Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Задачи моделирования и управления экологической безопасностью 11
1.1 Предприятия нефтегазового комплекса и их воздействие на кружающую среду
1.2 Проблемы управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса
1.3 Задачи математического моделирования в системах управления экологической безопасностью
1.4 Проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и управления экологической безопасностью
Краткие выводы 52
Глава 2 Задачи моделирования распространения загрязнений в атмосфере
2.1 Базовая модель 54
2.2 Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах для однородных метеоусловий
2.3 Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах с учетом неоднородности метеоусловий
2.4 Оценка экологической ситуации на территории по данным измерений в подфакельной зоне
Краткие выводы 98
Глава 3 Задачи контроля и оценки качества вод в речной сети, принимающей стоки промышленных предприятий
3.1 Особенности производственного экологического контроля водных объектов
3.2 Основные процессы распространения загрязнений при сбросе сточных вод в водотоки
3.3 Декомпозиция задачи оценки качества вод в речной сети, принимающей стоки промышленных объектов
3.4 Задачи оценки качества речных вод на участке сброса промышленных стоков
3.5 Задачи оценки качества поверхностных вод в зоне влияния промышленного объекта
3.6 Моделирование распространения загрязнений в речной сети 140
Краткие выводы 148
Глава 4 Системы управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса
4.1 Назначение и структура систем управления экологической безопасностью
4.2 Информационно-измерительная сеть 160
4.3 Структура Информационно-управляющей подсистемы 165
4.4 Особенности реализации геоинформационно-моделирующего комплекса, в составе информационно-управляющей подсистемы
Литература
- Проблемы управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса
- Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах для однородных метеоусловий
- Декомпозиция задачи оценки качества вод в речной сети, принимающей стоки промышленных объектов
- Информационно-измерительная сеть
Введение к работе
Стремительное развитие технологий в последние десятилетия привело к качественному изменению характера воздействия человеческой деятельности на среду обитания. Негативные последствия вмешательства человека в окружающую среду проявляются во всех ее компонентах. Серьезному разрушению подвергается как живая, так и неживая природа. Самим ярким примером последнего времени является экологическая катастрофа на Аральском море. В настоящее время речь идет уже о глобальных изменениях окружающей среды, возможные последствия которых представляют серьезную угрозу будущему человечества.
Поскольку все природные компоненты связаны между собой в единой экосистеме, нарушения любого из них приводят к цепной реакции, и в результате зачастую происходит необратимая деградация среды обитания. Это, в свою очередь, самым негативным образом влияет на здоровье людей.
Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывают такие отрасли, как топливно-энергетический комплекс, горнодобывающая промышленность, металлургия, химическая промышленность.
Серьезные усилия в области охраны окружающей среды на государственном и межгосударственном уровне начали предприниматься с 50-60 гг. XX века, когда была осознана серьезность проблемы и необратимость многих негативных процессов. В связи с этим во всех развитых странах была создана и продолжает совершенствоваться широкая нормативная база природоохранной деятельности, например, в США за последние 50 лет было принято более 30 федеральных законов в этой области. Часть этих законов непосредственно регулирует вопросы, связанные с деятельность нефтегазового комплекса [15].
Основные принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды [2] изложены в «Декларации по окружающей среде и развитию», которая была принята участниками конференции ООН, состоявшейся в июне 1992г. в Рио-Де-Жанейро. На этой конференции также была подписана «Рамочная конвенция ООН об изменении климата», на ее основании в 1997 г. был принят Киотский протокол, направленный на сокращение выбросов в атмосферу так называемых «парниковых газов», в первую очередь СОг и метана. По мнению большинства специалистов,
повышением концентрации этих газов в атмосфере вызваны глобальные изменения климата и связанный с ним рост частоты природных катаклизмов -наводнений, засух, ураганов, селей.
В Российской Федерации основой законодательства в области охраны окружающей среды являются:
Закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002;
Федеральный Закон «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999;
Федеральный Закон «О санитарно-эпидимиологическом благополучии
населения» от 30.03.1999;
* Федеральный Закон «Водный кодекс РФ» от 16.11Л 999;
Федеральный Закон «Об отходах производства и потребления от 24.06.1998.
В данных законах определены основные задачи и механизмы проведения природоохранной деятельности на территории РФ.
