Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Математическая модель распространения примеси в приземном слое атмосферы 14
1.1. Состояние проблемы 14
1.2. Объект исследования 25
1.3. Уравнения гидромеханики 28
1.4. Уравнение переноса примеси 33
1.5. Моделирование турбулентности 37
Выводы 46
ГЛАВА 2. Численное моделирование турбулентных течений около криволинейных поверхностей 48
2.1. Состояние вопроса 48
2.2. Численный метод 49
2.3. Конечно-разностные уравнения 51
2.4. Конечно-разностная сетка 58
2.4.1. Алгоритм построения криволинейной конечно-разностной сетки 58
2.4.2. Декомпозиция расчетных областей в зависимости от условий моделирования 63
2.5. Анализ сходимости численного решения 66
2.6. Влияние кривизны поверхности на трансформацию потока 71
2.6.1. Критерии оценки трансформации воздушного потока 71
2.6.2. Обтекание положительных форм рельефа 72
2.6.3. Обтекание отрицательных форм рельефа 83
Выводы 89
ГЛАВА 3. Численное моделирование распространения примесей в приземном слое атмосферы 91
3.1. Влияние рельефа местности и шероховатости поверхности на трансформацию потока 91
3.1.1. Классификация шероховатостей, соответствующих различным вариантам застройки промышленной зоны 91
3.1.2. Трансформация воздушного потока в зависимости от шероховатости территории 94
3.2. Физические параметры, характеризующие выброс вредного вещества из источника 97
3.3. Моделирование распространения примесей от точечных источников 99
3.3.1. Граничные условия 99
3.3.2. Моделирование начального подъема примеси 102
3.3.3. Варианты расчетов 108
3.4. Моделирование распространения примесей от линейных источников... 114
3.4.1. Граничные условия 114
3.4.2. Варианты расчетов 117
3.5. Моделирование распространения примесей от площадных источников 121
3.5.1. Граничные условия 121
3.5.2. Варианты расчетов 123
3.6. Моделирование распространения примесей от совокупности источников загрязнения 126
Выводы 130
ГЛАВА 4. Программный комплекс моделирования распространения примесей в приземном слое атмосферы 132
4.1. Обзор существующего программного обеспечения 132
4.2. Требования к программному комплексу 143
4.3. Архитектура программного комплекса 146
4.4. Описание подсистем программного комплекса 149
4.5. Оценка влияния источников загрязнения на экологическую ситуацию региона 157
Выводы 164
Заключение 166
Библиографический список 168
- Моделирование турбулентности
- Декомпозиция расчетных областей в зависимости от условий моделирования
- Трансформация воздушного потока в зависимости от шероховатости территории
- Оценка влияния источников загрязнения на экологическую ситуацию региона
Введение к работе
Актуальность проблемы заключается в необходимости проведения моделирования распространения примесей с целью получения реальной и оперативной информации о влиянии источников загрязнения на экологическую обстановку региона. Существующие методики расчета распространения примесей от промышленных загрязнителей не позволяют в полной мере учесть такие существенные факторы, влияющие на процесс распространения, как рельеф местности и шероховатость подстилающей поверхности. Экспериментальные исследования в данном направлении связаны со значительными капиталовложениями и затруднены большими пространственными масштабами процесса (—10 км). Кроме того, эксперимент не позволяет строить прогноз ситуации в случае изменения атмосферных условий (скорости и направления ветра, атмосферного давления). Математическое моделирование в данном направлении позволяет отследить и спрогнозировать распространение примесей в приземном слое атмосферы с учетом реальных условий местности и изменения метеорологических параметров, что поможет принятию своевременных управленческих решений.
Цель и задачи исследования диссертационной работы. Целью работы является разработка проблемно-ориентированного программного комплекса для проведения вычислительного эксперимента распространения примеси в приземном слое атмосферы с учетом рельефа подстилающей поверхности на основе решения уравнений гидромеханики турбулентных течений.
Объектом исследования являются турбулентные течения и процессы распространения примеси в приземном слое атмосферы над неоднородной поверхностью.
Предметом исследования являются математическая модель, алгоритм численного решения и программный комплекс моделирования распространения загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы.
