Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор информационно-измерительных систем построения полей загрязнения атмосферного воздуха и постановка задач исследования 21
1.1 Анализ современного состояния и подходов к разработке информационно-измерительных систем построения полей загрязнения атмосферного воздуха 21
1.2 Анализ существующих математических моделей и методов моделирования загрязнения атмосферы промышленно развитых территорий 39
1.3 Анализ подходов и методов моделирования процессов развития аварийных выбросов загрязняющих веществ 55
1.4 Постановка цели и задач исследования 61
2 Принципы построения и структура информационно- измерительной системы построения полей загрязнения атмосфер ного воздуха 63
2.1 Принципы построения информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха 63
2.2 Алгоритм формирования информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха 70
2.3 Организация передачи информации в информационно- измерительной системе построения полей загрязнения атмосферного воздуха 76
2.4 Моделирование информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха с помощью сетей Петри-Маркова 83
2.5 Выводы по главе 103
3 Метод определения количества постов мониторинга и рацио нального их размещения 104
3.1 Особенности распространения выбросов от точечных источников загрязнения непрерывного действия в условиях городской застрой ки 104
3.2 Особенности моделирования и анализа процесса распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе 109
3.3 Формирование пространственного поля загрязнения атмосферы источниками загрязнения 116
3.4 Метод определения количества постов мониторинга и рационального их размещения на исследуемой территории 139
3.5 Выводы по главе 147
4 Теоретико-экспериментальный метод оценки параметров территориального загрязнения атмосферы 149
4.1 Теоретико-экспериментальный метод оценки параметров территориального загрязнения атмосферы 149
4.2 Выводы по главе 154
5 Разработка метода ранжирования источников загрязнения атмосферного воздуха 155
5.1 Понятие «Интегральный показатель ранжирования» 155
5.2 Представление промышленных объектов и их свойств 159
5.3 Расчет интегрального показателя ранжирования источников загрязнения атмосферного воздуха 164
5.4 Построение информационной сети взаимодействия органов управления, сил и средств ликвидации аварийных выбросов загрязняющих веществ на основе сетей Петри-Маркова 172
5.5 Выводы по главе 190
6 Техническая реализация и внедрение информационно- измерительной системы построения полей загрязнения атмосфер ного воздуха в реальном секторе экономики 192
6.1 Техническая реализация и внедрение автономного экологического метеокомплекса и программно-аппаратного комплекса сбора, обработки и отображения информации совместно «Экомонитор» 192
6.2 Техническая реализация и внедрение программного модуля расчета и отображения распространения загрязнений при авариях с выбросом опасных химических веществ 203
6.3 Техническая реализация модуля расчета распространения выбросов в воздушной среде застроенных территорий в виде программного комплекса «Эмиссия» 209
6.4 Выводы по главе 226
Основные выводы и результаты работы 227
Список используемых источников 229
- Анализ существующих математических моделей и методов моделирования загрязнения атмосферы промышленно развитых территорий
- Алгоритм формирования информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха
- Формирование пространственного поля загрязнения атмосферы источниками загрязнения
- Представление промышленных объектов и их свойств
Анализ существующих математических моделей и методов моделирования загрязнения атмосферы промышленно развитых территорий
Для осуществления мониторинга загрязнения окружающей среды разработаны различные автоматизированные информационные системы. Многие из них используются различными экологическими службами и предприятиями.
В [14] описывается автоматизированная распределенная система экологического мониторинга окружающей среды модульного типа (АРСЭМ), которая позволит повысить точность, объективность получаемых данных, исключить ошибки в расчетах и возможность несанкционированного доступа.
Целью создания распределенной системы модульного типа является обеспечение надежного контроля за состоянием специального объекта, а также мониторинг состояния окружающей среды в районе его расположения, что позволит заблаговременно предупредить о возможном возникновении аварийных ситуаций, которым, как правило, предшествуют небольшие выбросы, утечки или испарения опасных веществ или продуктов их распада. В случае возникновения нештатных ситуаций информация о реальной обстановке позволит организовать действенные меры по устранению последствий и снизить их воздействие на население и окружающую среду.
