Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и организация экологического мониторинга в зонах экстремального состояния 15
1.1. Развитие системы экологического мониторинга природной окружающей среды 15
1.2. Исторические аспекты создания арсеналов хранения химического оружия на территории Брянской области 21
1.3. Общая характеристика объекта хранения отравляющих веществ на территории Брянской области 29
1.4. Особенности мониторинга окружающей среды в зоне объекта хранения отравляющих веществ 42
Глава 2. Закономерности распространения загрязняющих примесей в воздушной среде 51
2.1. Загрязнение атмосферного воздуха 51
2.2. Основные источники поступления загрязняющих веществ в атмосферу 54
2.3. Рассеяние примесей в атмосфере 57
2.4. Методы оценки дисперсии газов и паров в атмосфере 73
2.5. Уравнение переноса примесей в турбулентной атмосфере 74
Глава 3. Математическое моделирование в системе экологического мониторинга окружающей среды 81
3.1. Подходы и тенденции математического моделирования в задачах управления состоянием окружающей среды 81
3.2. Модели и методы прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха 88
3.2.1. Признаки классификации моделей 92
3.2.2. Статистические модели 98
3.2.3. Модели, основанные на решении уравнения турбулентной диффузии 99
3.2.4. Методы прямого моделирования загрязнения атмосферного воздуха 106
3.2.5. Модели источников токсической опасности 107
3.3. Применение моделей прогнозирования для расчета загрязнения атмосферного воздуха 113
3.4. Прогнозирование уровня аварийной опасности 117
Глава 4. Разработка комплекса программных средств для информационной системы мониторинга окружающей среды 127
4.1. Пути развития автоматизированных систем экологического мониторинга 127
4.2. Требования к автоматизированным системам прогнозирования (программному и информационному обеспечению, средствам обработки информации) 133
4.3. Технологии геоинформационных систем в экологическом моделировании 138
4.4. Программная реализация предлагаемой системы 141
4.4.1. Назначение и функциональные возможности 141
4.4.2. Объектно-ориентированный дизайн 149
4.4.3. Архитектура предлагаемой системы 153
4.4.4. Представление результатов прогнозирования 156
4.5. Перспективы развития системы 160
Заключение 165
Литература 168
Приложение 1.
- Исторические аспекты создания арсеналов хранения химического оружия на территории Брянской области
- Основные источники поступления загрязняющих веществ в атмосферу
- Модели и методы прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха
- Требования к автоматизированным системам прогнозирования (программному и информационному обеспечению, средствам обработки информации)
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Экологическая проблема (как совокупность вопросов охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов), будучи проблемой глобальной, затрагивает интересы всего населения нашей планеты, интересы всех без исключения государств и, наконец, интересы каждого человека, живущего на Земле. Среди основных составляющих экологической проблемы: биологической, технической, социально-экономической — роль последней из них все более возрастает, поскольку сложность этого вопроса определяется объективной неоднозначностью самого процесса взаимодействия общества и природы. Здесь переплетаются законы развития природы и общества, "сталкиваются" биологические "интересы" природы и социальные требования общества.
В эпоху научно-технического прогресса антропогенные воздействия на окружающую среду становятся всё более интенсивными и масштабными. Серьезную опасность представляет усиливающееся загрязнение природных сред — атмосферы, гидросферы и биосферы. Поэтому в последнее время особое значение приобретают исследования проблем, связанных с оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду, вызванных, прежде всего, влиянием деятельности человека, а также динамических процессов, протекающих в природе. В том числе наибольшую важность приобретают проблемы контроля качества и регулирования состояния окружающей среды, в решении которых специалисты разного уровня должны принимать непосредственное участие.
Одним из главных решений этих проблем является разработка стратегии использования огромного потенциала технической цивилизации для совершенствования отношений людей с окружающей средой. Эта стратегия во многом должна носить характер адаптации человеческой
деятельности к естественным условиям обитания и их направленному улучшению. Она требует всесторонних знаний, объединяющих естественные, общественные и технические науки.