Основными направлениями деятельности по охране окружающей среды являются:
разработка и внедрение новых технологий, снижающих уровень
негативного воздействия человеческой деятельности на окружающую
'* среду;
создание средств очистки промышленных и коммунальных выбросов; создание технологий восстановления нарушенных компонентов природной среды;
разработка и проведение мероприятий по комплексному контролю
источников воздействия и состояния окружающей среды, включая сбор,
обработку и анализ результатов такого контроля.
Обеспечение экологической безопасности функционирования
^» промышленных предприятий решается в России, как на государственном
уровне[19], так и на уровне предприятий-природопользователей.
В задачи государства входит комплексный контроль природоохранной деятельности предприятий и их негативного воздействия на окружающую среду, а также - государственный экологический мониторинг: система наблюдений оценки и прогноза состояния окружающей среды.
Государственный экологический мониторинг в Российской Федерации
проводится силами Росгидромета, Министерства природных ресурсов,
*' Госсанэпиднадзора, а также органов местной исполнительной власти.
В задачи предприятий-природопользователей входит проведение производственного экологического контроля, включающего полный комплекс работ по обеспечению экологической безопасности предприятия, в том числе контроль источников негативного воздействи на окружающую среду, а также -контроль состояния компонентов природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного и растительного покрова и пр.) в зонах влияния промышленных объектов.
Обязательность производственного экологического контроля, изучаемого в настоящей диссертации, декларируется статьями 64 и 67 закона РФ «Об охране окружающей среды».
Таким образом, создание на предприятиях современных систем управления экологической безопасностью является актуальной научно-технической задачей. Актуальность
Предприятия нефтегазового комплекса отличаются масштабностью воздействия на окружающую среду. Все стадии обработки углеводородного сырья - его добыча, транспортировка и переработка характеризуются неизбежными плановыми выбросами и сбросами загрязняющих веществ, а также опасностью аварийных выбросов в атмосферу и утечек в водную среду. Кроме того, объекты нефтегазового комплекса отличаются высокой пожаро- и взрывоопасностью. Последствия аварий на таких объектах могут быть очень тяжелыми. В такой ситуации комплексный контроль и управление экологической безопасностью предприятий и промышленных объектов становится насущной необходимостью.
Задачи контроля источников загрязнения окружающей среды, ее состояния, оценки и прогноза развития экологической обстановки в окрестностях промышленных объектов возлагаются на системы управления экологической безопасностью предприятий.
Необходимым элементом этих систем является информационное и программное обеспечение, позволяющее оперативно оценивать экологическую ситуацию на предприятии и прилегающей территории исходя из текущих результатов измерений и уровней загрязнения природной среды. Важнейшим инструментом решения стоящих перед данными системами задач является математическое моделирование развития экологических процессов. При этом
вычислительная реализация моделей требует использования аппарата современных геоинформационных систем. Таким образом, разработка математических моделей и алгоритмов оценки и прогнозирования экологической ситуации применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, а также создание необходимых для работы этих моделей информационных технологий и программных средств является актуальной научной задачей. Диссертация посвящена вопросам информационной поддержки принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности предприятий нефтегазового комплекса, разработке методов и алгоритмов, математического и программного обеспечения контроля и управления экологической обстановкой. Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5. «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы», 3.3 «Системы автоматические, математические методы, исследования сложных управляющих систем и процессов, CALS-технологии», а также Программ №14 и №16 отделения ЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».
Целями работы являются разработка и исследование информационных технологий решения задач оценки и прогнозирования экологической обстановки в системах управления экологической безопасностью; исследование, разработка, алгоритмическая и программная реализация моделей распространения промышленных загрязнений в воздушной и водной среде; создание моделирующих программных комплексов, обеспечивающих решение этих задач с применением унифицированных средств геоинформационной поддержки; практическое внедрение созданных программных средств в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса. Научная новизна В работе получены следующие новые научные результаты:
проанализированы модели переноса загрязнений в атмосфере, разработаны новые модели данного класса применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, в частности - модель распространения загрязнений после залпового выброса и модель оценки полей загрязнений по данным измерений в подфакельной зоне, модель рационального выбора точек проведения дополнительных измерений для уточнения экологической обстановки;
исследованы задачи систем управления экологической безопасностью применительно к организации контроля и оценки состояния водных объектов в зонах влияния промышленных объектов. Предложен алгоритм декомпозиции речной сети, принимающей промышленные стоки, а также модели оценки и прогноза качества речных вод при стационарных залповых сбросах на основании измерительных данных;
разработаны принципы построения, архитектура и технология функционирования геоинформационно-моделирующих комплексов (ГМК) в составе систем управления экологической безопасностью, разработаны алгоритмы программной реализации предложенных моделей в составе ГМК. Практическая значимость
Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программы оценки и прогноза экологической обстановки и созданный для их реализации ГМК ориентированы на практическое применение в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.