8 Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научных и практических задач:
Разработка математической модели распространения примесей в приземном слое атмосферы с учетом рельефа подстилающей поверхности и деформации турбулентных потоков.
Разработка алгоритма численного расчета параметров пространственного турбулентного течения около криволинейной поверхности.
Исследование деформации турбулентных потоков в зависимости от геометрии обтекаемой поверхности.
Исследование влияния рельефа и типа подстилающей поверхности на рассеяние примеси от источников загрязнения различного типа.
Разработка программного комплекса для сбора и хранения информации об источниках загрязнения, метеорологических данных, рельефе и типе подстилающей поверхности и моделирования распространения примесей в приземном слое атмосферы.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы вычислительной математики, средства структурного и объектно-ориентированного программирования, системы управления базами данных, геоинформационные технологии.
Краткая история развития объекта исследования. Первые модели распространения примеси в атмосфере появились в середине XX века, но теоретические основы к появлению таких моделей были заложены гораздо раньше в 20-30-е годы. Они опирались на работы по изучению распределения метеоэлементов в приземном слое атмосферы и на наблюдение о схожести процессов переноса тепла, количества движения, рассеяния примеси и возможности использовать при моделировании этих процессов одинаковые по виду уравнения.
Большой вклад в определение вида уравнений описывающих распространение примеси внесли работы Л. Ричардсона, А.Н. Колмогорова, A.M. Обухова, Л.В. Келлера, М.И. Юдина. На основании этих работ, для описания процесса
9 диффузии примеси, было предложено использовать уравнения параболического типа, представляющие собой обобщение уравнения Фикка. Процесс атмосферной диффузии примеси исследовался также Е.С. Ляпиным, А.С. Мониным, A.M. Ягломом. Полученные в этих работах результаты, позволили оценить пределы, в которых возможно применение уравнения Фикка.
Еще на первоначальном этапе построения моделей описывающих диффузию примеси в атмосфере выделяли два подхода. Первый основывался на решении уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами, был описан в работах А. Робертса. Второй подход, основанный на статистическом описании процесса распространения концентрации примеси, был предложен в работах О.Г. Сеттона. Согласно О.Г. Сеттону, распределение примеси вблизи точечного источника подчиняется гауссовому закону распределения [1]. Изложенные в этих работах методы расчета распространения примеси находят свое применение в современных моделях.
В России для моделирования рассеяния примеси от источников загрязнения чаще всего использовался подход, основанный на решении уравнений турбулентной диффузии с переменными коэффициентами [1]. Этот подход позволяет делать модель более гибкой, а также расширить область ее применения для решения задач с источниками различных типов при произвольных параметрах окружающей среды. Первые работы по определению концентраций примесей, выбрасываемых промышленными источниками, были выполнены Г.Б. Шлей-ховским, П.И. Андреевым и Н.Ф. Дергачевым , которые использовали для этой цели различные статистические зависимости.
В настоящее время существует большое количество методов, реализующих разнообразные подходы к моделированию процесса распространения примесей в атмосфере. Все существующие модели можно классифицировать, разделив их на группы, в соответствии с используемыми методами расчета приземной концентрации примеси: статистические модели, гауссовы модели, К-теории диффузии, модели теории подобия и численные модели.
10 На защиту выносятся
Математическая модель распространения примесей в приземном слое атмосферы с учетом рельефа и типа подстилающей поверхности, основанная нг уравнениях гидромеханики, записанных в пространственной, криволинейной системе координат.
Алгоритм численного решения уравнений гидромеханики турбулентных течений, реализованный с применением криволинейных конечно-разностных сеток.
Методика численного решения задачи распространения примесей в приземном слое атмосферы, основанная на расчете параметров турбулентных течений в пограничном слое атмосферы.
Результаты исследования влияния геометрии поверхности, параметров источника загрязнения и набегающего потока на распространение примесей в приземном слое атмосферы.
Результаты оценки влияния источников загрязнения на экологическую ситуацию промышленного региона (Удмуртская Республика, г. Ижевск), полученные с использованием проблемно-ориентированного программного комплекса.
Научная новизна работы
Сформулирована математическая модель распространения примесей в приземном слое атмосферы с учетом рельефа и типа подстилающей поверхности. Предложенная математическая модель позволяет существенно повысить точность расчетов по сравнению с современными инженерными методиками за счет решения уравнений турбулентной гидромеханики в пространственной постановке.