Вредное влияние на окружающую нас природную среду в значительной степени оказывают многочисленные техногенные процессы, хаотичное развитие цивилизации, которое иногда оставляет после себя пустыню. Не случайно выдающийся французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк предупреждал: «Человеку суждено истребить самого себя, после того как он сделает Землю непригодной для обитания». На наших глазах экология неумолимо превращается в бомбу замедленного действия. Это в полной мере относится и к процессу разоружения, если он не учитывает требований экологии.
История развития и совершенствования вооружений убедительно свидетельствует о том, что не только непрерывно возрастали их поражающие свойства, но и увеличивалось их негативное воздействие на окружающую среду. Особенно наглядно это проявилось в XX столетии, когда научно-технический прогресс привел к появлению принципиально новых видов оружия, в том числе и оружия массового поражения. Среди глобальных проблем, вставших ныне перед мировым сообществом, на одно из первых мест выдвинулась проблема сохранения среды обитания человека.
Находясь на рубеже XXI столетия, мировое сообщество вплотную подошло к решению глобальной проблемы, связанной с избавлением человечества от различных видов оружия и, в первую очередь, ликвидацию накопленных запасов химического оружия. Первым международно-правовым документом, наложившим запрет на применение в войне ядов, явилась Гаагская конвенция «О законах и обычаях сухопутной войны» (29.07.1899 г.). Однако потребовалось почти сто лет для того, чтобы мировое сообщество смогло в практической плоскости поставить вопрос о полном и необратимом химическом разоружении.
Таблица 1 Содержание боевых отравляющих веществ на базах Минобороны РФ
В апреле 1997 года вступила в силу "Конвенция о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении" [54], которая является первым соглашением в области разоружения, заключенного на многосторонней основе. К настоящему времени 107 стран мира, включая Россию, ратифицировали Конвенцию.
Поскольку Россия является одним из крупнейших в мире обладателей объявленных запасов химического оружия, успешное выполнение положений Конвенции имеют особое значение с точки зрения полного достижения основной цели, которая определена в законодательном порядке "Создание режима химического разоружения" [119].
По официальным данным, опубликованным в последнее время, суммарное количество химического оружия в России составляет порядка 40 тысяч тонн, которые размещены в специализированных арсеналах Министерства обороны РФ и находятся в снаряженных химических боеприпасах и емкостях (табл.1) [118], что составляет почти половину мировых запасов (например, в США — 30 тысяч тонн).
Удалить химические "занозы" из тела России возможно только при условии квалифицированного, комплексного, взвешенного подхода к
проблеме уничтожения химического оружия, совместных усилий научных специалистов, государственных и общественных организаций, местной администрации и населения регионов, где будут развернуты объекты по уничтожению этого, одного из самых коварных видов оружия массового поражения [22].
В текущем десятилетии Брянской области предстоит решение сложнейшей экологической, социальной и экономической проблемы — подготовки, уничтожения и ликвидации последствий уничтожения химического оружия в Почепском арсенале, который специализируется на хранении химических авиационных боеприпасов различного калибра в наполнении зарином, зоманом, Vx-газами.
В свою очередь создание объекта предусматривает решение целого комплекса проблемных вопросов, таких как выбор оптимальных технологий уничтожения отравляющих веществ, методы и средства пожаробезопасности, методы очистки сточных вод, методы и средства мониторинга, методы и средства медицинского обеспечения, методы и средства при ЧС, методы и средства транспортирования, информационное обеспечение... Для успешной реализации экологической политики и эффективного экологического управления в складывающейся ситуации всем нужна достоверная, максимально полная и своевременная информация о качестве окружающей среды.
Экологический мониторинг как раз и является средством для получения, обработки, хранения и отображения (передачи) такой информации (оперативной и систематической), составляющей основу для прогнозов и, в конечном счете, необходимым средством для выработки экологически безопасных и экономически эффективных решений. Мониторинг окружающей среды представляет собой одно из наиболее перспективных и активно развивающихся направлений в области организации и осуществления охраны природы.
По данным мониторинга можно оценивать не только собственно параметры окружающей среды, но и косвенно судить по их характеристикам о работоспособности, а также о характере режима функционирования ("штатный" или аварийный) технологического оборудования на объекте, являющегося главным источником опасности для его персонала и проживающего вокруг населения.