>
Разработанный ГМК и его модельное наполнение функционируют в режиме промышленной эксплуатации в составе системы управления экологической безопасностью Астраханского газохимического комплекса ООО «Астраханьгазпром», системы производственного экологического мониторинга экспортного газопровода Россия-Турция «Голубой поток», системы производственно-экологической безопасности Оренбургского газохимического комплекса ООО «Оренбурггазпром». В данных системах внедрены следующие результаты диссертационной работы:
комплекс математических моделей распространения загрязняющих
веществ в атмосфере применительно к задачам, решаемым в системе
~vf-' управления экологической безопасностью;
математические модели и алгоритм расчета распределений концентрации
загрязнений в речной сети;
разработана архитектура, технология функционирования и алгоритм
работы ГМК как элемента системы управления экологической
безопасностью;
информационное и программное обеспечение ГМК на базе современных
ГИС-технологий.
^ Апробация
Результаты работы докладывались и обсуждались на:
V Международной научно-практической конференции «Проблемы
управления качеством окружающей среды» (Москва, 2001);
11 -Международной деловой встрече «Диагностика 2001». (Тунис, 2001);
Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства
измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001);
4-Международном рабочем совещании «Роль геодинамики в решении
экологических проблем развития нефтегазового комплекса» (С.-Петербург.
№ 2003);
Международной научно-практической конференции «Теория активных систем »(Москва, 2003);
Материалы международной научной конференции «Проблемы
регионального и муниципального управления» (Москва, 2004);
11 и 12 Международных конференциях «Проблемы управления
безопасностью сложных систем» (Москва. 2003-2004).
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и
'* Приложения.
В первой главе дается общая характеристика предприятий нефтегазового
комплекса и их воздействия на окружающую среду. Обсуждаются цели, задачи
и принципы организации управления экологической безопасностью
промышленных объектов. Делается вывод о необходимости использования
математического моделирования экологических процессов для решения задач
управления экологической безопасностью. Рассматриваются требования к
моделям и программным средствам математического моделирования
*F экологических процессов. Дается краткий обзор отечественного и зарубежного
опыта создания систем обеспечения экологической безопасности и применения в них математических моделей экологических процессов.
Во второй главе рассматриваются задачи моделирования переноса загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Представлены алгоритмы и описаны программные реализации следующих задач:
моделирование распространения облака загрязняющего вещества в
атмосфере от залпового источника загрязнения при стационарных
^ метеоусловиях;
^ - моделирование распространения облака загрязняющего вещества в
атмосфере от залпового источника загрязнения при неоднородных метеоусловиях;
восстановление поля концентрации загрязняющего вещества по
данным подфакельных измерений.
Третья глава посвящена задачам моделирования распространения
промышленных загрязнений в речной сети как непосредственно в местах
выпуска сточных вод, так и в окрестностях промышленных объектов.
Описываются подходы к решению задач моделирования качества речных вод
'*' применительно к системам управления экологической безопасностью.
Рассматриваются модели:
оценки распространения загрязнений на участке сброса;
оценки распространения загрязнений в зоне влияния
промышленного объекта при стационарных и залповых сбросах;
оценки распространения загрязнений в речной сети.
В четвертой главе обсуждается структура систем управления
экологической безопасностью промышленных предприятий и технология
(* сбора и обработки данных в системах данного класса. Описывается структура
Центра производственно-экологической безопасности, решающего весь комплекс задач обработки информации в системе. Рассматриваются принципы построения Геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК). Обсуждаются архитектура ГМК, технология его работы и программная реализация.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.