Разработан алгоритм численного решения уравнений гидромеханики турбулентных течений. Разработанный алгоритм позволяет определять параметры турбулентных течений в пограничном слое.
Предложена методика решения задачи распространения примесей в приземном слое атмосферы, позволяющая учесть влияние рельефа и типа подстилающей поверхности. Предложенная методика позволяет строить прогноз рассеяния примеси в условиях реального рельефа местности и изменяющихся метеопараметрах.
Исследовано влияние геометрии поверхности, параметров источника загрязнения и набегающего потока на распределение концентраций в приземном слое атмосферы. Установлены наиболее важные факторы, влияющие на подъем примеси над источником и, соответственно, на величину приземной концентрации.
Достоверность полученных результатов показана сравнением с известными экспериментальными данными и вычислительными результатами других авторов; тестированием вычислительных алгоритмов и программных средств на модельных задачах.
Практическая значимость. Разработанная методика и комплекс программ позволяют прогнозировать загрязнение атмосферы промышленных территорий в зависимости от физических свойств загрязняющего вещества, типа источников загрязнения, топологии подстилающей поверхности и метеорологических условий. Проведены расчеты распространения примесей от источников загрязнения на топологической основе г. Ижевска при различных метеорологических данных.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались:
III Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск: ИжГТУ, 2001);
4-я Международная конференция "Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон" (СПб., 2002);
the VIII-th International symposium on integrated application of environmental and information technologies (Хабаровск, 2002);
12 - IV Международная научно-техническая конференция "Информационные технологии в инновационных проектах" (Ижевск: ИжГТУ, 2003). Основные результаты диссертационной работы опубликованы в [2-11].
Аннотация диссертационной работы по главам
Диссертационная работа состоит из Введения, четырех глав и Заключения.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор существующих математических моделей распространения примеси в атмосфере. Выполнен анализ этих моделей с учетом допущений и используемых методов расчета. Предложена математическая модель расчета распространения примеси от источников загрязнения с учетом рельефа местности и свойств подстилающей поверхности в приземном слое атмосферы. Решение задачи разделено на две подзадачи: моделирование течений около криволинейных поверхностей и моделирование распространения примеси. Моделирование течения у криволинейных поверхностей осуществляется на основании системы осредненных уравнений Навье-Стокса с замыкающими соотношениями для турбулентной вязкости. Для расчета распространения примеси используется уравнение диффузии с граничными условиями, моделирующими взаимодействие примеси с подстилающей поверхностью.
Вторая глава посвящена численному решению задачи моделирования турбулентных течений около криволинейных поверхностей. Приведен обзор существующих численных методов. Предложен алгоритм численного решения уравнений гидромеханики. Представлен алгоритм построения ортогональной, в направлении счета, конечно-разностной сетки. Проведен анализ сходимости численного решения. Проанализировано влияние кривизны подстилающей поверхности на трансформацию потока. Выполнена проверка адекватности представленной модели на основе существующих экспериментальных данных.
В третьей главе представлены результаты численного моделирования распространения примеси в приземном слое атмосферы над неоднородной по-
13 верхностью. Приведена классификация шероховатости поверхности, представляющей собой городскую территорию. Проанализированы физические параметры, характеризующие выброс примеси различными источниками. Проведен анализ результатов моделирования распространения примесей от различных типов источников загрязнения (точечных, линейных, площадных) и проверка адекватности модели на основании известных экспериментальных данных. Проанализировано влияние свойств подстилающей поверхности на процесс распространения примеси. Представлена методика расчета распространения примеси от источников загрязнения за длительные периоды времени.
Четвертая глава посвящена программному комплексу моделирования распространения примесей в приземном слое атмосферы. Приведен обзор существующего программного обеспечения в области экологического мониторинга. Предложена структура программного комплекса, отвечающая требованиям, предъявляемым к современному программному обеспечению. Проведена оценка влияния источников загрязнения на окружающую территорию на примере г. Ижевска.
В Заключении работы приведены общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.
Автор искренне признателен и благодарен научному руководителю к. ф.-м. н., доценту М.М. Горохову за постоянную помощь и поддержку в работе, декану факультета "Прикладная математика" ИжГТУ, д. т. н., профессору И.Г. Русяку за полезные замечания и предложения.