Ни одно предприятие, использующее в своем производственном процессе вредные для окружающей среды вещества, не может гарантировать вероятность аварии с последующим выбросом вредных веществ в атмосферу равной нулю. Существует необходимость оперативного контроля за состоянием окружающей среды в населенных пунктах, имеющих в непосредственной близости объекта, являющегося потенциальным загрязнителем и производящим выбросы в окружающую среду опасных веществ.
В настоящее время уже накоплен достаточный опыт по исследованию проблем, возникающих в результате антропогенного воздействия на окружающую среду и, в частности, загрязнения атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий. Данная проблема имеет множество аспектов, и ее анализ подразумевает рассмотрение физических, химических, гидрометеорологических, экономических, социальных и других вопросов в широком диапазоне пространственно-временных масштабов: от локальных и кратковременных до задач глобальной долговременной динамики атмосферы.
Современный уровень организации и управления производством выдвигает требования разработки новых подходов к проблеме контроля качества атмосферного воздуха, прогнозированию его загрязнения и управлению промышленными источниками выбросов вредных веществ на основе новых информационных технологий. При этом всякое научное рассмотрение неизбежно должно основываться на тех или иных математических моделях. Разработка и внедрение современных автоматических систем наблюдения, прогнозирования и управления риском
для потенциально опасных объектов на основе методов математического моделирования и средств вычислительной техники стали велением времени [5, 12, 53, 75, 96, 137, 141]. Использование математических методов позволяет исследовать уровень концентрации вредных примесей в атмосфере, прогнозировать их распространение, осуществить оптимальное размещение станций контроля за уровнем загрязнения и, таким образом, решать комплексную задачу контроля концентрации вредных примесей в атмосфере.
Поэтому создание компьютерных систем прогнозирования, объединяющих в единую структуру информационно-моделирующие и управляющие системы, программные комплексы и технические средства сбора и передачи данных на базе локальных вычислительных сетей, и разработка перспективных моделей и алгоритмов прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха является актуальной проблемой.
Компьютеризация комплексного исследования взаимодействия человека и биосферы - исторический рубеж, которого достигла наука за очень короткий исторический промежуток времени на основе создания математических моделей. Экология уже оперирует не только простыми динамическими теориями популяций, но и всеми средствами теории динамических систем (уравнения в частных производных, в конечных разностях, интегральные и дифференциальные уравнения и т.д.).
Математические методы проникли в самые разные области теоретической и прикладной экологии: в анализ взаимоотношения видов в сообществе, в исследование процессов миграции, территориального поведения, в анализ потоков вещества и энергии в экосистемах, в изучение проблем сложности и устойчивости сообществ, а также оценок влияния различных антропогенных факторов на природные системы, в исследование проблем оптимального управления природными ресурсами и эксплуатирования популяций и т.д.
Таким образом, разработка математической модели системы наблюдения и контроля загрязнения атмосферного воздуха обусловлена необходимостью проведения цепочки мероприятий от обследования атмосферы, объекта и методик проведения наблюдений до мероприятий по оптимальному регулированию загрязнения.
Цель работы.
Целью диссертационной работы является разработка теоретически обоснованных машинных алгоритмов прогнозирования и контроля концентрации примесей на основе методов численного моделирования среды с целью использования их в составе математического обеспечения автоматизированной системы контроля и прогноза уровня загрязнения атмосферы в штатных и нештатных ситуациях.
Задачи работы.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
анализ существующей системы наблюдений и контроля (мониторинга) за загрязнением атмосферного воздуха на примере территории ГТочепского района;
анализ существующих моделей и методов прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха;
теоретическое обоснование целесообразности применения метода математического моделирования для контроля качества атмосферного воздуха; выбор метода моделирования;
разработка алгоритма и реализация на его основе программного обеспечения для контроля и прогнозирования распространения вредных веществ в атмосферном воздухе;
разработка системы прогнозирования на основе математического моделирования выбросов вредных веществ при штатных и нештатных ситуациях на территории химически опасного объекта.
