автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Алгоритмы и программно-информационное обеспечение эколого-экономического анализа воздействия нефтеперерабатывающих предприятий на лесные массивы

ргб

Российский химико-технологический университет им Д.И.Менделеева

На правах рукописи УДК 629.78:681.3

СМОТРИЧ СТАНИСЛАВ АЛЬБЕРТОВИЧ

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНО-ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ НА ЛЕСНЫЕ МАССИВЫ

05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (химия), 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997.

Работа выполнена на кафедре кибернетики химико-технологических процессов Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева и в БашНИИНефтемаш (г.Уфа).

Научные руководители:

Действительный член (академик) Академии технологических наук РФ, доктор технических наук, профессор Мешалкин В.П., Доктор физико-математических наук Бутусов О. Б.

Официальные оппоненты: Д.т.н., профессор Бессарабов А.М.

Д.т.н., профессор Бесков B.C.

Ведущая организация: Кафедра инженерной экологии МЭИ

Защита состоится в ауд._

' 2-G " илдрУХлА 1997г. в А О час.

час.

на заседании диссертационного совета Д 053.34.08

в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева по адресу: 125047, г.Москва, Миусская пл., дом.9

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре РХТУ им. Д И.Менделеева

Автореферат разослан

1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, к.т.н.

Д.А.Бобров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в практической реализации концепции устойчивого социально-экономического развития человечества, провозглашенной на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992г, особую важность приобретает решение задач эколого-экономического анализа и оптимизации воздействия промышленных предприятий на окружающую среду. Методы эколого-экономического анализа и оптимизации являются необходимым инструментарием для определения оптимально допустимого уровня воздействия газовых и жидких выбросов предприятий, а также твердых отходов на различные природные системы, окружающие промышленное предприятие (леса, атмосферу, гидросферу и литосферу) с учетом наличия ограничений в объемах финансирования на природоохранные мероприятия. В Государственном докладе "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1992 году" в разделе "Влияние на окружающую среду хозяйственных комплексов" нефтеперерабатывающая промышленность наряду с химической, угольной, металлургической и др. отнесена к числу наиболее неблагоприятно воздействующих на окружающую природную среду. Таким образом, выбор нефтеперерабатывающих предприятий (НПП) как объектов эколого-экономического анализа является важным и актуальным. Модели, методы и алгоритмы, разработанные в диссертации, позволяют оценивать воздействия газовых выбросов НПП на лесные массивы. Выбор лесных массивов в качестве объектов эколого-экономического анализа не случаен. Леса в отличие от населения фиксированы по территории региона и лишены защитных средств, в силу чего являются естественными интеграторами вредных выбросов НПП и, таким образом, могут однозначно характеризовать уровень локального загрязнения промышленной территории. При этом интервалы времени удаления загрязнений из лесных массивов на определенных расстояниях от НПП значительно превышают интервалы времени их поступления в среду с атмосферными потоками, что приводит к эффекту интегрального накопления. Таким образом к числу наиболее существенных факторов воздействия выбросов НПП на окружающую среду следует отнести не только концентрацию, которая учитывается в нормативных значениях ПДК, но и длительность воздействия, что непосредственно может быть зарегистрировано по степени экологического ущерба для лесных массивов. Леса являются важнейшим компонентом биосферы, источником кислорода и поглотителем углекислого газа, нарушение баланса которых в биосфере может привести к глобальным климатическим и природным изменениям. В глобальном масштабе в настоящее время леса во всем мире оказались под угрозой неконтролируемого вырождения.

Вследствие сокращения лесных площадей происходит деградация речных бассейнов, эрозия почвы, а также уменьшение поглощения углекислого газа, накопление которого в земной атмосфере является причиной парникового эффекта. По данным Федеральной службы лесного хозяйства РФ общая площадь лесов, погибших вследствие промышленного загрязнения за 1991-1993гг составляет 65540 га, что представляет собой огромный природно-социальный и экономический ущерб. При этом не учитываются потери, связанные с частичной деградацией лесных массивов, которая характерна для буферных зон вокруг промышленных предприятий. В связи с вышеизложенным разработка алгоритмов и программно-информационного обеспечения эколого-экономического анализа воздействия НПП на прилегающие лесные массивы является актуальной научной задачей, имеющей важное хозяйственно-экономическое значение для количественной оценки и снижения вредного воздействия нефтеперерабатывающих предприятий на окружающую среду.