Моделирование турбулентности
Существует большое число теорий атмосферной диффузии, позволяющих с различной достоверностью описывать процессы распространения примесей ст источников загрязнения. Рассмотренные теории основываются на различных методах моделирования, общим у них являются параметры, влияющие на распространение примеси. Безусловно, что таких параметров достаточно много и все они с различной силой могут влиять на процесс переноса. Из рассмотренных работ видно, что наибольшее значение имеют параметры атмосферы (скорость ветра, температура) и непосредственно параметры источника загрязнения и свойств примеси.
Во многих из описанных моделей принимается однородность метеопараметров во всей рассматриваемой области. То есть значения параметров атмосферы, измеренные в некоторой точке, распределяются на всю область, в которой происходит распространение примеси. При этом в различных статистических и К-моделях для расчета используются параметры, основанные на статистической информации, а также известных алгебраических зависимостях. Венкатрам в [80] показал, что нельзя получить идентичность результатов при моделировании распространения концентраций примеси и данных, полученных в результате единичных измерений. Для проведения подобного рода сравнений необходимо брать некоторую выборку измеренных данных, причем измерения должны проходить при тех же условиях, которые используются в модели.
В связи с этим выгодно отличаются модели, в которых параметры рассчитываются на основе численных методов. Они могут быть достаточно легко модифицированы, путем добавления в уравнения новых членов, и позволяют проводить моделирование при различных условиях, что является проблематичным в случае использования моделей, основанных на известной статистической информации.
Для моделирования процесса распространения примеси в приземном слое атмосферы предложена следующая математическая модель. - Параметры атмосферы в приземном слое определяются на основе уравнений гидромеханики, выполненных в пространственной, криволинейной постановке. Это позволяет проводить моделирование пространственных течений с учетом рельефа местности и шероховатости подстилающей поверхности. В случае достаточно сложного рельефа поверхности он оказывает значительное влияние на картину течения в приземном слое атмосферы и соответственно на процессы, протекающие в этом слое. - Для замыкания модели использовалась однопараметрическая модель турбулентности. В качестве граничного условия на твердой поверхности использовался "закон стенки", что позволяет точнее смоделировать логарифмический профиль скорости и в соответствии с этим подробнее описать процессы, происходящие непосредственно у границы земной поверхности. - Распространение концентраций примеси описывается уравнением переноса, позволяющим, в совокупности с существующими методиками расчета концентраций, моделировать распространение примесей от источников загрязнения различных типов (точечных, линейных, площадных). - Представленные в модели граничные условия позволяют учесть влияние свойств подстилающей поверхности. К настоящему времени разработано большое количество методов численного решения уравнений Навье—Стокса для процесса течения несжимаемой жидкости. Подробный обзор по этому вопросу можно найти в [81]. Довольно часто для моделирования отрывных несжимаемых течений применяется подход с использованием завихренности и функции тока [82]. Очевидным недостатком такого подхода является использование приближенного граничного условия для вихря на твердой поверхности. Одним из наиболее ранних методов решения уравнений Навье-Стокса для несжимаемой жидкости в естественных переменных является метод искусственной сжимаемости [81]. Сущность этого метода состоит в том, что в уравнение неразрывности включается фиктивный член с искусственной сжимаемостью вида — (р - искусственная плотность, t - фиктивное время). В результате уравнения Навье-Стокса образуют систему гиперболически-параболических уравнений, которая решается методом установления. При-установлении решения по времени фиктивный член стремится к нулю.
Декомпозиция расчетных областей в зависимости от условий моделирования
Построенные по данному методу линии конечно-разностной сеткч = const, r = const для расчета течения, по сути, являются линиями тока и эквипотенциальными линиями для безвихревого течения. Следовательно, в этом случае может быть проведен анализ качества построения сетки путем сравнения с аналитическим решением [52].
Комплексный потенциал % = Ъ, + іг\ для обтекания цилиндра радиуса R однородным потоком с единичной скоростью определяется выражением
Сравнение показало, что максимальное расхождение между линиями разностных сеток наблюдается в «лобовой» и «кормовой» точках и составляет -1,8%.