Методы и средства исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений системного анализа и математического моделирования, а также соответствующих разделов теории вероятностей и математической статистики. При выполнении работы использовались: метод аналитического математического моделирования, метод математической индукции, численные методы, методы теории вероятностей и математической статистики, в том числе аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решений. В процессе исследования были проанализированы: техническая документация, промышленная и справочная литература, публикации по теме исследования, статистика экспериментально полученных данных. Разработанные алгоритмы, компьютерная программа и созданная база данных реализованы средствами языка Delphi 6.0 с обработкой полученных данных на IBM PC совместимых компьютерах.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
установлена взаимосвязь между физическими закономерностями и статистическими параметрами процесса образования полей концентраций загрязняющих веществ в пространстве приземной зоны;
предложен метод прогноза качества атмосферного воздуха путем оценки взаимосвязи между изменениями экологических и технологических факторов на объекте;
развиты методы математического моделирования распространения облака зараженного воздуха в атмосфере при аварийных ситуациях для штатного режима функционирования объекта по уничтожению химического оружия,
на базе предложенного метода разработана математическая модель оценки качества атмосферного воздуха и последствий антропогенной нагрузки при штатных и нештатных ситуациях,
разработано программное обеспечение, зарегистрированное как авторская интеллектуальная собственность.
Основные положения, выносимые на защиту:
методы математического моделирования оценки глубины распространения облака зараженного воздуха в атмосфере при возможных аварийных ситуациях на химически опасном объекте;
метод прогноза качества атмосферного воздуха на территории химически опасного объекта на основе данных контроля;
модельные системы прогнозирования состояния экосистемы при штатном режиме функционирования и возможных аварийных ситуациях на химически опасном объекте.
компьютерная программа, реализующая предложенные математические модели (Свидетельство об официальной регистрации программы на ЭВМ № 2003610238 от 22.01.2003 г., Российское агентство по патентам и товарным знакам (Роспатент)).
Практическую ценность проведенных исследований составляют:
а) математическая модель оценки распространения загрязняющих
веществ в атмосферном воздухе и метод определения количества
загрязняющих веществ в заданных пунктах с помощью этой модели;
б) математическая модель прогноза качества атмосферного воздуха при
штатных и нештатных ситуациях на территории химически опасного объекта;
в) созданное алгоритмическое и программное обеспечение
мониторинга по данным прямых инструментальных замеров концентраций
загрязняющих веществ. Полученные в данной работе методики и модели
могут быть использованы при разработке автоматизированных систем
контроля и регулирования загрязнения атмосферы, создаваемых в городах и
промышленных районах, химически опасных объектах;
г) компьютерная программа, реализующая предложенную методику
прогноза качества атмосферного воздуха.
Реализация и внедрение результатов исследования. Полученные автором в ходе исследований результаты теоретических и
экспериментальных исследований были реализованы внедрением разработанного метода в процесс контроля состояния природной окружающей среды на территории промышленного объекта и введением его изучения и использования в учебном процессе Брянского госуниверситета и Брянской государственной инженерно-технологической академии при чтении курсов "Промэкология", «Математическое моделирование», «Экологический мониторинг производственных предприятий».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:
1) на секциях конференций:
IV Международной НІЖ «Экономика природопользования и природоохраны», Пенза, 2001;
Всероссийской НТК «Новые материалы и технологии. НМТ», МАТИ-РГТУ, 2000 - 2002;
Региональной НТК «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику», Брянск, 2001, 2002 гг.;
Региональной математической НІЖ, посвященной 100-летию со дня рождения ак. И.Г.Петровского, Брянск, 2000 - 2002 г.;
В тр. Международного сборника статей «Экология и жизнь» (наука, образование, культура), вып.6, Великий Новгород, 2002 г. на английском языке.
2) на тематических межкафедральных заседаниях преподавателей и
аспирантов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, 1 электронное учебное пособие.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, списка используемых литературных источников, включающего 142 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, 19 рисунков,
таблиц и 3 приложений. Общий объем диссертации составляет 186 страниц.
Исторические аспекты создания арсеналов хранения химического оружия на территории Брянской области
О высокой токсичности многих веществ человечеству было известно с древнейших времен. Издревле, человек стремился развить свои возможности как в охоте на диких животных, так и в борьбе с другими людьми. Вначале он изобрел лук и стрелы, затем научился использовать природные яды, пропитывая ими наконечники для стрел.