В Приложении описано практическое внедрение результатов диссертации на
'СЖ следующих предприятиях:
Астраханском газохимическом комплексе; Газопроводе Россия-Турция «Голубой поток»; Оренбургском газохимическом комплексе.
ч*
/*»
(4
Проблемы управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса
Обеспечение экологической безопасности промышленных предприятий является одной из наиболее острых проблем современности. С одной стороны, человечество не может жить и развиваться без совершенствования технологического уровня промышленности. С другой, - интенсификация промышленной деятельности влечет рост ее негативного влияния на компоненты окружающей среды: атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, почвенный и растительный покров, что, в конечном счете, нарушает экологический баланс и начинает угрожать существованию биологических сообществ.
Единственным выходом в такой ситуации является постановка и решение экологических проблем, связанных с созданием, эксплуатацией и развитием промышленных производств, в комплексе: с учетом состояния и степени уязвимости природных экосистем, специфики и уровней воздействия на них промышленных объектов, этапности их строительства и реконструкции, степени опасности, рисков возникновения нештатных и аварийных ситуаций.
Наиболее остро задачи обеспечения экологической безопасности стоят для предприятий металлургического, энергетического и нефтегазового комплексов, отличающихся высокими уровнями негативного воздействия на все компоненты природной среды[59]. Так, согласно данным, приведенным в [33], выбросы предприятий этих отраслей составляют, соответственно, 27, 21 и 20% от общего количества выбросов в атмосферу на территории Российской Федерации.
Современный подход к решению этих задач состоит в создании на предприятиях комплексных систем управления экологической безопасностью, предназначенных для контроля негативного воздействия промышленных объектов на окружающую среду, сопоставления его уровней с допустимыми, выявления и локализации загрязненных зон, оценки и прогноза развития экологической ситуации, формирования управляющих воздействий на технологические процессы и природную среду, обеспечивающих экологическое равновесие в зонах влияния промышленных объектов. Системы управления экологической безопасностью промышленных предприятий -это автоматизированные информационно-управляющие системы, решающие задачи оперативного получения, сбора и обработки данных о режимах работы и параметрах источников загрязнения, а также - о состоянии и уровнях загрязнения компонентов природной среды в окрестностях промышленных объектов. В задачи систем данного класса входит комплексный анализ, оценка и прогноз развития экологической ситуации в контролируемой зоне, а также информационная поддержка принятия решения по управлению экологической обстановкой как в штатном режиме работы предприятия, так и при возникновении аварийных ситуаций.
Важнейшей составляющей современных систем управления экологической безопасностью являются средства математического моделирования и прогнозирования развития протекающих в окрестностях промышленных объектов процессов переноса и трансформации загрязняющих веществ в компонентах природной среды. Использование математического моделирования позволяет не только получить целостную картину экологической ситуации на базе точечных измерений и локализовать загрязненные участки территории, но и оценить возможные пути развития экологической обстановки.
Рассмотрению вопросов применения методов математического моделирования в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса посвящена настоящая диссертация.
Предприятия нефтегазового комплекса и их воздействие на w окружающую среду Анализ технологических особенностей и характера воздействия предприятий нефтегазового комплекса на окружающую среду, позволяет разделить их на три группы: 1) Нефтегазодобывающие предприятия. 2) Транспортные предприятия. 3) Перерабатывающие предприятия. Wy Нефтегазодобывающие предприятия эксплуатируют одно или несколько месторождений и включают следующие промышленные объекты, каждый из которых является источником существенного воздействия на окружающую среду, либо представляет потенциальную экологическую опасность: - одиночные скважины и кусты скважин; - системы сборных промысловых трубопроводов; - подземные хранилища углеводородов; - установки предварительной и комплексной подготовки углеводородного сырья к транспортировке по межпромысловым и if магистральным трубопроводам; - компрессорные и насосные станции; - объекты инфраструктуры нефтегазовых промыслов. Транспортные предприятия обеспечивают транспортировку Л углеводородного сырья от объектов добычи до перерабатывающих предприятий, а также до распределительных систем промышленных и коммунальных потребителей. В составе транспортных предприятий выделяются: - компрессорные и нефтеперекачивающие станции; - участки магистральных трубопроводов (нефтепроводов, газопроводов и конденсатопродуктопроводов); - транспортные терминалы железнодорожного, речного и морского транспорта; - газопроводы-отводы; - газораспределительные станции; - подземные хранилища газа; - объекты инфраструктуры: теплоэнергетики, водоснабжения и канализации.
Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах для однородных метеоусловий
На практике при функционировании реальных системах управления экологической безопасностью значения параметров технологического набора со = co(t) могут отсутствовать. Текущие значения мощности выбросов реальных источников загрязнения обычно неизвестны. Зачастую известен только диапазон их возможных значений. В определенных случаях, например, при рассмотрении аварийных выбросов, может быть неизвестно также и точное положение источника. Текущие метеоусловия weoccm= w(x) в каждой точке территории также неизвестны. Единственные имеющиеся в реальной системе данные - это результаты измерений уровней загрязнения С/,...С„ и метеопараметров W/,...H „ в определенном наборе пунктов контроля Аі,А2...А„ є G. На основании этих данных необходимо оценить параметры источников q(t). Такие задачи относятся к так называемым обратным.
Решение обратной задачи в общем случае состоит из двух частей: вначале на основании измерений метеопараметров wj, ...w„ в точках А], ...А„ єХ необходимо восстановить поле метеопараметров wmccm= w(x), хє G. Необходимая детальность этого восстановления определяется, с одной стороны, условиями задачи, в первую очередь ее пространственным и временным масштабом, а с другой - составом имеющихся измерительных данных. В одном случае достаточно получить некоторый набор параметров wCOmh который будет считаться постоянным по времени и одинаковым во всей рассматриваемой области. В другом случае для адекватного представления рассматриваемого процесса распространения загрязнений требуется решить весьма сложную задачу восстановления полей метеорологических параметров. Разумеется, при этом возрастают требования к полноте измерительной информации. \Щ) После того, как набор параметров weoccm=w(x) найден, необходимо оценить значения параметров технологического набора со є Q как функцию измерительных данных АИы = (Л, ,...Ап) СИы = (С, ,..„) =Я(УИзм, Сцзм, Мвосст)
Восстановление q выполняется на основе моделей распространения загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды, т.е. моделей решения прямых задач. В основе алгоритма восстановления обычно лежит минимизация некоторого критерия, характеризующего близость расчетных значений концентраций СГ = СГч{совосст)= С{АИзм,совосст, weoccm),i = \,...п в пунктах контроля Л,- к измеренным значениям С, ф) Более подробно методология решения одной из подобных задач - задачи оценки параметров одиночного источника по данным подфакельных измерений рассмотрена в главе 2. Отметим также, что задачи оценки параметров источников загрязнения могут решаться в системах управления экологической безопасностью как непосредственно в целях получения сведений об источниках (например, для сопоставления полученных величин выбросов с нормативными), так и для дальнейшего использования этих данных при решении рассмотренных далее 10 прямых задач оценки распределения загрязняющих веществ. 6. Задачи оценки распределений концентраций загрязняющих веществ по данным измерений
Важнейшей задачей систем управления экологической безопасностью является оперативная оценки сложившейся на контролируемой территории экологической ситуации на основе поступающей в систему измерительной информации. Задачи данного класса используют те же исходные данные, что и описанные выше задачи оценки параметров источников загрязнения. Однако цель состоит в оценке распределения концентраций С(х), х є G как функции Ci,...C„,Ai,...An,wj,...wn,
Как уже отмечалось, решение этих задач не может быть выполнено традиционными методами интерполяции. Методика решения включает восстановление параметров источников и дальнейшее решение прямых задач расчета концентраций загрязнений на основе полученных значений qe0Ccm Конкретная постановка обратных задач зависит от целей проведения расчетов и от того, какой априорной и какой измерительной информацией располагает система. Так, в главе 2 диссертации поставлена и решена задача оценки распределения загрязнений атмосферного воздуха по данным измерений в подфакельной зоне одиночного источника. Задачи разработки и внедрения информационно- управляющих систем, обеспечивающих сбор необходимых данных, моделирование развития экологической обстановки и принятие на его основе эффективных управленческих решений
Таким образом, для системы управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса актуальными являются постановка и решение задач моделирования экологических процессов, обеспечивающих повышение эффективности функционирования системы. Решению ряда новых задач данного класса, в частности, задачи распространения загрязнения в атмосферном воздухе после залпового выброса, задачи оценки распределения загрязнений в подфакельной зоне источника по данным измерений, задачи " расчета распределений загрязняющих веществ в водах речной сети, посвящены глава 2 и 3 диссертационной работы. Краткие выводы В первой главе получены следующие основные результаты:
1. Проведен детальный анализ структуры и характеристик предприятий нефтегазового комплекса и их воздействия на окружающую среду на различных этапах их жизненного цикла. Выявлены основные угрозы и их источники, существенно влияющие на экологическую безопасность предприятий нефтегазового комплекса и прилегающих территорий.