В случае построения пространственной конечно-разностной сетки для области, в основании которой располагается криволинейная поверхность (рис. 2.7), необходимо первоначально разбить эту область на плоскости ст в направлении счета.
Затем по изложенной выше методике в каждой плоскости строится сетка. В результате получаем совокупность криволинейных ортогональных конечно-разностных сеток. Для получения пространственной сетки необходимо объединить полученную совокупность. Для этого необходимо объединить соответствующие узлы построенных в плоскостях а сеток. При условии, что в основании области лежит плоскость, построенная сетка является полностью ортогональной. Так как в общем случае в основании находится криволинейная поверхность, то построенная сетка будет удовлетворять условию ортогональности лишь в направлении счета.
Задача моделирования распространения примеси от различных источников включает в себя проведение расчета при различных направлениях ветра. Но как было сказано выше, в случае, когда поток наклонен к линиям сетки, могут возникать ошибки, связанные с влиянием схемной вязкости. Поэтому для проведения расчета, в случае смены направления движения потока, необходимо перестроить сетку таким образом, чтобы она стала ортогональной в направлении счета (рис. 2.8).
Пример пространственной разностной сетки представлен на рис. 2.9. Так как подстилающая поверхность имеет не слишком искривленную форму, то построенная сетка удовлетворяет условию ортогональности по направлению движения потока. А в направлении, перпендикулярном направлению счета, может наблюдаться небольшая неортогональность.
При помощи разработанного алгоритма были проведены расчеты ряда задач внешней аэродинамики. Рассчитывались параметры течения газа около криволинейных поверхностей при числах Мха М 0,3.
В качестве тестового примера для определения параметров сетки рассматривалось обтекание положительной формы рельефа (гряды) с отношением высоты гряды h к ее ширине / как 1:4 при числе Рейнольдса Re = 106. Было проведено исследование зависимости коэффициента полного сопротивления Сх в зависимости от количества узлов в направлениях , и л. Коэффициент полного сопротивления определяется согласно [52]: где Wx - сила сопротивления; S - площадь поверхности.
В случае, если поверхность тела рассматривается как сумма элементарных площадок, то силу сопротивления можно определить, умножив на эту площадь напряжение трения xSn и давления р; полученные элементарные силы спроектировать на ось Ох, совпадающей по направлению с направлением движения потока, и просуммировать по всей поверхности:
Трансформация воздушного потока в зависимости от шероховатости территории
Особое внимание следует уделять случаю, когда в качестве подстилающей поверхности имеются акватории каких-либо водных источников. В этом случае бывает необходимым учитывать трансформацию направления ветра под влиянием течения в этих источниках. Причем направление движения потока жидкости и направление ветра могут не совпадать. Особенно важно учесть эту ситуацию при моделировании течения воздушных масс для местности, которую пересекают крупные реки. В этом случае влияние водной поверхности на направление движения воздушного потока будет особенно значимым.
При моделировании движения воздушных потоков на больших территориях происходит трансформация профиля скорости на границе поверхностей с различной шероховатостью. При этом как перед границей между поверхностями с различной шероховатостью, так и после этой границы формируются переходные зоны. В этих зонах происходит изменение вертикального профиля скорости в зависимости от степени шероховатости подстилающей поверхности. Существует теория внутреннего пограничного слоя М.Ф. Барштейна [104], которая заключается в том, что при переходе от местности с одной шероховатостью к местности с другой шероховатостью на границе между поверхностями формируется внутренний пограничный слой. Этот пограничный слой отделяет поток, профиль которого приспособился к поверхности, расположенной ниже по течению, от внешнего потока, который до этой границы не испытывает влияние новой поверхности. Толщина этого пограничного слоя в зависимости от расстояния определяется по формуле
Заселенная территория, рассматриваемая в качестве подстилающей поверхности, включает все три вышеперечисленных уровня шероховатости. При моделировании поверхности территории необходимо учитывать элементы гипершероховатости и макрошероховатости, т. к. именно эти элементы оказывают наиболее существенное влияние на трансформацию воздушного потока. Элементы микрошероховатости можно учесть через параметры взаимодействия потока с подстилающей поверхностью (граничные условия).