Первым применявшимся химическим оружием (как оружие для поражения живой силы противника) был "Греческий огонь", состоящий из соединений серы, выбрасываемый из труб во время морских сражений, был впервые описан Плутархом, а также гипнотические средства, описанные шотландским историком Букананом, и целый диапазон препаратов, включая мышьякосодержащие соединения и слюну бешеных собак, что было описано Леонардо да Винчи [2].
Негативное отношение к отравителям сдерживало использование химикатов в военных целях до середины XIX века. До тех пор когда, предполагая, что соединения серы, могут быть использованы в военных целях, Адмирал сэр Томас Кохран (десятый граф Сандерлендский) в 1855 г. в Крымской войне во время осады Севастополя не применил диоксид серы как боевое отравляющее вещество для «выкуривания» обороняющихся русских гарнизонов из крепостей.
К началу нашего столетия благодаря достижениям химии арсенал отравляющих веществ пополнился множеством высокотоксичных летучих и технологичных для промышленного производства соединений, что сделало возможным их использование для массового поражения противника.
Создалась реальная угроза применения ядовитых и удушающих газов в боевых действиях. Однако рождение химического оружия как средства ведения боевых действий в современном понимании следует относить к началу XX века. Это произошло на полях Первой Мировой войны.
Развитие химического оружия подразделяют на три поколения [6]. Каждое из них знаменовало эпоху в военно-химическом деле (технология применения) и, как следствие, в промышленности (технология производства). Военные различия химического оружия трех поколений сводятся в основном к последовательному изменению его боевой эффективности. Имеются в виду не только повышение токсичности и иных боевых характеристик самих отравляющих веществ. Важно также и то, что эволюционировали средства их применения (химические боеприпасы).
Единственное, чего не коснулась эволюция и что объединяет, таким образом, все три поколения химического оружия - невозможность боевого использования химического оружия без ущерба для гражданского населения.
Отравляющие вещества, составившие основу химического оружия первого поколения, были разработаны в Германии, США и некоторых других странах в связи с боевыми действиями в Первой Мировой войне и непосредственно после нее [118].
Официальной датой начала широкомасштабного использования химического оружия, именно как оружия массового поражения, следует считать 22 апреля 1915 года, когда немецкая армия на западном фронте в районе маленького бельгийского городка Ипр применила против англофранцузских войск Антанты газовую атаку хлором. Число погибших составило более 15 тысяч солдат и офицеров.
"Ошеломляющий" успех химического оружия в действии стимулировал его применение. В Первую Мировую войну были "апробированы" и другие отравляющие вещества: фосген, дифосген (1915 г.), хлорпикрин (1916 г.), синильная кислота (1915 г.), иприт (1917 г.). Тем самым, Первая Мировая война породила современное химическое оружие как средство ведения войны.
В изобретении новых видов отравляющих веществ и запуска новых производств химического оружия, участвовали самые выдающиеся представители эмпирических наук. Среди них и лауреаты Нобелевской премии по химии основатель металлорганического синтеза Виктор Гриньяр и Поль Сабатье, Фриц Хабер (инициатор применения Германией отравляющих веществ в 1914 г., ставший нобелевским лауреатом в 1918 г.), и основатель квантовой химии и разработчик нервно-паралитических газов фосфорорганической природы Шредер и др.
В России химическое оружие применялось в небольших объемах в годы гражданской войны Белой Армией и Британскими оккупационными войсками в 1919 году.
Окончание Первой мировой войны лишь на некоторое время замедлило работы по синтезу и испытанию новых типов боевых отравляющих веществ. Однако в промежутке времени между первой и второй мировыми войнами арсенал смертоносного химического оружия продолжал поолняться.Начинается совершенствование химического оружия. Создаются исследовательские центры, развивается и наращивается производство
Основные источники поступления загрязняющих веществ в атмосферу
Поведение загрязняющих веществ в природной среде различно и зависит от источника их поступления в окружающую среду. При анализе общей картины воздействия на природные объекты знание специфики воздействия различных источников антропогенной нагрузки позволяет во многих случаях отличать воздействие конкретной технической системы или промышленного объекта на живые организмы, их сообщества и население от воздействия других объектов или технических систем, расположенных как в непосредственной близости, так и на значительном удалении.
