Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона

Актуальность работы. Результаты геоэкологических исследований однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземного слоя атмосферы — самый мощный, постоянно действующий фактор влияния на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

Тульская область — один из самых развитых горнопромышленных регионов Центрального федерального округа России. Большое развитие на территории области получила добыча бурого угля. В Тульской области добывалась большая часть. разрабатываемых бурых углей Подмосковного угольного бассейна. В области разведано более 160 месторождений различного сырья для производства строительных материалов, из которых в промышленное освоение вовлечено 60. Тульский регион занимает первое место в Центральном экономическом районе России по ресурсам строительного камня, гипса, имеются значительные запасы сырья для производства цемента и стеновых материалов. В настоящее время действующих шахт на территории области практически нет. Однако, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождения, до сих пор актуальны и останутся таковыми еще на много лет. Кроме горнодобывающей промышленности основными видами производства являются машиностроение (включая оборонный комплекс), химическое производство, черная металлургия, производство стройматериалов, производство пищевых продуктов, энергетика, радиоэлектроника, приборостроение. Увеличение объема производства в условиях рынка приводит к существенному повышению пылегазовых выбросов в атмосферу.

Кроме объектов промышленности в Тульской области на загрязнение окружающей природной среды влияют и другие факторы. Во-первых, значительное влияние оказывают трансграничные переносы загрязняющих веществ из стран, соседствующих с Россией. Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются: Западная и Восточная Ев4 ропа (особенно Германия и Польша), Северо-восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев), Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в. центральной части, в Харьковской, Мариупольской областях и Донбассе), Северо-западный Китай (радиоактивное загрязнение), Северная Монголия (горнопромышленные районы).

Во-вторых, несмотря на то, что в настоящее время действующих шахт на территории области практически не осталось, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождений, до сих пор актуальны. А именно, влияние оказывают следы хозяйственной деятельности — отвалы, терриконы, хвостохранилища. Ежегодно в отвалы поступает до 5 млрд т вскрышных пород. Отходы горного производства занимают более 1 млн га плодородных земель РФ. На долю отвалов приходится до 65% площади земельного отвода горного предприятия. Поэтому отвалы горных пород и некондиционных полезных ископаемых служат представительными объектами для исследования процесса образования пыли.

В су I чествующих методиках и моделях расчета загрязнения атмосферы не учитываются трансграничные переносы и эмиссия пыли с горных отвалов. В связи с этим, в настоящее время появилась необходимость в разработке технических средств контроля и мониторинга состояния окружающей среды, а именно, в разработке на примере Тульской области эффективной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона, используя системный геоэкологический подход, обобщающий накопленные знания в области экологии, охраны окружающей среды и геотехнологий, открывающиеся структурно-управленческие и экономические возможности.

Моделирование процессов загрязнения атмосферы снимает ряд неточностей и решает такие задачи как прогнозирование, размещение постов мониторинга (стационарных и мобильных), вклад конкретного промышленного объекта в общее загрязнение воздуха в реальном времени с целью принятия управленческих мер по нормированию выбросов.

В России большой вклад в разработку математических моде л ейвнесли работы школы академикаГ.И.Марчука, А. А. Беккера, H.H. Белова, фундаментальные аспекты математического моделирования загрязнения воздуха сформулированы в работах. М. Е. Берлянда, Е. Л. Генихович, Р. И: Оникула, H. J1. Бызовой, Ю. А. Анохиной, А. Х. Остромогильского (Лаборатория моделирования и прогноза загрязнения атмосферы) — академика С. А. Солодкова (Институт прикладной геофизики им. академ. Е.К. Федорова) и др.

Работы по созданию автоматизированных систем мониторинга атмосферы ведутся в Тульской области с 1994 года в рамках реализации ФЦП «Оздоровление экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области» и до настоящего времени. Построением автоматизированных систем экологического мониторинга в нашей стране занимаются проф. F.B. Аверин, A.A. Любимов, В. Ю. Волков, Ю. Д. Эделыптейн, В. В. Бугровский, A.M. Погорелов, A.B. Бизикин и др.

Существующие технические средства контроля и мониторинга за состоянием атмосферного воздуха не всегда отвечают современным требованиямимеют большую погрешность измерений и не дают достаточной картины для принятия управленческих решений по данному направлению охраны окружающей среды. В связи с этим необходимой является адаптация существующих систем к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона. Для этого предлагается учитывать климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения объектов горно-перерабатывающей промышленности, а также объемы и состав выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Перечисленные обстоятельства делают актуальной задачу прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

Целью работы является оценка состояния и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха на основе проведения экологического мониторин6 га и моделирования процессов рассеивания пылегазовых веществ в атмосфере горнопромышленного региона посредством разработки автоматизированной системы мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обобщение и проанализировать материалы исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного региона.

2. Установить величину эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов, предприятий машиностроения, химических производств, черной металлургии, энергетики, радиоэлектроники, приборостроения Тульского региона и г. Тулы.

3. На основе проведенных исследований дать теоретическое обоснование выбора методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов.

4. Провести оценку закономерностей распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

5. Усовершенствовать математическую модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

6. Разработать метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

7. Провести моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха г. Тулы.

8. Обосновать метод определения расположения станций экологического контроля качества среды промышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ пылегазо-выми выбросами.

9. Разработать оригинальную многоуровневую структуру автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха с применением искусственных нейронных сетей.

10. Провести техническую реализацию автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Идея работы состоит в создании комплексной методики определения пылегазовых веществ в приземном слое горнопромышленного региона.

Объектом исследования является загрязнение приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

Предметом исследования являются методы и модели, описывающие процессы загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона пылегазовыми веществами с разработкой автоматизированной системы мониторинга состояния атмосферы.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, нейронных сетей, математической статистики, принятия решений, численный эксперимент, методы статистической обработки данных с применением ЭВМ.