При классификации форм рельефа их можно разделить, как и в случае с криволинейными поверхностями, на положительные и отрицательные формы. Считается, что поверхность земли имеет уклон менее 2 - субгоризонтальная поверхность [96]. Если элемент возвышается над поверхностью, то он относится к положительным формам, иначе элемент относится к отрицательным формам рельефа. Субгоризонтальная поверхность не оказывает существенного влияния на изменение скорости и направления ветра. Данные о трансформации потока, обтекающего различные формы рельефа, основываются в основном на результатах натурных экспериментов. Некоторые результаты таких наблюдений обобщены и представлены в табл. 3.2 [105].
Анализируя результаты подобных наблюдений, можно сделать выводы о том, что в средних и верхних частях наветренных склонов, а также на вершине холмов имеет место некоторое ускорение потока. Коэффициент трансформации может принимать значения в интервале 1,1-1,8. В нижних частях наветренных склонов и на подветренных склонах наблюдается торможение потока
Результаты наблюдений за поведением потока, обтекающего отрицательные формы рельефа, представлены в [96; 105] (табл. 3.3). Несмотря на значительное количество имеющихся результатов натурных экспериментов, они не дают полной картины зависимости скорости и угла трансформации потока от формы обтекаемой поверхности. Для более детального изучения трансформации потока необходимо проводить исследования методом моделирования [96]. Так, анализ результатов численного моделирования турбулентных течений над криволинейными поверхностями, приведенный в гл. 2, показал, что влияние поверхности оказывается существенным даже при небольшой кривизне поверхности. Причем это влияние наблюдалось не только у самой поверхности, но и над ней на высоте 3h. И, следовательно, влияние подстилающей поверхности должно сказаться на процессах, протекающих в приземном слое. Физические параметры, характеризующие выброс вредного веществВещества, загрязняющие атмосферу населенных мест, по агрегатному состоянию можно разделить на две группы [106]: газы и пары; твердые и жидкие частицы. Многие из этих веществ при попадании в атмосферу вступают в реакции. Причем взаимодействие происходит не только с другими выбрасываемыми в атмосферу веществами, но и с веществами, входящими в состав самого атмосферного воздуха [107]. В результате такого взаимодействия может существенно измениться химический состав выброса. Большинство расчетов в настоящее время проводится на основании документа ОНД-86 [108] и приложений к нему [109-114], описывающих распространение загрязняющих атмосферу веществ, источниками которых являются различные производства или загрязнения, возникающие при проведении тех или иных видов работ. Согласно этим документам, основной характеристикой выброса вредного вещества из источника, с точки зрения воздействия на загрязнение атмосферы, является мощность выброса М(г/с), измеряемая массой вредного вещества, выбрасываемой за 1 сек.
Оценка влияния источников загрязнения на экологическую ситуацию региона
По мере проведения исследований в любой области науки происходит переход от качественного описания объекта исследования к описанию его количественных характеристик [124]. Обнаруживаемые при этом свойства и связи объекта отражаются при разработке математической модели. Постепенно накапливаются знания об объекте, обнаруживаются новые закономерности и зависимости, и модель приобретает все более полный вид. Тем самым повышается достоверность и адекватность модели реальным объектам.
При моделировании состояния воздушного бассейна населенных мест и анализе содержания в нем загрязняющих веществ возникает необходимость рассмотрения явлений, происходящих в приземном слое атмосферы. Атмосферный воздух представляет собой достаточно сложный объект моделирования, который характеризуется многокомпонентностью, непрерывным изменением физических параметров [106]. При проведении мониторинга загрязнения атмосферного воздуха необходимо учитывать такие параметры, как скорость и температура воздуха, т. к. они влияют на распространение примеси от источника загрязнения. При анализе состояния воздушного бассейна необходимо учитывать также высокую степень разбавления анализируемых веществ. Поэтому для получения достоверных результатов необходим отбор проб воздуха большого объема за достаточно короткий период времени. Также важным для определения состояния и анализа загрязнения атмосферного воздуха является работа в реальном масштабе времени, что позволяет не только моделировать ситуацию в любой момент времени в условиях постоянно меняющихся параметров, но и своевременно принимать решения и тем самым влиять на величину концентраций загрязняющих веществ [125]. Поэтому для решения поставленных задач появилась необходимость моделирования с использованием современных средств ЭВТ.