Классификацию источников загрязняющих веществ производят в соответствии с ГОСТ 17.2.1.04-77 [30], при этом различаются:- промышленные источники загрязнения, т.е. предприятия промышленности и энергетики, вследствие функционирования которых происходят выбросы в атмосферу, сбросы в водоемы и захоронение загрязняющих веществ;- транспортные источники загрязнения, связанные с функционированием транспортных средств и объектов, например, загрязнение почвенных покровов и поверхности растений опасными веществами за счет эксплуатации автотранспорта (выхлопные газы, протечки горючего и смазки, стирание колес и дорожного покрытия), из-за потерь перевозимых грузов и т.д.;- сельскохозяйственные источники загрязнения, возникающие в процессе сельскохозяйственного производства, например, применение минеральных удобрений, обработка полей и сельскохозяйственных угодий пестицидами и гербицидами и т. д.;- хозяйственно-бытовые источники, связанные с бытовыми условиями и жизнедеятельностью отдельно взятых людей и с функционированием созданной для них искусственной среды обитания;- специфические военные источники загрязнения, например, испытание и применение различных видов оружия, как на полигонах, так и в условиях полевых действий.
Каждый из перечисленных источников загрязняет окружающую среду, как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях и катастрофах.Классификация источников атмосферы представлена на рис.6Для любого типа источника возможны три наиболее значимые пути поступления загрязняющих веществ в природную среду: 1) выбросы в атмосферу загрязняющих веществ в виде газов, аэрозолей и мелких твердых частиц (зола, сажа, пыль);2) сброс в водную среду и непосредственное загрязнение поверхности почв и растительности загрязняющими веществами в жидкой растворимой или нерастворимой форме;3) захоронение отходов антропогенной деятельности.
Каждый из указанных путей поступления загрязнителей имеет свою специфику. Так выбросы в атмосферу загрязняющих веществ с промышленных объектов при их нормальной эксплуатации, распространяясь на расстояния несколько десятков километров от источника, создают локальное и региональное поле загрязнения природной среды.В нашем случае, при оценке воздействия от особо опасных объектов на окружающую среду процесс усложняется. Это напрямую зависит от поставленных целей, которыми являются расчет количества выбросов и их дальнейшего распространения, в том числе прогнозирование поля концентраций загрязняющих веществ при определенных условиях.
Исследование проблем атмосферной диффузии имеет длительную историю, однако, его результаты применяются к вопросам загрязнения атмосферы сравнительно недавно.В 20—30-х годах XX столетия выработалось представление о том, что во многих случаях перенос тепла и влаги в приземном слое атмосферы можно приближенно рассматривать как распространение пассивной примеси и исследовать эти процессы на основе одних и тех же дифференциальных уравнений.
Связь между результатами исследований атмосферной диффузии примеси и закономерностями тепло- и влагообмена в приземистом слое атмосферы непосредственно проявляется и при решении соответствующих задач. Так, получаемые при решении дифференциальных уравнений тепло- и влагообмена функции Грина представляют собой функции распределения примеси, распространяющейся в атмосфере от источника при определенных граничных условиях.
Большое значение имело установление вида уравнений, описывающих атмосферную диффузию. Для описания процесса атмосферной диффузии использовались уравнения параболического вида, являющиеся обобщением известного уравнения Фика. Одним из первых на возможность использования для этой цели уравнения Фика указал Л.В. Кеплер [26].
Уже в первых работах, посвященных проблемам атмосферной диффузии, наметились два подхода к исследованию распространения примеси в приземной слое атмосферы. Один подход, опирающийся на работу
А. Робенса, основан на решении уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами. Другой подход был развит О. Сеттеном и заключался в использовании формул для определения концентрации примесей от источника, полученных статистическим путем. Обзоры исследований, проведенных в этих направлениях, содержаться в книгах А.С. Монина и A.M. Яглома [73], Г. Ченади [34] и др.
В отечественных работах, как правило, рассматриваются уравнения турбулентной диффузии с переменными коэффициентами. Такой путь исследования является универсальным, так как позволяет решать задачи с различными источниками, характеристиками среды, граничными условиями.
