Введение к работе
Актуальность проблемы.
Проблема обеспечения чистоты воздушного бассейна промышленных городов является одной из актуальных для современной России. Особую остроту она приобрела в районах Сибири и Дальнего Востока. Для Приморского края и в частности для его административно -промышленного центра г. Владивостока характерно интенсивное загрязнение воздушного бассейна, которое обусловлено высокой концентрацией населения и хозяйства в городе, видами производства, особенностями природно-климатическігх условий территории. Загрязнение воздушного бассейна отрицательно сказывается на состоянии окружающей среды и здоровье населения.
В последние годы все большее внимание исследователей из различных областей наук, уделяется вопросам количественного и качественного загрязнения городов (Э.Ю. Безуглая,1991, Л.Д. Капранова, 1993, В.А. Василенко, 1995,). Особое значение приобретают метеоролопгческие аспекты загрязнения воздушного бассейна городов, которые являются основой для объективной оценки и прогноза состояния воздушного бассейна, а также разработки возможных мероприятий по обеспечению его чистоты (Э.Ю. Безуглая, 1980, М.Е. Берлянд, 1982, Л.Р. Сонькин, 1991).
Актуальным в развитии работ по метеорологическим аспектам загрязнения воздуха является прогноз самігх значений концентраций. При составлении прогнозов закономерности распространения загрязгающих веществ от их источников, исследуются по двум направлениям. Первое -состоит в разработке теории атмосферной диффузии на основе математического описания распространения примесей с помощью решения уравнения турбулентной диффузии. Второе - связано в основном с эмпирико - статистическим анализом распространения загрязняющих веществ в атмосфере и с использованием для этой цели интерполяционных моделей. Основные положения обоих направлений изложены в ряде книг (М.Е.Берлянд, 1975, F. Pasquil, 1979, Г.Е. Ландсберг, 1983, Л.Р. Сонькин, 1991), обзорных статьях и докладах (М.Е. Берлянд, 1982,1983, В. Turner, 1979 и др.).
На основе результатов вышеперечисленных разработок используются различные подходы к составлению прогнозов загрязнения
воздуха. Получили развитие такие методы, как прогноз потенциала
загрязнения атмосферы. Математические модели, основанные на учете
гауссовского распределения примесей в атмосфере (Г.Е. Ландсберг, 1983).
Ряд работ посвящен статистическому, синоптическому,
гидродинамическому методам прогноза загрязнения воздуха (F.T.M. Nieuwstadt, Van Dop, 1981, М.Е. Берлянд, 1985, В.В.Пененко, А.Е. Алоян, 1985, Марчук Г.И., 1982, Л.Р. Сонькин, 1991, В.Г. Свинухов, 1993). Для предсказания концентрации загрязняющих веществ в этих работах использованы различные сочетания метеорологических параметров.
Анализ публикаций по данному вопросу показывает, что несмотря на то, что существующие методы в той или иной степени вбирают в себя накопленные за несколько десятилетий эмпирические данные, они недостаточно учитывают основные особенности процесса загрязнения воздушного бассейна городов и реальный вид связей между концентрациями примесей и метеоусловиями. Некоторые из методов требуют привлечения специальной информации (синоптические карты, инвентаризация вредных выбросов), которая затрудняет составление прогноза о загрязнении воздуха. Поэтому существует необходимость развития и совершенствования методов оценки состояния воздушного бассейна, повышения оправдываемости и эффективности прогнозов для разработки мероприятий по снижению воздействия факторов техногенной среды. Цель и задачи исследования.
Целью настоящей работы является создание метода краткосрочного прогноза загрязнения воздуха, описывающего количественную зависимость между концентрациями отдельных ингредиентов вредных веществ и метеорологическими условиями промышленного центра (на примере г. Владивостока).
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- изучить природно - климатические условия, способствующие
формированию уровня загрязнения воздушного бассейна промышленного
центра;
- оценить состояние воздушного бассейна промышленного центра,
используя данные о выбросах в атмосферу от основных источников
загрязнения и уровнях концентраций вредных веществ;
- определить степень (сильная, средняя, слабая) зависимости между
уровнем загрязнения воздушного бассейна и метеопараметрами;
- разработать способ прогнозирования загрязнения воздушного
бассейна промышленного центра.
Материалы и методы исследования.
Для решения поставленных задач были использованы материалы: сводный том предельно-допустимых выбросов г. Владивостока; ежегодные доклады "Состояние окружающей среды в Приморском крае"; данные отдела "Обслуживание народного хозяйства информацией о загрязнении природной среды" ДВНИГМИ.
Для обработки материала использовались нейросетевой пакет BRAIN MAKER; пакет научных программ "85Р",вклгочающнн статистігческие методы: корреляционно - регрессионный анализы, адаптированный для работы на персональных компьютерах типа IBM. Язык программирования FORTRAN IY. Научная новизна.
Впервые на основе новейших технологий - искусственных нейронных сетей - создана краткосрочная модель прогноза загрязнения воздушного бассейна города отдельными ингредиентами, позволяющая связать изменения состояния воздушного бассейна с метеорологическими условиями местности.
Модель адаптивна, т.е. может строится заново для каждого пункта прогноза и каждой даты прогноза. Исходные данные включают как качественные, так и количественные переменные.
В рамках системы мониторинга антропогенных изменений представляется перспективным прямое использование измеренных метеорологических величин в качестве определяющих параметров. Практическая значимость работы.
Полученные результаты могут быть учтены в градостроительстве на стадии проектирования вновь строящихся предприятий. При разработке мероприятий по охране воздушного бассейна промышленного центра. Основные положения, выносимые на защиту:
- загрязнение воздуха по отдельным ингредиентам продолжает
превышать ПДК, что представляет опасность для окружающей среды и
здоровья населения;
основными источниками загрязнения, как и прежде, остаются энергетика, машиностроение и металлообработка, стройматериалы, пищевая промышленность, которые выбрасывают в воздушный бассейн города вещества 1,2,3 класса опасности;
характерным для предложенной модели - нейронной сети -является ее структура, которая представляет собой сеть с одним скрытым уровнем нейронов; вид активационной функции сигмоид - формула;
в результате применения нейропакета при хорошей точности обученной сети получено совпадение фактических и прогнозируемых значений концентраций загрязняющего вещества;
модель может быть использована для краткосрочного прогноза и оценки загрязнения воздушного бассейна города, где ранее применялись стандартные статистические методы.
Апробация работы.
Материалы диссертации представлены на научно - технической конференции "Современные технологии и предпринимательство: региональные проблемы" /г. Владивосток, 1994 г./, на Международной конференции "Экология и безопасность жизнедеятельности. Общие проблемы" /г. Владивосток, 1994 г./, на Международной научно -практической конференции "Регион и География" /г. Пермь, 1995 г./, ассамблеи "Здоровье населения Восточной Сибири" /г. Иркутск, 1996 г./, региональной научно-технической конференции "Приморские Зори" /г. Владивосток, 1998 г./, научно-практической конференции "Вологодинские чтения" /г. Владивосток, 1998 г./.
Публикации. Результаты исследований отражены в 12 печатных работах. Структура и объем диссертации:
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (129 наименований), 48 рисунков, 20 таблиц. Общий объем диссертационной работы 147 страниц машинописного текста.
Автор выражает признательность доктору геогр. наук, профессору Свшгухову Г.В., профессору Гривановой СМ. за методическую помощь и поддержку, оказанную автору, в ходе выполняемой работы, а также сотрудникам кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ДВГТУ, кафедры метеорологии ДВГУ и сотрудникам других организаций, принимавших участие в обсуждении результатов исследований.