2. Рассмотрены задачи управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса. Показано, что основными проблемами являются сбор и обработка наиболее полного множества данных об экологической обстановке на предприятиях и прилегающих территориях; моделирование динамики распространения загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды и принятие на основе результатов моделирования рациональных управленческих решений. Приведен обзор развития систем управления экологической безопасностью.
3.Рассмотрены основные проблемы и особенности математических моделей распространения загрязняющих веществ различного типа и процессов их трансформации. Основное внимание уделено моделям распространения загрязнений в атмосферном воздухе и поверхностных водах. 4. Поставлены проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и \W управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса, решаемые в диссертационной работе.
Декомпозиция задачи оценки качества вод в речной сети, принимающей стоки промышленных объектов
Опыт показывает, что возможны ситуации, в которых для оценки и прогноза экологической ситуации в системах УЭБ необходимо моделирование распространения загрязнений в атмосфере, в том числе при залповых выбросах, на расстояния до нескольких десятков километров. В этом случае для получения достоверных оценок экологической обстановки необходимо учитывать горизонтальные повороты направления ветра при распространении облака загрязняющего вещества над территорией. Основой для учета неоднородности направлений ветра являются получаемые системой УЭБ измерительные данные. При этом для каждой точки на территории необходимо оценить значения концентрации в определенный момент времени, максимальной концентрации Смаке, возникающей вследствие залпового выброса, времени прихода фронта загрязнения в данную точку Тфр0Нта, а также, другие характеристики экологической обстановки, такие как длительность превышения в данной точке предельно-допустимой концентрации и т.п.
Для учета пространственной неоднородности поля направлений и скоростей ветра совместно с моделью, рассмотренной в разделе 2.1, используем следующий подход [9] : вначале по данным метеорологических наблюдений в различных точках территории, выполняем «восстановление» поля скоростей и направлений ветра, а затем проводим моделирование движения облака загрязняющего вещества описанными в разделах 2.1 и 2.2 методами.
Для практической реализации такого подхода в системе управления экологической безопасностью необходимо наличие на территории сети автоматических постов измерения метеорологических параметров, которые могут предоставлять данные измерений в реальном времени. Такая сеть, в частности, развернута на Астраханском газохимическом комплексе, описание этой сети представлено в Приложении к диссертации.
Пусть задан набор результатов wm (т = 1,...,М) измерений метеорологического параметра w в М измерительных пунктах Ат (т=1,...,М). На основании этих данных необходимо определить значение этого параметра w д в произвольной точке R(x,y) .
Различные методы анализа и восстановления полей метеорологических параметров по данным измерений представлены в работах [12, 37]. К распространенным методам восстановления полей метеопараметров по данным точеных измерений относятся, методы полиномиальной интерполяции, взвешенного среднего и весовой анизотропной интерполяции. При полиномиальной интерполяции, строится полином Q(x,y), аппроксимирующий значения параметра w в пунктах измерения. В методах взвешенного среднего и весовой анизотропной интерполяции значение метеорологического параметра в интерполируемом узле представляется в виде м w/ = . (2.3.1) m=l где am (т=1, ...,М) - некоторые весовые коэффициенты. Важным достоинством этих методов является то, что восстановленное значение параметра в точке измерения совпадает с измеренным.
В методе взвешенного среднего весовые коэффициенты am являются функциями от расстояния гт между точкой R и пунктом Ат : am=am(rm) . Чаще всего в данном методе используются функции вида: ат = P + rJ или (2.3.2) а„ = е уг" где ос,р,8,у - некоторые эмпирические коэффициенты.
