Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА 9
1.1 Общие сведения о методах 9
1.1.3 Характеристики источников выбросов 16
1.1.4 Методы оценки дисперсии 17
1.1.5 Перечень основных моделей, используемых для оценки загрязнения атмосферы 21
1.2 Классификация существующих методов и моделей 25
1.3 Штатная модель служб ГО и возможности её совершенствования 29
1.4 Модель Паскуилла-Гиффорда 32
1.5 Модель Института экспериментальной метеорологии 36
1.6 Трехмерные модели переноса и диффузии примеси и их упрощенные варианты 39
Выводы 50
2 МЕТОД КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ
В ГОРОДАХ 44
2.1 Метод контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах 44
2.2 Составление математической модели распространения облака газа 47
2.3 Моделирование турбулентности приземного слоя атмосферы 48
2.4 Моделирование конвективного переноса газа 49
2.5 Термодинамические потоки 50
2.6 Описание явлений переноса в газах 52
2.7 Уравнение конвективного переноса газа 58
2.8 Моделирование процесса диффузии 59
2.9 Моделирование рельефа местности с помощью
помехоустойчивой интерполяции 63
2.10 Построение картограмм линий тока движения воздуха 64
2.11 Карта прогноза экологической обстановки воздушной среды города 67
Выводы 74
3 МЕТОД КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ЖИЛОГО РАЙОНА ГОРОДА «75
3.1 Методика составления карты прогноза экологической обстановки жилого района города 75
3.2 Экспериментальное исследование жилого района и построение картограмм линий тока движения воздуха 77
3.3 Рассмотрение неблагоприятных ситуаций по направлению попадания облака газа на жилой район 86
Выводы 89
4 ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ МЕТОДА КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В ГОРОДАХ 90
4.1 Основные положения помехоустойчивой интерполяции 90
4.2 Описание интерфейса и настроек программы «Прогноз» 100
4.3 Построение математической модели рельефа местности 103
4.4 Построение картограмм линий тока движения воздуха 108
4.5 Построение картограмм распространения газового облака при заданном направлении ветра 114
4.6 Исследование возможностей помехоустойчивой интерполяции для построения картограмм линий тока движения воздуха по жилым районам 117
4.7 Исследование точности метода контроля прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах 120
4.7.1 Неточность метеоданных 121
4.7.2 Влияние точности задания коэффициента диффузии на определение геометрических размеров облака 123
4.7.3 Влияние рельефа местности 124
Выводы 128
Заключение 129
Список использованных источников 130
Приложение А. Топографическая карта города 141
Приложение Б. Шкала Бофорта 142
Приложение В. Экспериментальные данные по Залесному району 143
Приложение Г. Акт внедрения результатов работы 144
Приложение Д. Акт внедрения результатов работы 1
Введение к работе
Актуальность экологических проблем привела к тому, что исследования по проблемам экологического сознания ведутся в различных областях. Большое влияние на экологию оказали достижения математики, физики, химии, философии. В свою очередь экология выдвигает новые задачи перед математикой (особенно в сфере статистики и моделирования).
В настоящее время значительное внимание уделяется вопросам охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Наиболее весомый вклад в ухудшение качества среды обитания вносят промышленные предприятия. На сегодняшний день промышленность России - характеризуется сильной вредоносностью, обусловленной применением устаревших технологий и высокой концентрацией воздействий, сосредоточенных главным образом в городах, что является, серьёзной причиной экологически вредной антропогенной трансформации окружающей среды.
Данная проблема актуальна и для нашего региона. Тульская область отнесена к 12 наиболее экологически неблагополучным регионам России. В результате усиленной хозяйственной деятельности наиболее критическая экологическая ситуация сложилась в Новомосковском промышленном районе, который включает Новомосковский, Узловский и Кимовский районы. Район выделяется высоким сосредоточением промышленности и занимает третье место в стране по концентрации химических производств на единицу площади. К химии следует добавить угольную промышленность и интенсивное сельское хозяйство с избыточным применением химических удобрений. Все это является мощным ударом по экологической обстановке. Основными источниками загрязнения атмосферы города Новомосковска являются промышленные предприятия такие, как ГРЭС, HAK "Азот", АО "Гипс Кнауф", ООО "Проктер энд Гэмбл" и крупные котельные. Они выбрасывают в воздух кроме пыли вредные вещества, которые взаимодействуя между собой создают неблагоприятный экологический фон.
За последнее десятилетие накоплен большой материал по изменению природы. Однако он не содержит данных о динамике развития процессов. В связи с этим встал вопрос об организации специальных наблюдений за состоянием окружающей природной среды и ее антропогенными изменениями с целью их оценки, прогнозирования и своевременного предупреждения о возможных неблагоприятных последствиях, т.е. о введении постоянной действующей службы наблюдения мониторинга.
Существующие методы, основанные на установке большого количества постов, являются дорогостоящими и не обеспечивают достоверного прогноза, поскольку облако выброса может пройти мимо них.
В связи с этим является привлекательным создание информационного метода контроля воздушной среды города, чему и посвящена работа.
Целью настоящей работы является решение научно-технической задачи разработки метода контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах и их жилых районах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучение особенностей распространения загрязняющих веществ в условиях турбулентности приземного слоя атмосферы с неоднородностью ландшафта;
- разработка методики составления карты прогноза экологического состояния воздушной среды города;
- проведение экспериментального исследования погрешности метода визуализации приземного слоя атмосферы;
- разработка математической модели распространения облака газа в приземном слое атмосферы;
- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности предложенного метода контроля и прогнозирования промышленных газовых выбросов в городах и его жилых районах.
Для решения поставленных задач были использованы методы помехоустойчивой интерполяции, экспериментального измерения движения воздуха, моделирования явлений переноса газа в воздухе. Научную новизну составляют:
- предложенная методика составления карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города и его жилых районов на основе помехоустойчивой интерполяции;
- разработанный алгоритм и программа прогнозирования распространения облака газа в виде карты экологической обстановки воздушной среды города;
- предложенная методика визуализации турбулентности приземного слоя атмосферы в виде картограмм линий тока движения воздуха;
- на основе помехоустойчивой интерполяции разработанная математическая модель распространения облака газа в приземном слое атмосферы города;
- предложенная методика расчёта распространения облака газа по территории города с учётом ландшафта местности;
- предложенная методика составления картограмм линий тока, движения воздуха, как на местности, так и в жилых районах по экспериментальным данным.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили:
- решить задачу оценки экологического состояния воздуха города;
- разработать математическую модель распространения выброса газа на основе помехоустойчивой интерполяции для города;
- предложить структуру карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города;
- предложить методику составления карты прогноза экологической обстановки воздушной среды жилого района города;
- разработать программу «Прогноз» для прогнозирования распространения облака газа по ландшафту местности.
С помощью разработанного метода контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах были составлены карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города Новомосковска и его жилых районов.
Результаты диссертационной работы были использованы при подготовке территориальным управлением роспотребнадзора Новомосковского района, г. Донского, г. Кимовска и Узловского района ежегодного муниципального доклада о санитарной эпидемиологической обстановке в муниципальном образовании г. Новомосковска.
По теме диссертационной работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК.
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. (Пенза, 2009 г.), Окружающая среда и здоровье. (Пенза, 2009 г.), РХТУ им. Д.И.Менделеева, Новомосковский институт, 2008 -2009 гг.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 40 рисунков. Список использованных источников включает 130 наименований