Со временем появились новые требования к методам исследования вопросов рассеивания примесей от источников на больших расстояниях, учета большого числа параметров. Этапы эволюции методов исследования отображены, например, в работах М.Е. Берлянда [15-17]. Исследование атмосферной диффузии применительно к проблемам охраны окружающей среды получило значительное развитие в работах Г.И. Марчука [61-62].
Отметим, что достоверная оценка экологического воздействия загрязнения может быть проведена только тогда, когда известна картина его распространения. Существует множество факторов, которые влияют на размер и на форму зон опасности, возникающих вследствие выброса паров и газов в атмосферу. Поэтому успех в разработке модели загрязнения воздушного бассейна зависит от понимания законов распространения загрязняющих веществ.
Модели и методы прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха
Процессы распространения примесей в атмосфере представляют чрезвычайный интерес для многих видов человеческой деятельности. В 1950-1960-е годы в исследования в этой области были вложены огромные средства. Заказ формировался, по-видимому, военными задачами и безопасностью АЭС. Были выполнены крупномасштабные натурные измерения, как в США, так и в СССР [1, 4, 10, 47, 77, 78].
Позднее интерес к этим исследованиям объяснялся уже скорее задачами экологии. Поэтому вопросы прогнозирования загрязнений атмосферы привлекают широкое внимание ученых и организаторов природоохранительных мероприятий в связи с необходимостью адекватного реагирования на обстановку и предотвращения высоких уровней загрязнения.
На сегодняшний момент уже накоплен достаточный опыт по исследованию проблем, возникающих в результате антропогенного воздействия на окружающую среду и, в частности, на атмосферу выбросами промышленных предприятий. Данная проблема имеет множество аспектов, и ее анализ подразумевает рассмотрение физических, химических, гидрометеорологических, экономических, социальных и других вопросов в широком диапазоне пространственно-временных масштабов: от локальных и кратковременных до задач глобальной долговременной динамики атмосферы. При этом всякое научное рассмотрение неизбежно должно основываться на тех или иных математических моделях исследуемого вопроса. Вопросам моделирования распространения вредных веществ в окружающей среде, выбрасываемых в атмосферу антропогенными источниками, посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ отечественных и зарубежных ученых [8,14-19,47, 64-69, 73,101,116].
Применительно к проблеме загрязнения атмосферы основные задачи и соответствующие модели можно условно разделить на два класса: изучение процесса рассеивания загрязняющих веществ и задача снижения уровня загрязнения природной среды.
В первом случае в основе лежат химические и физические процессы, математические модели которых хорошо известны, хотя зачастую чрезвычайно сложны. Сюда относятся процессы перемещения воздушных масс, для которых зависимость от масштабов на первый план выходят явления образования вихревых застойных зон в районах сложного рельефа (застройки) эффективного турбулентного переноса вертикального перемешивания, влияния осадков, движения атмосферных фронтов, циклонических и антициклонических течений. Все эти процессы служат фоном, на котором происходят распространения примесей загрязняющих веществ, описываемое, как правило, уравнением диффузии.
Рассеяние примесей может рассматриваться в пассивном и активном приближении. В последнем случае загрязняющее вещество при движении в атмосфере претерпевает химические, фотохимические или иные превращения, которые описываются нелинейными уравнениями химической кинетики. В общем случае принимается во внимание наличие обратной связи между рассеиванием примесей и атмосферными процессами. Так многие вещества являются оптически активными и влияют на распространения солнечной радиации, другие изменяют режим трансформации влаги (например, как ядра конденсации), третьи приводят к изменению температуры и влажностных процессов и, в конечном счете, к изменениям гидрометеорологического состояния турбулентного обмена и полей скоростей.
Во втором случае подразумевается возможность изменения величин выбросов загрязняющих веществ. Этой цели можно достичь различными способами, исследуя как объективные, так и субъективные факторы: применение более современных очистных устройств, изменение технологии производства, переход на другие виды сырья, повышение уровня квалификации, дисциплины и ответственности персонала, наконец, ограничении производства вплоть до временного закрытия предприятия или его подразделения административным образом.