Недостатком данного метода является то, что весовые коэффициенты зависят только от расстояния между точкой R и измерительными пунктами и не учитывают их взаимного расположения. При неравномерном размещении измерительных пунктов (ситуация достаточно характерная для реальных систем УЭБ) это может приводить к существенным ошибкам восстановления.
В связи с этим для восстановления полей скорости и направления ветра по данным измерительной сети системы УЭБ был применен метод весовой анизотропной интерполяции. При этом весовые коэффициенты ат определялись на основании решения системы линейных уравнений:
Концентрация, возникающая вследствие залпового выброса конечной длительности, получается путем суммирования концентраций «мгновенных» облаков, движущихся по криволинейной траектории (рис. 2.3.2).
Для вычисления концентрации, которая создается одиночным источником S=S(xs,ys) применим следующий алгоритм. Траектория центра облака строится начиная с точки х =xs,y = ys с шагом Дг по гс. На каждом шаге / расчета для определенного положения центра (х с,у с) с помощью метода весовой анизотропной интерполяции рассчитывается вектор скорости ветра м v = h С2-3-7) где весовые коэффициенты ат - вычисляются на основании измерительных данных путем решения для данной точки системы (2.3.3). Очередное положение 1+1 центра облака рассчитывается как: JC +1 = Arcoscp +х[ м л . / С2-3-8) ycl =Arsm p +ус где (р- направление ветра в точке (х с,у с). Координаты произвольный точки (х,у) пересчитываются в систему, связанную с центром облака: Зс =(x-x )smq) +(y-y )coscp (2 3 9) У1 =(x-x c)cos(p +(y-y c)sm p Концентрация загрязнения, создаваемая данным источником в точке с координатами (x,y,z) в момент времени t, вычисляется путем суммирования по траектории: C{x,y,z,t) = [ Рз/"Г ) ехр( -- -т) х = (2л-)/2avaza„ 2сгу у У R (2.3.10) (z-Hdr)2 (z + He/r)2 х 2 [ехр( - f ) + ехр( - f )] ехр( - - -) 2сгг 2crz 2 тЛ где: і - время «добегания» облака до узла /, которое вычисляется как : = ЕА -число шагов вдоль траектории определяемое как —ИВІЕ. ш Хмакс _ Аг максимальное расстояние, на котором рассматривается распространение облака. Рассмотрим реализацию описанной выше методики в виде программного модуля геоинформационного моделирующего комплекса. В состав исходных данных для программного модуля входят: картографический слой размещения потенциальных источников залповых выбросов, связанный с базой данных по источникам; картографический слой размещения пунктов метеонаблюдений, связанный с базой данных результатов наблюдений; картографический слой расположения контрольных точек, в которых необходимо в первую оценить уровень загрязнения (населенные пункты и т.п.); база данных о загрязняющих веществах. При запуске программного модуля задается дата и время события (залпового выброса). По умолчанию задается текущее время, но для возможности ретроспективного моделирования экологической обстановки можно задать любой предшествующий момент.
Источник или группа источников выбирается из списка имеющихся на промышленном (а) Карта распределения концентрации через 30 минут после начала выброса объекте залповых источников, либо задается непосредственно на карте. Характеристики мощности выброса отобранных источников выбираются из базы измерительных данных, либо задаются пользователем. Для времени моделируемого выброса в базе данных должны присутствовать данные по метеорологическим параметрам, полученные на нескольких измерительных пунктах, в противном случае решение задачи невозможно. Устанавливаются условия для расчетов: задается значение шага пространственной сетки.
Информационно-измерительная сеть
Основной задачей управления экологической безопасностью на предприятии в части воздействия на водные объекты является обеспечение соответствия качества вод в этих объектах установленным нормативам. Согласно действующим в Российской Федерации нормативом охраны вод, в частности «Санитарным Правилам и Нормам 2.1.5.980-00» [75], мониторинг поверхностных вод включает государственный мониторинг, который осуществляется органами и учреждениями государственной санитарно-эпидемиологической службы, и производственный мониторинг, который осуществляется самим предприятиями водопользователями. Результаты производственного мониторинга поверхностных вод согласно действующим нормам и правилам должны предоставляться органам санитарно-эпидемиологической службы.