Такая система контроля может охватывать значительную территорию вокруг контролируемого объекта, но вся информация собирается в едином контрольном центре независимо от места нахождения объекта. В [65] рассмотрена автоматизированная система экологического мониторинга, которая представляет собой совокупность объектов, расположенных на территории производственной площадки, санитарно-защитной зоны и зоны влияния предприятия, которые выполняют функции измерения, передачи и обработки технологических и экологических параметров и функционируют в единой информационно-вычислительной системе. Система обеспечивает автоматизированный сбор, обработку, хранение, передачу и анализ экологической информации, экологическое моделирование и прогнозирование и распределенную обработку данных.
В задачи автоматизированной системы экологического мониторинга входит оперативная оценка экологической обстановки на контролируемой территории на основе данных измерений, актуальных данных о параметрах стационарных и залповых выбросов загрязняющих веществ и результатов математического моделирования процессов переноса загрязнений в окружающей среде [113, 114].
Одной из задач автоматизированной системы экологического мониторинга является задача прогнозирования развития экологической ситуации. Блок прогнозирования предназначен для решения следующих задач: - оценка возможностей развития экологической ситуации в ближайшей и долгосрочной перспективе; - проведение анализа достоверности сделанных прогнозов; - моделирование процессов распространения загрязнений в природных средах при различных условиях в целях анализа экологической ситуации.
К недостаткам этих двух систем можно отнести локальные ограничения, т.е. система охватывает один или небольшую группу объектов, отсутствие возможности предоставления информации через глобальную сеть, а также отсутствие возможности выдачи рекомендаций при принятии управленческих решений, например, по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу. Существует автоматизированная система наблюдений и контроля окружающей среды (АНКОС-АГ), которая предназначена для автоматизированного сбора, обработки и передачи информации об уровне загрязнения атмосферного воздуха. Система позволяет непрерывно получать информацию о концентрации примесей и метеорологических параметрах в населенных пунктах или около крупных промышленных предприятий. Технические возможности регистрации, передачи, хранения и обработки данных о загрязнении атмосферного воздуха позволили разработать основные принципы функционирования автоматизированных систем наблюдения за состоянием атмосферного воздуха [43].
Ведутся разработки и в области мобильных и малогабаритных автоматизированных систем экологического мониторинга.
Система контроля атмосферы СКАТ-1 предназначена для непрерывного автоматического контроля двуокиси углерода СО2 и влажности в атмосфере производственных помещений, а также контроль ПДК рабочей зоны по СО2 . Система СКАТ-1 позволяет обеспечить автоматическую регулировку технологического процесса подачи углекислого газа с помощью переключающихся контактов реле порогов срабатывания «мало» и «много» (включение и отключение газогенераторов, регулирование заслонок подачи топочных газов котельной) и т.д. С помощью пульта контроля можно проводить калибровку датчиков без демонтажа. В состав системы входит от одного до четырех датчиков СО2 и влаги [110].
Алгоритм формирования информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха
Информационно-измерительная система построения полей загрязнения атмосферного воздуха состоит из основы и функциональной части. Основу составляют информационная база, техническая база, математическое обеспечение, организационно-экономическая база. Основа – общая часть для всех задач, решаемых информационно-измерительными системами.
Информационная база информационно-измерительная система построения полей загрязнения атмосферного воздуха, размещенная на машинных носителях информации – совокупность всех данных, необходимых для автоматизации управления объектом или процессом.
Техническая база информационно-измерительных систем включает средства обработки, сбора и регистрации, отображения и передачи данных, а также исполнительные механизмы, непосредственно воздействующие на объекты управления (например, автоматические регуляторы, датчики и т.д.), обеспечивающие сбор, хранение и переработку информации, а также выработку регулирующих сигналов во всех контурах автоматизированного управления производством.
Основные элементы технической базы – ЭВМ, которые обеспечивают накопление, хранение и обработку данных, циркулирующих в информационно-измерительных системах. ЭВМ позволяют оптимизировать параметры управления, моделировать производство, подготавливать предложения для принятия решения. Обычно выделяют два класса ЭВМ, используемых в информационно-измерительных системах: информационно-расчтные и учт-но-регулирующие.
Средства сбора и регистрации данных при участии человека включают различные регистраторы производства, с помощью которых осуществляются сбор и регистрация данных непосредственно на рабочих местах.
Средства отображения информации предназначены для представления результатов обработки информации в удобном для практического использования виде. К ним относятся различные печатающие устройства, пишущие машины, терминалы, экраны, табло, графопостроители, индикаторы и т.п. Эти устройства, как правило, непосредственно связаны с ЭВМ или с регистраторами производства и выдают либо регулярную (регламентную), либо эпизодическую (по запросу или в случае аварийной ситуации) справочную, директивную или предупредительную информацию.