Модели загрязнения атмосферного воздуха являются инструментом для количественной оценки техногенных воздействий [17, 61]. Использование математических методов позволяет исследовать уровень концентрации вредных примесей в атмосфере, прогнозировать их распространение, осуществлять оптимальное размещение станций контроля за уровнем загрязнения и, таким образом, решать комплексную задачу контроля концентрации вредных примесей в атмосфере.
Ключевыми требованиями, предъявляемыми к моделям загрязнения воздушного бассейна, являются:- обеспечение необходимой разрешающей способности прогноза в пространстве и во ремени;- учет широкого диапазона погодных условий, состояния поверхности контакта тропосферы с поверхностью земли, типов источников загрязнения;
Требования к автоматизированным системам прогнозирования (программному и информационному обеспечению, средствам обработки информации)
Прогнозирование загрязнений атмосферы в настоящее время привлекает широкое внимание ученых и организаторов природоохранительных мероприятий в связи с необходимостью адекватного реагирования на обстановку и выработке стратегических решений.
Непредсказуемость и внезапность аварий на химически опасном объекте, высокая скорость формирования и распространения облака зараженного воздуха требуют принятия соответствующих оперативных мер.
Сформулируем требования к автоматизированной системе прогнозирования (АСП) как к любой сложной системе. АСП должна быть устойчивой, т.к. она всегда находится под воздействием различных факторов и может привести к необратимым процессам в результате отказов в работе ее элементов. Источниками отказов системы является человек или природа.
Следующим требованием к АСП может быть стойкость системы. Стойкость отражает те же свойства что и надежность, но только при неизвестном значении интенсивности отказов.Отказоустойчивость технических средств и систем прогнозирования должна обеспечивать надежность ее элементов. Это значит, для прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха должны быть созданы перекрывающие друг друга системы.
В процессе эксплуатации и деятельности сложных технических систем важное место занимает в современных условиях живучесть систем. АСП должна сохранять способность функционировать в условиях воздействия на нее различных факторов. Поскольку мы не знаем заранее воздействие факторов на систему в целом, примем вероятностную оценку эффективности системы.
Таким образом, требуется разработать такую систему, которая в процессе функционирования могла бы обеспечить своевременное решение прогностических задач, оперативно реагировать на изменение обстановки, минимальные затраты времени, безотказность элементов системы, безошибочность проведения оперативно-тактических расчетов.
Постоянно расширяющийся фронт задач, сложность технологического оборудования требуют применения новых методов сбора, обработки и хранения информации. В связи с этим актуальной задачей является разработка технических средств контроля за газовой средой в помещениях и на территориях потенциально опасных объектов.
К системам контроля предъявляются следующие требования: высокая точность измерения характеристик, время установления показаний измерительных средств в нужной для пользователя градации, работа в реальном масштабе времени, автономность, чувствительность и быстродействие относительно химической зараженности, защищенность, интегрированность с другими системами, низкая стоимость.
Информационное обеспечение автоматизированной системы комплексного экологического мониторинга должно содержать:- упорядоченную структуру информационных потоков (входных, внутренних, выходных);- инфраструктуру собственно информационной базы данных;- методики сбора данных от стационарных и передвижных постов;- методики передачи данных, полученных от постов различного уровня;- методики обработки данных и расчета интегральных показателей состояния окружающей среды;- методики определения источников выбросов;- структуру пользовательских организаций сети и эксплуатационных служб.
Важный раздел информационной поддержки составляют индивидуальные свойства опасных веществ. Эти свойства используются при построении моделей возникновения и распространения аварийных воздействий. Численные значения, характеризующие свойства опасных веществ, используются при прогнозировании величин аварийных воздействий и при прогнозировании эффективности аварийных воздействий. Например, характеристики токсических свойств веществ используются в моделях поражения реципиентов риска при токсическом воздействии.
Программное обеспечение сети комплексного экологического мониторинга должно включать:- развитые операционные системы (Windows 95/98/2000/NT);- стандартные базы данных типа DBASE, PARADOX, ORACLE с драйверами для передачи данных между различными ЭВМ;- мониторы для управления сбором данных;- прикладные пакеты программ, работающие в ральном времени, для обработки и передачи данных от стационарных и передвижных постов