Очевидно, что при составлении математической модели для проведения моделирования сложного объекта с помощью ЭВМ не возможно учесть все оказывающие на него влияние факторы. Некоторые из них являются наиболее важными, а какими-то можно пренебречь [126]. Но если реализованная на ЭВМ модель с большой степенью достоверности отражает поведение объекта, то это позволят проанализировать его поведение при различных, даже самых неблагоприятных условиях. Компьютерная реализация в виде программных комплексов позволяет также обеспечивать оперативность в обработке данных и возможность дополнения и совершенствования модели, что позволяет расширить возможности программного комплекса и тем самым отразить новые грани объекта исследования.
Существует взаимосвязь между развитием моделей, алгоритмов, программ и вычислительных машин. Развитие одного из этих компонентов заставляет двигаться вперед другие. Поэтому поэтапный процесс совершенствования программных средств в любой области, в том числе и в области моделирования экологической обстановки промышленных зон, является закономерным. Проследим историю развития программных комплексов, направленных на моделирование распространения и анализа загрязняющих веществ в атмосфере над населенными территориями.
Сложившаяся несколько десятилетий назад система нормирования выбросов загрязняющих веществ в атмосферу сегодня определяет основные принципы управления качеством атмосферного воздуха [127]. В 1980-е годы вместе с развитием вычислительных средств значительно выросли объемы работ по установлению нормативов ПДВ, и появилась необходимость в использовании специализированных программных средств.
Наиболее трудоемкой частью работы по выпуску проекта нормативов ПДВ было проведение расчетов величин приземных концентраций вредных веществ согласно "Методике расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" [108]. Поэтому в первую очередь появился спрос на программы, реализующие алгоритм названной методики, - унифицированные программы расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА). Разработка первых таких программ велась централизованно и не имела коммерческого характера. Наиболее известной УПРЗА того времени являлась программа "Эфир" для машин класса ЕС.
Естественно, при использовании больших машин практически не шло речи о более или менее полной автоматизации деятельности сотрудников служб охраны природы предприятий. Некоторые разработчики пошли дальше и автоматизировали процесс выпуска таблиц проекта нормативов ПДВ и некоторых других документов. Появились программные комплексы для больших машин, в которых главная программа (УПРЗА) дополнялась несколькими вспомогательными. Такой способ работы лишал разработчиков томов ПДВ определенной оперативности. При необходимости многократного изменения исходных данных в целях получения приемлемых величин приземных концентраций требовались немалые затраты времени. В начале 1990-х годов ситуация поменялась. Во-первых, началось бурное развитие персональной техники, сопровождавшееся массовым списанием больших машин. Во-вторых, разработка программных средств стала преследовать коммерческие цели. Возникли условия для возникновения рынка программных средств, в том числе и в области охраны атмосферного воздуха. В 1990-1993 гг. в Hampshire Research Institute (США) был разработан программный продукт "RISK ASSISTANT" [128]. Он позволял решать следующие задачи: - ввод информации об источниках выбросов загрязняющих веществ (ВЗВ); - расчет параметров загрязнения по различным методикам. "R A" работал под управлением операционной системы MS DOS. Теоретической основой программы "R A" являются экологические методики трех классов: - федеральные методики США; - экологические законы штата в США; - экологические законы ЕС. В процессе работы программы пользователь задает географические координаты источника ВЗВ или исследуемой области, вид источника загрязнения и его параметры. Тип методики расчета ВЗВ выбирается автоматически. После заполнения источников ВЗВ происходит расчет общей экологической обстановки по территории с учетом метеорологических данных.
Программный продукт обладал простым и понятным интерфейсом для ввода и расчета информации. Выбор методик для расчета выполнялся автоматически. Также к достоинствам программы относятся низкие требования к техническому обеспечению компьютера, возможность изменения расчетных формул и мощная система подсказок в процессе работы. К недостаткам программного средства можно отнести отсутствие блока визуализации информации и неунифицированность для различных территорий. Так как метеорологические условия для расчетов задавались только для штатов США. Но самым большим "недостатком" данного программного комплекса является несовпадение федеральных методик РФ и США или ЕС. В связи с этим можно говорить о невозможности адаптации "R A" к условиям РФ и в частности Удмуртской Республики, как субъекта РФ.