Аппаратура передачи данных осуществляет обмен информацией между различными элементами информационно-измерительных систем.
К технической базе информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха относят также средства оргтехники (копировально-множительную технику, картотеки, диктофоны и т.д.), а также вспомогательные и контрольно-измерительные средства, обеспечивающие нормальное функционирование основных технических средств в требуемых режимах. Математическое обеспечение информационно-измерительной системы представляет собой комплекс программ регулярного применения, управляющих работой технических средств и функционированием информационные базы и обеспечивающих взаимодействие человека с техническими средствами информационно-измерительных систем. Пакеты типовых прикладных модулей могут использоваться в различных комбинациях при решении той или иной функциональной задачи.
Функциональная часть информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха состоит из набора взаимосвязанных программ для реализации конкретных функций управления. Все задачи функциональной части базируются на общих для данной информационно-измерительной системы информационных массивах и на общих технических средствах. Включение в систему новых задач не влияет на структуру основы и осуществляется посредством типового для информационно-измерительных систем информационного формата и процедурной схемы. Функциональная часть информационно-измерительных систем поделена на подсистемы в соответствии с основными функциями управления объектом. Подсистемы в свою очередь делят на комплексы, содержащие наборы программ для решения конкретных задач управления в соответствии с общей концепцией системы.
Принципы построения информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха зависят от потребностей и условий конкретной организации. информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха обладает следующими свойствами: - всесторонность – мониторинг должен быть всесторонним, основываться на простых и сводных измерениях, фокусируясь на исключениях; - соответствие – мониторинг должен соответствовать миссии, видению, целям и стратегии предприятия; - приемлемость – эффективный метод мониторинга должен быть приемлем для его объектов, необходимо уважать их личное пространство и не вторгаться в повседневные обязанности; - своевременность – данные мониторинга должны быть доступны, позволяя выявлять отклонения, о которых надо немедленно сообщить для принятия верных и оперативных решений; - доказательность – информация, полученная в ходе мониторинга, должна поддаваться проверке другими средствами, то есть быть точной и, по возможности, основанной на фактах; - динамичность – любая форма мониторинга должна допускать оперативные корректирующие меры; - гибкость (адаптируемость) – система мониторинга должна легко адаптироваться, обеспечивая точную, значимую и своевременную информацию в изменяющихся обстоятельствах.
Характер и механизм обобщения информации об экологической обстановке при е движении по иерархическим уровням информационно-измерительной системы построения полей загрязнения атмосферного воздуха определяются с помощью понятия информационного портрета экологической обстановки. Последний представляет собой совокупность графически представленных пространственно распределнных данных, характеризующих экологическую обстановку на определнной территории, совместно с картоосновой местности.
Технологический процесс с учетом экологических параметров можно представить, как взаимодействие подсистемы сбора экологической информа ции и самого технологического процесса, выступающего в роли объекта управления. Сотрудники экологической службы, входящие в подсистему сбора экологической информации с помощью замеров контролируют выбросы предприятия, затем анализируют полученную информацию и предоставляют ее инженерам контролирующим техпроцесс. Т.к. концепция воздухо-охранной деятельности основана на понятиях предельно-допустимой концентрации (ПДК) и предельно-допустимого выброса (ПДВ). ПДВ устанавливается для каждого природопользователя и для каждого источника выброса загрязняющих веществ в атмосферу (ЗВ) в атмосферу. ПДВ устанавливается так, чтобы на границе СЗЗ концентрации ЗВ не превышали ПДК. При превышении допустимой доли выброса инженеры меняют параметры техпроцесса с помощью системы управления технологическим процессом, что приводит к уменьшению выброса вредных веществ. Структура системы представлена на рисунке 2.2.1 [27, 28].
Формирование пространственного поля загрязнения атмосферы источниками загрязнения
По метеорологическим наблюдениям, температура воздуха в черте города выше, чем за городом [14, 32, 33, 48]. Кирпич, бетон, кровля здания, асфальт, аккумулируя тепло, нагреваются сильнее, чем покрытая растительностью почва загородной территории.
