Модели для системы экологического мониторинга загрязнения почв токсичными отходами техногенных комплексов

Актуальность проблемы. Современные концепции обработки экологической информации отражают стремление к оптимальным соотношениям между результатами намечаемой производственной деятельности и требованиями сохранения благоприятной окружающей среды. Современный период технического развития общества характеризуется массовым использованием потенциально опасных для человека и окружающей среды сложных техногенных комплексов.

К экологически опасным комплексам относятся прежде всего промышленные предприятия химической промышленности, системы топливно-энергетического комплекса и наземные объекты ракетно-космической технологии. Среди объектов этого класса одно из основных мест занимают космические транспортные средства, характеризующиеся большим разнообразием и высокой сложностью отдельных систем и агрегатов. На этих комплексах были отработаны универсальные методы повышения эффективности прогнозирования токсичных выбросов в окружающую среду и предотвращения антропогенных аварий.

В области разработок и внедрения систем моделирования процессов загрязнения почв ещё нет достаточных знаний и опыта, основанных на принципиальном изменении оценки социально-экономических ценностей.

Многие российские и зарубежные научно-технические коллективы создали обширный теоретический и практический материал, позволяющий сделать обобщение принципов моделирования загрязнения почв и провести дальнейшее совершенствование применяемых моделей, методов и информационных средств.

Разработка карт внутренних структур районов загрязнения остаётся одной из основных задач новых технологий экологического моделирования. Применяемые концепции обработки накопленной информации не имеют аналогов в прошлом и отражают стремление к оптимальным соотношениям между результатами намечаемой производственной деятельности и требованиями сохранения чистоты поверхности почв. В рассматриваемом научно-техническом направлении пока нет достаточных знаний и опыта, основанных на принципиальном изменении оценки социально-экономических ценностей.

Диссертационная работа посвящена вопросам создания методических, математических и программных средств для анализа, оценки и прогноза уровней загрязнения почв высокотоксичными продуктами антропогенных технологий.

Целью работы является теоретическая и практическая разработка научно обоснованной, ориентированной на современные экологические нормы и практически используемой информационной технологии имитационного моделирования, обеспечивающей решение важных прикладных задач экологического мониторинга загрязнения почв в процессе жизненного цикла техногенных систем.

В связи с этим в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

• разработка внутренних структур зон экологического влияния и топологического описания районов загрязнения;

• разработка моделей, обеспечивающих анализ экспедиционных данных об уровнях загрязнения почв в демонстрационных зонах;

• разработка комплекса моделей процессов переноса токсичных веществ в поверхностном почвенном слое;

• разработка системы компьютерного моделирования процессов загрязнения почв;

• апробация разработанных средств на демонстрационных зонах и внедрение в учебный процесс подготовки специалистов.

Методы исследования основаны на применении теории аппроксимации функций, теории дифференциальных уравнений и уравнений математической физики, теории статистической фильтрации в неоднородных средах, теории информационных технологий. Научная новизна работы:

• разработана модель для описания топологии районов загрязнения, отличающаяся от известных методом аппроксимации геометрических характеристик поверхностного слоя;

• разработаны модели экспресс-обработки экспедиционных данных об уровнях концентрации токсичных веществ в почвах демонстрационных зон;

• разработаны детерминированные и статистические модели процесса переноса токсичных веществ, отличающиеся от известных возможностью учета топологических характеристик районов с заданными уровнями концентрации;

• разработана система компьютерного моделирования процессов загрязнения почв при эксплуатации техногенных комплексов.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов:

• разработаны внутренние структуры зон экологического влияния для экологически опасных полигонов;

• проведен анализ экспедиционных данных об уровнях концентрации токсичных веществ в демонстрационных зонах на территории Республики Казахстан;

• созданы карты внутренних структур зон экологического влияния потенциально опасных техногенных комплексов;

• методические, математические и программные средства моделирования применены в процессе экологической экспертизы и паспортизации демонстрационных зон, а также в учебном процессе подготовки специалистов.

Достоверность полученных в диссертационной работе теоретических выводов подтверждена результатами:

• вычислительного эксперимента с реальными экспедиционными данными об уровнях загрязнения поверхности почв суперэкотоксичными веществами;

• апробации методик расчета на конкретных примерах решения задач моделирования демонстрационных зон;

• сравнения альтернативных методик и процедур.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические результаты исследований были получены в процессе проведения научно-исследовательских работ по региональной части комплексных программ «Конверсия научно-технического потенциала вузов» и «Конверсия и высокие технологии», проводимых Министерством образования России в 1992;2000 годы, а также в процессе выполнения проекта К-298 МНТЦ.

