Введение к работе
Актуальность исследования. Диссертационная работа посвящена разработке научно-технических основ оценки функционирования технических систем как источников загрязнения атмосферы промышленно-развитого региона и воздействия на окружающие экосистемы, что соответствует специальности 03.00.16 – Экология (прикладная экология – исследование влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу; разработка принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы на экосистемном уровне).
В Российской Федерации, основная территория которой расположена в суровой климатической зоне, обеспечение потребителей тепловой энергией приобретает особо важное значение.
Учитывая, что основной ввод теплоэнергетических мощностей был осуществлен в 1960-70 гг., в последние годы в электроэнергетике России неуклонно обостряется проблема физического и морального старения оборудования теплоэнергетических сетей (ТЭС).
В настоящее время сложилась устойчивая тенденция сооружения промышленными предприятиями собственных котельных и отказа от тепловой энергии крупных теплоисточников. По той же причине в жилищно-коммунальном секторе столь же очевидно проявляется тенденция перехода на автономные источники теплоснабжения. Тем самым возрастает и число приходящихся на район источников выбросов в атмосферу дымовых газов, которыми являются автономные котельные. Причем, рассредоточенными и низкими по высоте выбросов источниками. Последние особенно неблагоприятны для качества воздушной среды прилегающих территорий, так как осуществляются в инфраструктуре городских застроек, т.е. непосредственно в зоне обитания. Кроме того, увеличение числа автономных котельных соответственно формирует более разветвленную сеть газопроводов. Для них также характерны проблемы коррозии (внутренней), механических разрушений и т.д.
С учетом активного строительства систем автономного теплоснабжения очевидна необходимость изучения закономерностей обеспечения их экологической безопасности, условий мониторинга воздушной среды градостроительных комплексов с развитыми системами автономного теплоснабжения, а также прогнозирования загрязнения атмосферы.
Успешное решение задач прогноза уровня загрязнения воздуха основано на использовании математических моделей, учитывающих физические особенности распространения примесей в атмосфере, связи между концентрациями примесей и метеорологическими параметрами.
В настоящее время прогностические задачи экологии решаются через построение аналитической и (или) регрессионной моделей, отражающих изменение интересующих параметров во времени.
Основная проблема использования аналитического подхода – неопределенность задания коэффициентов турбулентной диффузии. В результате точность полученных оценок техногенного загрязнения оказывается неудовлетворительной.
Имеющиеся полуэмпирические модели по оценке пространственно-временных полей техногенного загрязнения атмосферы составляют основу документа “Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86”. В нем практически не учитываются особенности конкретных городов и прилегающих к ним территорий. Высокий уровень обобщения делает методику универсальной, однако точность получаемых с ее помощью результатов в значительной степени зависит от особенности территорий и характера развития погодных условий.
Возможность построения эмпирических моделей для решения прогностических задач имеет свои ограничения. В то же время, появляется ряд дополнительных коэффициентов, которые влияют на точность получаемых результатов.
Перечисленные обстоятельства делают актуальной задачу создания более приемлемой по точности методики по оценке и прогнозированию техногенного загрязнения городской атмосферы с учетом особенностей конкретной территории. Решению этой задачи посвящена настоящая работа.
Объектом исследования является загрязнение приземного слоя атмосферы.
Целью работы является повышение достоверности оценки загрязнения приземного слоя атмосферы застроенных территорий путем построения модели и разработки алгоритмов расчета полей концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.
Для решения поставленной цели были определены следующие задачи:
анализ существующих методов, методик и программного обеспечения для расчета загрязнения приземного слоя атмосферы;
разработка метода расчета характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы застроенных территорий в условиях комплексного воздействия выбросов теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов;
реализация математической модели на ЭВМ: составление численного алгоритма с созданием программного обеспечения, удовлетворительно описывающего процесс распространения примесей в ограниченной территории;
верификация результатов, полученных с помощью модели, известных методик и экспериментальных измерений;
разработка структуры модуля системы экологического мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы применительно к крупному городу.
Идея работы состоит в построении модели и разработке алгоритмов расчета полей концентраций загрязняющих веществ при выбросах теплогенерирующих источников и аварийных разрывов газопроводов как методологической основы мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий.
Методы исследования включают: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, математическое моделирование, численный эксперимент и статическую обработку данных с применением ЭВМ.
Достоверность представленных в работе положений, результатов и выводов подтверждается использованием широко известных математических методов исследований и фундаментальных положений классической аэродинамики, прямым и косвенным совпадением результатов численных экспериментов автора с данными, полученными другими исследователями.
Научная новизна работы состоит в том, что разработана математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней модернизированы блоки, учитывающие условия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий; предложен и обоснован метод определения расположения станций экологического контроля качества среды застроенных территорий с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ аварийными выбросами и выбросами теплогенерирующих источников в условиях децентрализации систем теплоснабжения.
Практическое значение работы.
Практическая ценность заключается в возможности использования метода математического моделирования различными службами города, включая службы здравоохранения и экологии. Даны конкретные рекомендации по оценке экологического состояния приземного слоя атмосферного воздуха на основе математического моделирования, а также предложена структура системы экологического мониторинга загрязнения приземного слоя атмосферы застроенных территорий. Разработанный программный комплекс для системы мониторинга и диспетчеризации загрязнений воздушного бассейна позволяет решать следующие задачи:
контроля и визуальной оценки качественного состояния воздуха в приземном слое;
идентификации аномально работающих источников загрязнения воздушного бассейна;
прогноза уровня загрязнения воздуха в городской среде.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель формирования полей концентраций загрязняющих веществ в приземном слое застроенных территорий, отличающаяся от общепринятой тем, что в нее модернизированы блоки, учитывающие условия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий.
-
Программный комплекс для получения прогнозных оценок распределения концентрации вредных выбросов в приземном слое атмосфере.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Всероссийской научно-технической конференции «Современные инновационные технологии и оборудование» (гг. Москва-Тула, 2006 г.) , 5-й региональной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования в Тульской области» (гг. Москва-Тула, 2005 г.), научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» ТулГУ (2006-2008 гг.).
Реализация основных результатов диссертации. Основные научные и практические результаты диссертационной работы реализованы в виде программного комплекса, позволяющего проводить расчеты полей загрязнения атмосферы как от выбросов дымовых труб, так и при аварийных разрывах газопроводов. Результаты работы внедрены в практическую деятельность ООО «Конти Тулаэнерготепло», ООО «ЦентрЭнергоСервис» и ООО «Теплоэнергоналадка» для получения прогнозных данных о загрязнении атмосферного воздуха, а также для поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, возможных при разрывах газопроводов.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, из них в 6 изданиях, рекомендованных ВАК России, и 1 монография.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 147 листах машинописного текста, содержит 46 иллюстраций, 21 таблицу, список литературы из 146 наименований, 2 приложения.
Похожие диссертации на Совершенствование метода оценки загрязнения атмосферы промышленно развитого региона