Поднимающийся теплый городской воздух замещается воздушными массами, подтекающими с прилегающих территорий. При этом возникает устойчивое направление движения воздуха – от периферии к центру. Скорость потоков воздушной среды в городской черте составляет около 2 м/с. Городской ветер появляется, как правило, в утренний период, когда начинает нагреваться воздушная среда городской территории, и удерживается до полудня – времени минимальной разности температур. Коэффициенты рассеивания над районами застройки выше, чем над незастроенной поверхностью сравнительно спокойного рельефа, т.к. препятствия в виде зданий на пути потока создают вертикальные и горизонтальные вихри. Последнее значительно увеличивает турбулентность воздушной среды.
Как показали исследования на моделях [82, 83], процесс обтекания воздушным потоком группы последовательно расположенных зданий отличается от процесса обтекания одиночного здания. Если модели зданий имеют приблизительно одинаковую высоту, то около первого по потоку ветра здания образуется зона подпора, наветренная и заветренная зоны (при широком здании) или единая зона (при узком здании), мало чем отличающиеся от циркуляционных зон отдельно стоящего здания. Если расстояния между такими зданиями будут равны или меньше двух их высот, что характерно для городской застройки, то над вторым по потоку и последующими зданиями ветровой поток проносится в основном над верхними гранями зданий, лишь небольшая часть его попадает в пространство между зданиями, образуя в нем элептические вихри. Исключение составляет зона, которая находится позади последнего здания в ряду, протяженность которой вдоль направления движения потока не превышает от четырех [82], до двух высот здания [10, 40].
Характер образования воздушных потоков в условиях города очень сложен и зависит от плотности застройки, высоты зданий, рельефа местности, ширины улиц, их расположения и других факторов, которые сложно учесть при расчете рассеивания выбрасываемых в атмосферу вредных примесей на основе общетеоретических моделей. Это обстоятельство существенно повышает ответственность выбора методики и условий расчета, обеспечивающей достаточную надежность прогнозирования величин максимальных концентраций вредных примесей в приземном воздухе городской застройки.
В настоящее время нет достаточно обоснованной методики расчета рассеивания загрязнений, учитывающей особенности городской застройки. Этому делает необходимым и развитие имеющихся методик в направлении обеспечения большей надежности. В условиях городской застройки возможности для рассеивания вредных примесей более ограничены, чем на промышленной площадке, так как нет значительного пространства, на котором можно было бы допустить концентрации вредных примесей, превышающие нормативные.
Поэтому здесь в большей степени, чем на промышленной площадке, необходимо учитывать факторы повышающие точность расчета количества выбросов вредных веществ и условий их рассеивания в атмосфере. Применительно к промышленным объектам это требует совершенствования определения формирования выбросных факелов.
При оценке условий рассеивания загрязнений воздушного бассейна кроме известного фактора в условиях города необходимо учитывать плотность застройки высоту зданий, особенность размещения и характер взаимного влияния соседних высоких зданий на движение воздушных потоков над ними.. Прежде всего – это относится к образованию зоны аэродинамической тени над зданием, для источника которого рассчитывается выброс в атмосферу. Очевидно, что расчетные условия организации выбросов низкого здания должны исключать их попадание в зону аэродинамической тени, создаваемой высоким зданием (рисунок 3.1.1) [12, 14].
В условиях города со зданиями высотной застройки необходимо учитывать возможность попадания загрязнений, удаляемых через высокие трубы, в окна высоких зданий, находящихся на значительном расстоянии от источника выброса.
Известно, что при устойчивом состоянии атмосферы, когда падение температуры по высоте менее 1С на 100 м, газовый факел приобретает форму конуса с горизонтальной осью. Такая струя касается земли на большем расстоянии от источника выброса, чем волнообразная, образуемая при сверхадиабатическом вертикальном градиенте температуры, когда состояние атмосферы очень неустойчиво. Конусная форма струи должна быть принята в качестве расчетной для определения концентрации примеси на заданной высоте от уровня земли, т. е. на уровне окон верхних этажей высоких зданий (рисунок 3.1.2), или окон зданий, расположенных на возвышенной местности. Закономерность изменения концентрации с расстоянием X существенно зависит от уровня Z, к которому она относится. У земной поверхности на некотором расстоянии от источника xi отмечается максимальное значение приземной концентрации. По мере увеличения расстояния от уровня земли Z максимум концентрации смещается к источнику. На горизонтальной оси конусной струи, когда Z = Нeff концентрация монотонно убывает с увеличением X.
Представление промышленных объектов и их свойств
Для решения оптимизационной задачи необходимо определить количество постов мониторинга и их рациональное размещение на площади контролируемого района.