Предложенные методы и модели, а также разработанные алгоритмы и программы использовались в пяти научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполненных при непосредственном участии автора.

Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение моделирования демонстрационных зон использовалось в учебном процессе кафедры ИВТ ПГАСА.

Основные результаты проведенных исследований были использованы в «Инженерном центре «Ника» (г.Алматы), в ОКБ «Дельта» (г.Алматы), в Центре внедрения «Вымпел» (Байконур), в научно-внедренческом предприятии «Интерпракт» (г. Заречный), в многопрофильных предприятиях «Стэк» ЛТД и «Дилинг» ЛТД (г.Алматы).

Технические решения, разработанные при выполнении диссертации, использованы при проведении экологической экспертизы и паспортизации демонстрационных зон (ЗАО СКТБ «Гранит» и НПКО «Изотоп» г. Алматы) Документы, подтверждающие практическое использование результатов диссертационной работы, приводятся в приложении.

Дальнейшее внедрение разработанных моделей и методов планируется проводить при создании геоинформационной базы данных экологического мониторинга деятельности крупных техногенных комплексов на территории России и Казахстана.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на международных, республиканских и региональных научно-технических конференциях и семинарах:

• сравнения альтернативных методик и процедур;

• Международном семинаре «Международного научно-технического центра» (г.Москва, 2001);

• Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г.Пенза, 2001);

• ежегодных конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии (г.Пенза, 1995;2002);

• Международной научно-технической конференции «Проблемы математического моделирования современных технологий» (г.Хмельницкий, 2002);

• VII Международной конференции «Биосферосовместимые и средо-защитные технологии при воздействии человека с окружающей средой» г. Пенза, 2002).

• Республиканском семинаре-совещании «Информационные системы в минерально-сырьевом комплексе Казахстана» (г. Алматы, 2002);

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. В первой главе анализируются основные источники загрязнения поверхности почв на примере наземных объектов ракетно-космических технологий (РКТ).

Основные результаты и выводы работы.

1. В диссертации проведена теоретическая и практическая разработка научно обоснованной, ориентированной на современные экологические нормы и реально используемой информационной технологии имитационного моделирования, обеспечивающей решение важных прикладных задач экологического мониторинга загрязнения почв в процессе жизненного цикла техногенных систем.

2. К основным теоретическим результатам, полученным в диссертации относятся:

• разработанный метод топологического описания поверхности района токсичного загрязнения почвы, отличающийся от известных аппроксимацией параметров рельефа и позволяющий учитывать реальные геодезические характеристики зоны в моделях диффузии, конвекции и фильтрации токсиканта;

• разработанный методологический подход к обработке экспедиционных данных об уровнях концентрации токсичных веществ в почвах демонстрационных зон, дающий возможность учитывать реальные исходные параметры загрязнения в моделях прогноза;

• разработаный комплекс моделей процесса переноса токсичных веществ, обеспечивающий решение статических и динамических задач в детерминированной и вероятностной постановках;

• разработанная система компьютерного моделирования процессов загрязнения почв в процессе эксплуатации техногенных комплексов, отличающаяся от известных используемым методико-математическим обеспечением, и обеспечивающая повышение достоверности экологической экспертизы участков загрязнения.

3. Основные практические результаты заключаются в следующем:

• созданы карты внутренних структур зон экологического влияния, использующие экспедиционные данные об уровнях концентрации токсичных веществ потенциально опасных техногенных комплексов;

• разработаны компьютерные средства, обеспечивающие достоверность, научную обоснованность, объективность и законность заключений экологической экспертизы районов загрязнения почв;

• разработанные методические и программно-информационные средства применены в производственной деятельности и в учебном процессе экологической подготовки специалистов;

• разработанные методические, алгоритмические и программные средства адаптированы к внедрению в различных классах ведомственных экоинформационных систем;

• экономический эффект (Q) от внедрения предлагаемых методов моделирования процессов загрязнения токсичными отходами только при обработке одного участка загрязнения составит (2415н-3200) у.е.

Заключение

.