развития промышленности и освоения природных ресурсов.

Ключевые слова: распространение загрязняющих веществ в атмосфере, техногенные нагрузки, ГИС, статистическая модель, экологическая карта, риск, информационно-компьютерная система.

ABSTRACT

Popov A. A. Mathematical and computer modeling of the technogenic loadings on the city atmosphere from stationary dot contamination sources. - Manuscript.

The thesis of dissertation for a Candidate's degree in Technical Sciences іn speciality 01.05.02 - Mathematical modeling and numerical methods. - Institute of modeling problems of the power engineering named after G.Ye. Pukhov, NAS of Ukraine, Kуiv, 2010.

The statistical model is developed on the base of determinated model with statistic approach using. Model intends for computation of contaminating substances distribution in atmosphere from dot source and enables to determine the level of technogenic influence on a city or region from action of one or a few dangerous plants for long term (month, year).

New strategies and facilities with program packages Matlab and ArcMap for visualization of results of mathematical modeling of the atmospheric loadings are offered with the use of modern geoinformatic technologies.

A method and computer facilities are developed for the design and cartographic represent of technogenic risks from the toxic influencing of the dangerous plants, which are necessary for decision-making systems in ecological safety area.

Key words: distribution of contamination in atmosphere, technogenic loadings, GIS, statistic model, ecological map, risk, information-computer system.

Размещено на Allbest.ru

...