Исследование и разработка методов применения мобильных ИИС при контроле загрязнения окружающей среды

Важность проблемы охраны окружающей среды в наше время не вызывает сомнений. Интенсивно развивающаяся промышленность вызывает постоянное увеличение уровня загрязнения атмосферы. Во многих индустриальных районах уровень загрязняющих выбросов превышает величины, к которым могут адаптироваться организм человека и биосфера в целом. Неудовлетворительное состояние окружающей среды приводит к гибели растительности, приносит вред здоровью человека. Дальнейшее развитие этих процессов приобретает глобальное значение.

Вопросы охраны окружающей среды связаны, как правило, с тремя ее основными составляющими — атмосферой, гидросферой и литосферой. За последние десятилетия серьезной международной проблемой стала защита атмосферы от загрязнения — следствия хозяйственной деятельности человека. По сравнению с другими составляющими окружающей среды атмосфера обладает большей пространственной подвижностью и загрязняется наиболее быстро.

В такой ситуации развитие промышленности должно сопровождаться разработкой новых технологий, которые бы позволили предотвращать выбросы в атмосферу или ограничивать их до допустимого уровня. Такие превентивные меры оказываются не всегда успешными или просто не проводятся, поэтому при наличии загрязняющих выбросов встают проблемы определения области, района с повышенным уровнем загрязнения и принятия решения по полученным данным.

Определение параметров загрязнения позволяет:

1. Выявить вещество с концентрацией превышающей предельно-допустимое значение;

2. Выявить источник загрязнения каждым веществом и долю участия этого источника;

3. Определить необходимые меры по стабилизации значений концентрации вредных веществ.

Сложность природных экосистем, значительное разнообразие типов взаимодействий, а также возросшая потребность в количественных методах анализа, оценки и прогноза состояния экосистем обусловливают ту особую роль, которую играет метод математического моделирования в исследованиях по проблеме окружающей среды.

В настоящее время наиболее распространенными методиками по расчету рассеяния примеси в атмосферном воздухе являются методики, основанные на полуэмпирическом уравнении диффузии для построения следа выброса вредных веществ: ОНД-86 (общесоюзный нормативный документ) и Гауссова модель, используемая учеными США. Эти методики позволяют построить след выброса вредных веществ в воздушной среде, располагая метеорологическими данными (скорость ветра, состояние атмосферы, температура, давление и так далее), параметрами источника выброса веществ, топографическими и географическими данными исследуемого района.

Таким образом, встает вопрос, во-первых, проверки этих моделей, то есть, планирование измерительного эксперимента, проведение измерительного эксперимента, корректировка следа выброса на основе данных, полученных в результате измерительного экспериментаи, во-вторых, определения точностных характеристик имеющихся данных.

В данной работе рассматриваются существующие модели следов выброса вредных веществ, анализируется их различие, проводиться анализ метрологических характеристик и решается задача адаптации существующего расчета модели ОНД-86 по метеорологическим, картографическим, топографическим данным к экспериментальным данным измерения концентрации вредных веществ, также разработана практическая методика проведения эксперимента.

Основные результаты, полученные в работе:

1. Проведен анализ точности измерительных каналов и отдельных средств измерения, используемых для измерений значений концентрации, а также исходных данных построения модели рассеяния примеси. Сформулированы требования к выбору средств измерений.

2. Показана целесообразность использования мобильных ИИС по сравнению с сетью стационарных постов и разработан алгоритм оптимального выбора точек контрольных измерений концентрации вредных веществ при использовании мобильных ИИС.

3. Разработан алгоритм оценки точности проводимых полевых измерений и совместной обработки их с теоретическими данными.

4. Разработан алгоритм настройки модели ОНД-86 по результатам измерений, обеспечивающий оптимизацию определения границ области загрязнения.

5. Разработана методика организации измерений мобильной ИИС в условиях чрезвычайной ситуации и в рабочем режиме, основанная на разработанных алгоритмах настройки модели и учитывающая топографические характеристики района загрязнения.

Заключение

.

Контроль состояния окружающей среды является необходимым для устойчивого развития общества. Инструментом контроля является экологический мониторинг, который призван выявлять изменения окружающей среды под воздействием антропогенного фактора.

Антропогенное воздействие на экосистему, например, какая-либо хозяйственная операция имеет положительный частный эффект и оказывает некоторое отрицательное воздействие на биосферу, малым значением которого пренебрегают, но действие которого в настоящее время приобретает большее значение. Сейчас можно сказать что «побочный эффект», то есть вредное влияние, оказываемое на окружающую среду, приобрело такое глобальное значение, что бесконтрольная эксплуатация приносит уже только убытки, как в денежном, так и в других выражениях.