Научная новизна работы:

— разработан метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона;

— усовершенствованы структурные и функциональные схемы автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха применительно к условиям Тульской области;

— уточнены закономерности многоуровневой структуры автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

— проведена инвентаризация источников загрязнения атмосферы промышленных предприятий города Тулы и горно-перерабатывающих предприятий Тульской области, позволившая получить карты рассеивания по основным загрязнителям.

Основные положения, выносимые на защиту:

— метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона применительно к автоматизированной системе экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха, который основан на интегральной оценке рассогласования полученных значений концентраций экспериментальным путем и путем моделирования процессов, происходящих в атмосфере горнопромышленного региона;

— моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона;

— метод определения расположения станций экологического контроля качества среды горнопромышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ;

— оригинальная многоуровневая структура автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, которая позволяет последовательно проводить расчет характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне горнопромышленных регионов.

Диссертационная работа соответствует пп. 3.1, 3.4, 3.10 паспорта специальности 25.00.36 Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности).

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая значимость работы состоит в прикладной направленности разработанного теоретико-экспериментального метода оценки загрязнения воздуха и математической модели формирования пространственного поля техногенного загрязне9 ния приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона. На основе выполненных теоретических исследований разработана автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, которая позволяет осуществлять сбор и анализ экологической информации о загрязнении атмосферы промышленными предприятиями и предприятиями горной отрасли с представлением результатов на электронных картах местности и повысить эффективность принятия управленческих решений в области охраны атмосферного воздуха.

Практическая ценность подтверждена актами внедрения системы в практическую деятельность Администрации города Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов», ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг.

Апробация. Основные положения и разделы работы докладывались и получили одобрение на Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2007;2011), Международном научно-практическом симпозиуме «Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты» (Египет, 2007, 2009), Международном научно-практическом семинаре «Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов» (Тула, 2009;2010), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Москва-Тула, 2006;2010), 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленно.

10 сти и экологии" (Тула, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Экология, образование и здоровый образ жизни» (Тула, 2009), 5-й региональной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования в Тульской области» (Тула, 2006), Научно-практическом форуме «Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа» (Тула, 2008), научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» Тульского государственного университета (2008;2011).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 печатных работ, из них 6 статей в журналах и изданиях рекомендованных ВАК, получены 1 патент на изобретение и 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

4.5 Выводы по главе 4.

1. Определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

2. Показано, что важным показателем, определяющим эффективность системы экологического контроля и мониторинга воздушной среды горнопромышленных регионов, являются нахождение пространственной, структуры станций контроля.

3. Предложена оригинальная многоуровневая структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

4. Проведена адаптация искусственных нейронных сетей для задачи мониторинга загрязнения атмосферы.

5. Проведена техническая реализация автоматизированной системы контроля и экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

6. Результаты научных исследований и разработанная автоматизированная система контроля и экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха использованы в работе Администрации г. Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета.

7. Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» и ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в оценке и прогнозировании загрязнения атмосферного воздуха промышленным комплексом, а также пылегазовыми выбросами при консервации и ликвидации горных и горно-обогатительных предприятий, путем разработки автоматизированной системы экологического мониторинга, что позволит принимать управленческие решения по улучшению состояния здоровья населения.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем: Проведен анализ материалов исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного комплекса Тульского региона и г. Тулы.

Установлена величина эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов г. Тулы и Тульской области.

Осуществлена классификация методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов и дано теоретическое обоснование выбора разработанного метода.

Уточнены закономерности распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

Усовершенствована математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы промышленного региона, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней учтены усло вия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий.

Разработан метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона, введен вектор интегральной оценки расхождения (предлагается установить его на уровне 15%). Разработан алгоритм реализации метода интегральной оценки, который позволяет находить оптимальный вариант выбора математической модели в реальном масштабе времени.

Проведено моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха. Осуществлены замеры концентраций загрязняющих веществ воздуха. Установлены уровни концентрации веществ в контрольных точках по основным загрязнителям. Проведен анализ инвентаризации источников выбросов промышленных предприятий города Тулы. Создана база данных по источникам и видам загрязняющих веществ.(дающих более 90% суммарных выбросов). Учтены выбросы основных загрязнителей отходов горного производства (отвалов, терриконов, хво-стохранилищ). Карты рассеивания загрязняющих веществ, полученные в результате моделирования, экспортированы на карту, выполненную в программе AUTOCAD MAP для полной визуализации полученных результатов.

Обоснован метод определения расположения станций экологического контроля качества среды горнопромышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ газопылевыми выбросами.

Предложена оригинальная многоуровневая структура автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха с применением искусственных нейронных сетей;

Определена структура и техническая реализация автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха. Модули автоматизированной системы мониторинга внедрены в управленческие структуры и промышленные предприятия для повышения эффективности проведения процедур, направленных на снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона. Внедрение системы в работу администраций г. Тулы позволило принять меры по нормированию выбросов и снизить загрязнение в наиболее экологически нагруженных территориях, а именно в центре города на 8%, путем уменьшения выбросов промышленных предприятий, вносящих максимальный вклад в загрязнение воздуха города.

Результаты научных исследований и разработанная автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха исполь.

116 зованы в работе Администрации г. Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета по курсам: «Информационные технологии в экологии», «Компьютерные технологии в охране труда», «Экологический мониторинг», «Моделирование техногенного воздействия на окружающую среду».

Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» и ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг.

Результаты работ в виде программных продуктов подтверждены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ, а разработанная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха защищена патентом на изобретение.