Необходимо отметить, что будет загрязняться часть территории, находящаяся с подветренной стороны источника или их группы. Для охвата под 139 вергаемой загрязнению всей неограниченно большой территории застройки необходимо неограниченно большое число постов мониторинга. Сокращать их число вынуждает необходимость оснащения каждой точки контроля дорогостоящим контрольно-измерительным оборудованием, т.к. сокращение неизбежно выводит к потере информации о загрязнении атмосферы в определенном сегменте. В связи с этим необходимо определить минимальное количество постов мониторинга, которые при соответствующем размещении их на контролируемой территории позволят обеспечить сбор достоверной информации, достаточной для эффективного функционирования всей автоматизированной системы экологического мониторинга.
Таким образом, важным условием эффективности экологической системы мониторинга, является определение пространственной структуры системы. Ее решение состоит в разработке алгоритма размещения постов мониторинга на контролируемой территории и определения их числа, достаточного для обеспечения достоверной информации о загрязнении воздушной среды. Отсюда, при разработке информационно-измерительной и управляющей системы экологического мониторинга необходимо выделить ряд условий выбора мест установки постов мониторинга, это: где qmax, qminj qдоп. - соответственно максимальное, минимальное и допустимое значения концентраций загрязняющих веществ в выделенном районе (мг/ м). Из обобщения методологических подходов к размещению постов мониторинга при формировании систем экологического мониторинга, следует, что определяющим фактором пространственного размещения станций является характер расположения источников выброса на контролируемой территории завода. При этом существенное значение имеет учет фактора делового вклада конкретного одиночного источника в общее загрязнение воздушного бассейна территории.
Для учета этих факторов в настоящей работе принят принцип контролируемости каждого источника, располагающегося в пределах подлежащей мониторингу территории. Источник будем считать контролируемым, если при любых направлениях и скоростях ветра, характерных для данной местности, хотя бы одна из постов мониторинга будет фиксировать определенный минимальный уровень концентрации, создаваемый этим источником.
Последовательное применение этого принципа позволит определять количество и координаты расположения постов мониторинга, необходимые для контроля всех источников вредных веществ в данном районе.
Для размещения постов мониторинга должны быть определены координаты источников выброса, его геометрические характеристики, а также параметры выбросов.
Ниже представлен алгоритм определения количества постов мониторинга качества воздушной среды застроенных территорий.
Ввод исходных данных предусматривает задание начальных значений параметров расчета - количество постов мониторинга, координаты позиций для установки станций.
Обозначим количество источников в контролируемом районе через I, количество загрязняющих веществ - через М; направлений ветра, для которых проводится расчет - через N, общее количество позиций, в которых определяется концентрация загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу промышленным предприятием - через J. Будем определять концентрации загрязняющих веществ в каждой позиции от каждого из источников по всем контролируемым видам загрязнителей и всем направлениям ветра. Зафиксируем номер источника, найдем в базе данных его координаты на плане района и все характеристики, необходимые для расчета концентраций в очередной позиции согласно модели. В базе данных найдем сведения о наиболее вероятных скоростях ветра по зафиксированному направлению, а также о величине выброса источником в атмосферу определенного загрязнителя.
Комплексный показатель загрязненности воздуха основными веществами Р, соответствующий рассчитанным концентрациям, от і-го источника в каждой позиции] при направлении ветра п определяется по формуле: - WK. (3.4.3) где qm, ПДКт - соответственно концентрация m-го вредного вещества и его ПДК. Числовые значения загрязнения используются для оценки уровня загрязнения атмосферы в соответствии с ПДК. При этом выделяются пониженный уровень; повышенный уровень; значительный уровень; высокий уровень.
Умножим полученный показатель загрязненности воздуха на частоту повторения ветра в n-м направлении, запомним ее и перейдем к следующему направлению ветра.
По окончанию цикла по всем направлениям ветра получим максимальную величину ущерба от і-го источника в j-ой позиции. Этот процесс продолжается для всех позиций и каждого источника. Данные расчета заносим в матрицу показателей загрязненности воздуха (таблица 3.4.1.).
После формирования матрицы выбирают положение первой посты мониторинга. Для этого суммируются показатели загрязненности воздуха для каждой позиции, и в качестве места расположения первой станции выбирается узел, имеющий максимальный уровень загрязнения. Вектор-столбец матрицы соответствующий этому узлу, считается базовым.