Основним нормативом качества вод являются предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ, которые согласно действующим в РФ нормативам устанавливаются отдельно для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и водоемов, используемых для рыбохозяйственных целей [50]. Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКВ) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования. Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей, (ПДКвр) - это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.
Хотя по мнению ряда специалистов подход, при котором для всех водоемов определенного типа использования устанавливаются единые значения ПДК, не является достаточно надежным в плане эффективного управления экологической безопасностью из-за большого разнообразия индивидуальных свойств природных водоемов и соответственно различной восприимчивости их экосистем к загрязнению [83], на сегодняшний день он является единственным законодательно утвержденным в РФ. N В определенных случаях, на стадиях предстроительных изысканий и строительства, а также при реконструкции очистных сооружений в качестве временного норматива для определенных водных объектов устанавливается ориентировочно допустимый уровень (ОДУ) концентрации загрязняющего вещества, разрабатываемый на основе расчетных и экспериментальных методов прогноза токсичности.
В соответствии с характеристиками водного объекта, принимающего сточные воды, и значениями ПДК для предприятия устанавливаются значения предельно-допустимых сбросов (ПДС) (максимально-допустимое количество загрязнителя, выбрасываемое в единицу времени), исходя из того, что на заданном расстоянии (обычно 500 м) от места выпуска сточных вод ниже по течению реки не должны быть превышены f пдк.
Важной особенностью мониторинга водной среды является то, что наряду с непосредственно определяемыми концентрациями тех или иных загрязнителей существует ряд показателей качества воды, на основании которых можно судить о загрязненности водоема и его общем экологическом состоянии. Такими показателями, в частности, являются: концентрация ионов водорода (рН), являющаяся индикатором закислення (или защелачивания) водной среды; окислительно-восстановительный потенциал (Eh), который служит количественной мерой способности поверхностных вод к окислению и восстановлению переменно-валентных компонентов химического состава этих вод; содержание растворенного кислорода; биологическое потребление кислорода (БПК), являющееся косвенным показателем загрязнения водоёма легкоокисляющимся веществом, которое появляется в процессе жизнедеятельности обитающих в воде организмов; химическое потребление кислорода (ХПК), на основании которого можно судить о присутствии в воде трудноокисляемых органических соединений антропогенного происхождения.
Производственный мониторинг сточных вод проводится на этапах строительства и г эксплуатации объектов. Контроль ведется непосредственно в местах сбросов сточных вод с очистных сооружений. Периодичность контроля и состав контролируемых параметров определяются составом сточных вод и спецификой объекта. Как правило для объектов, которые осуществляют сброс преимущественно стоков бытовой и ливневой канализации, контроль проводится от 1 раза в неделю при нормальных погодных условиях и до 1 раза в сутки при дождях или снеготаянии. Организация контроля производственных стоков определяется в зависимости от схемы очистки сточных вод и состава в них загрязняющих веществ. При необходимости используются автоматические системы непрерывного контроля сточных вод по основным загрязнителям. контроля поверхностных вод
Производственный мониторинг поверхностных вод включает предстроительный или фоновый мониторинг, мониторинг в ходе строительства и эксплуатационный мониторинг. Фоновый мониторинг проводится с целью изучения гидрологических характеристик водных объектов, которые должны будут принимать сточные воды проектируемых производственных объектов, а также для определения концентраций присутствующих в них загрязняющих веществ. Это особенно важно в случае, если данный водный объект уже используется в хозяйственной деятельности и принимает промышленные или бытовые сточные воды от других объектов. Мониторинг на стадии строительства и эксплуатации проводится с целью определения реального уровня воздействия на водные объекты. На реках контроль проводится в створах, расположенных выше и ниже мест сброса сточных вод. Верхний (фоновый) створ располагается в 50-100 метрах выше по течению от места выпуска сточных вод, нижний (контрольный) створ - на расстоянии не далее чем 500 м от места выпуска (рис. 3.1.1). В этих же створах обычно проводится контроль химического состава донных отложений. При неоднородном химическом составе воды в створе устанавливается несколько вертикалей - как минимум две у берегов (на расстоянии 3-5 м) и одна на стрежне водотока. При однородном химическом составе пробы отбираются в вертикали на стрежне. Количество горизонтов для отбора проб по вертикали определяется с учетом глубины водотока