Основные направления исследований данной кандидатской диссертации выполнялись в соответствии с проектами Государственной научно-технической программы Госкомитета науки и технологий РФ "Экологическая безопасность химических производств" и Государственной научно-технической программы РФ "Новые принципы и методы получения химических веществ и материалов Приоритетное направление - создание энергосберегающих процессов на основе рациональных химико-технологических систем, оптимизации технологического оборудования и эффективных технологий разделения смесей" и Государственной научно-технической программы РФ "Российский лес".

Диссертация выполнялась при научных консультациях к.т.н., ст.н.с. Б. Е.Сельского.

Цели и задачи исследования. На основе использования траекторной статистической модели распространения газовых выбросов промышленных предприятий в окружающую среду с учетом химико-технологической, физико-химической, ландшафтной и метеорологической информации о техногенно-природной системе "нефтеперерабатывающее предприятие -, лесные массивы" выбрать виды и разработать алгоритмы расчета обобщенных эколого-экономических критериев оценки воздействия нефтеперерабатывающих предприятий на лесные массивы - в виде интегральных коэффициентов сохранности (ИКС), которые позволяют определять зоны экологической деградации и расчитывать экологический риск лесных массивов в районе нефтеперерабатывающих предприятий.

Создать архитектуру и программно-информационное обеспечение автоматизированной системы эколого-экономического анализа (АСЭК) воздействия

нефтеперерабатывающих предприятий на лесные массивы. Разработать и практически применить методику эколого-экономического анализа воздействия нефтеперерабатывающих предприятий на лесные массивы, которая позволяет научно-обоснованно прогнозировать снижение экологического риска для лесных массивов при уменьшении объемов газовых выбросов в результате реконструкции и модернизации, как основных технологических производств, так и установок газоочистки нефтеперерабатывающих предприятий.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- математическое моделирование полей среднегодового загрязнения территории в районах нефтеперерабатывающих предприятий;

- математическое моделирование полей распределения интегральных индексов экологического состояния лесов;

- экологическое зонирование территории и расчет экологического риска лесных массивов от выбросов нефтеперерабатывающих предприятий:

- разработка методики оценки эколого-экономического анализа воздействия НПП на лесные массивы и прогнозирования снижения экологического риска от сокращения объемов вредных газовых выбросов НПП.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

- проведен системный анализ НПП, как организованного источника газовых выбросов и разработана методика эколого-экономического нормирования газовых выбросов НПП, химических и нефтехимических предприятий, которая в отличие от существующих методик, основывается не на использовании значений предельно допустимых концентраций (ПДК) и выбросов (ПДВ), а на минимизации величины биологического ущерба, нанесенного лесным массивам газовыми выбросами;

- для оценки биологического ущерба от газовых выбросов предложено использовать обобщенные точечные показатели - интегральные коэффициенты сохранности (ИКС) лесов, которые обеспечивают сжатие векторной многокомпонентной информации о показателях биологической деградации лесных массивов в комплексные точечные оценки;

- разработаны алгоритмы расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы, которые основаны на оценке интегральных суммарных воздействий газовых выбросов на лесные массивы в виде суммарных "доза-эффект" зависимостей, для количественной оценки которых разработана специальная система интегральных индексов;

- разработан алгоритм расчета изолиний полей интегральных индексов экологического состояния лесных массивов в районе НПП, который осуществляет расчет пространственного распределения этих индексов с использованием

статистической траекторной модели распространения газового шлейфа от НПП к лесному массиву;