Надежность и информативность качественных оценок уже не соответствуют сложности и ответственности задач, которые ставит нам практика, необходимы количественные оценки. Так как человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях, то его взаимодействие с объектом — исследование или преобразование — возможно лишь на основе модели объекта.

Ограничение количества наблюдений и трудности при оценки источника загрязнения, а также невозможность проведения широкого эксперимента в масштабах реальной экосистемы и моделирование динамики экосистемы в лабораторных условиях подтверждают целесообразность использования математического моделирование для получения информации о рассеянии примесей в атмосферном воздухе.

Таким образом, для получения информации о рассеянии примеси в атмосферном воздухе определяется модель, используемая для расчета рассеяния примесипроизводится планирование измерительного эксперимента в соответствии с поставленными задачамисогласовываются теоретические и экспериментальные данныеопределяется точность данных о рассеянии примеси в атмосферном воздухе.

Сравнительный анализ полей концентрации от постоянно действующих точечных источников, рассчитанных с помощью различных методик, показывает, что они весьма не похожи по форме факела и по значению концентрации, отличающихся порой на порядки.

Существующие методики расчета рассеяния примеси опираются в основном на полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии и с использованием «/^-теории» :

За д 1 да д, с. ,. ".. и -2- = -Ь —2- + -Тг -2- + О 3 (г — к) д (х). дх ду К > ду дг К 2 дг ^ У.

Основу теории" составляют существующие аналогии между турбулентным и молекулярным переносом импульса, тепла и примеси. Вектор потока принимает следующий вид: и-Г дх где к1 — тензор коэффициента турбулентного обмена для соответствующей примеси.

Эта система уравнений позволяет построить трехмерную модель атмосферного пограничного слоя в горизонтальных масштабах в десятки и сотни километров.

Определенную сложность представляет собой описание распределение примеси в верхней части пограничного слоя. Недостаточно также данных о взаимодействии очень мелких частиц с подстилающей поверхностью, а также сведений о поведении примеси в условиях сложного рельефа и городской застройки. Мало данных о мезо-масштабных закономерностях, определяющих рассеяние примеси на большие расстояния. Определенная осторожность требуется при расчетах диффузии во время нестационарных метеорологических условий. Также возникают сложности при определении средней скорости ветра.

Нормативными методиками в США и в России являются, соответственно, методика «ЕРА-US» и ОНД-86. Методика «EPA-US» предлагает рассчитывать форму факела по гауссовой модели. Коэффициенты турбулентной диффузии оказываются функциями времени полета примеси. Методика ОНД-86 использует способ задания профиля коэффициента в виде так называемой модели с изломом, в которой коэффициенты турбулентной диффузии задаются в зависимости от температурной стратификации.

Основная погрешность данных, полученных, например, с помощью методик «ЕРА-US» и «ОНД-86», составляет не менее 30%.

Рассмотрение различных ситуаций показало, что для контроля характеристик окружающей среды на территории больших районов, районов временных производств, чрезвычайных ситуаций или при проведении инспекционных работ целесообразно применять мобильные лаборатории.

Для определения рабочего маршрута определяются оптимальные точки пространственного эксперимента. Для этого предварительные данные о состоянии атмосферного воздуха, метеорологические данные, данные выбросов вводятся в ситуационную модель экологического объекта.

Идеализация объекта при построении его модели приводит к несоответствию модели исследуемому реальному объекту — пороговому несоответствию, поэтому модель переопределяется, уточняется. Из-за сложности объекта и недостаточного развития теории планирования эксперимента решение основывается на практическом опыте выполнения измерений и неформальных соображениях.

Подлежащие контролю вредные загрязняющие вещества пространственно распределены в воздушной среде и имеют характеристики, изменяющиеся во времени вследствие химического воздействия и разбавления под воздействием температуры, солнечной радиации, ветра и осадков. Погрешность, вносимая каналами измерения, составляет в среднем 20% и имеет различные значения при измерении различных примесей. В силу случайного характера процесса загрязнения одиночные локальные измерения значений концентрации обладают низкой информативной достоверностью, что должно учитываться при формировании требований на создаваемые технические средства и обработку информации от них. Поэтому экспериментальные в ходе предварительного анализа данные проверяются с помощью статистических критериев.

Методика ОНД-86, которая является нормативным документом и используется в данной работе для построения модели рассеяния примеси, позволяет рассчитать значение разовой концентрации вредных веществ. Учитывается нестационарность скорости ветра, форма следа принимает более размытое значение, рассчитывается доверительный интервал. Далее используется коррекция модели факела по экспериментальным данным. Для получения экспериментальных данных и дальнейшей их обработки разработана методика, для проведения измерений в рабочем режиме и чрезвычайной ситуации.