- разработан алгоритм оценки экологического риска для лесных массивов в районе НПП в виде математического ожидания среднегодовых "доза-эффект" зависимостей. Указанный алгоритм для местностей со сложным рельефом или чередованием поверхностей с различными термогидродинамическими свойствами: лесных массивов, сельскохозяйственных угодий, водных поверхностей, населенных пунктов, промышленных зон и пр. дает вероятностную оценку среднегодового биологического ущерба лесным массивам;

разработана архитектура и основные компоненты программно-информационного обеспечения автоматизированной системы эколого-экономического анализа воздействия газовых выбросов НПП на лесные массивы;

- на основе разработанных алгоритмов расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы и показателей экологического риска создана научно-практическая методика экологического зонирования территории лесных массивов в районе НПП. Методика позволяет на основе рассчитанных значений ИКС осуществлять выделение зон деградации лесных массивов и оценивать относительные биологические ущербы, нанесенные НПП лесному массиву. Применение методики необходимо для оценки экономической эффективности мероприятий по реконструкции, модернизации, расширению объемов производства и внедрению новых ХТС газоочистки на НПП.

Практическая значимость. Разработаны архитектура и основные компоненты программно-информационного обеспечения (операционная система MS DOS, язык программирования BorlandPascal) автоматизированной системы эколого-экономического анализа воздействия НПП на лесные массивы. На основе разработанных алгоритмов расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы создана практическая методика прогнозирования уменьшения ущербов лесам в районе НПП при сокращении объемов газовых выбросов. Методика основана на экологических оценках изменения площадей зон деградации при уменьшении выбросов.

Разработанная автоматизированная система и методики практически применены для решения задачи экологического зонирования территории вокруг МосНПЗ, а также для прогнозирования увеличения и уменьшения размеров зон деградации и ущербов вследствие соответствующего увеличения и уменьшения мощности выбросов сернистого газа на МосНПЗ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ. Основные результаты доложены и обсуждены на международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тула, июнь, 1996), на

Всероссийской научной конференции "Теория и практика массообменных процессов" (Уфа, октябрь, 1996), VIII и Х-ой Международных конференциях молодых ученых и студентов по химии и химической технологии (Москва, 1994, 1996).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 122 наименования; изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 39 рисунков, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована важность и актуальность темы диссертации, сформулированы и обоснованы цель и основные задачи диссертационного исследования, дана характеристика научной новизны и практической значимости диссертационной работы.

В первой главе дан анализ современного состояния проблем связанных с эколого-экономическим анализом и оптимизацией воздействия НПП на лесные массивы. К числу этих проблем в диссертации отнесены следующие:

- математическое моделирование распространения газовых выбросов НПП в окружающую природную среду;

- методики решения задач эколого-экономической оптимизации воздействия НПП на окружающую среду;

- оценки экологического риска от воздействия НПП.

Дан анализ атмосферных выбросов НПП, рассмотрена проблема математического моделирования распространения газового шлейфа и классифицированы наиболее важные факторы влияющие на распространение газовых выбросов. К числу этих факторов относятся: физико-химические характеристики газового шлейфа, геометрические характеристики источника, параметры атмосферной устойчивости, характеристики подстилающей поверхности. Представленный перечень параметров свидетельствует о значительных трудностях проблемы математического моделирования атмосферного переноса промышленных газовых выбросов. В зависимости от поставленной цели могут быть использованы математические модели различной сложности. В главе приведен краткий анализ и характеристики основных математических моделей атмосферного переноса: модели полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии, факельных моделей и модели гауссовского распределения, статистических траекторных моделей. Рассмотрены дополнительные математические модели, необходимые для расчета параметров и коэффициентов, которые используются в моделях атмосферного переноса: моделей для расчета стандартных отклонений для пульсаций скорости ветра, моделей для расчета коэффициентов турбулентной диффузии, моделей для

расчета трансформации, осаждения и вымывания поллютантов. Рассмотрена также проблема математического моделирования распространения газового шлейфа в условиях городской застройки или сложного рельефа. Сделан выбор в пользу применения для эколого-экономического анализа статистической траекторной модели. Выбор основан на возможности использования упрощенных алгоритмов моделей этого класса для учета в расчетах эколого-экономического анализа мозаичной структуры полей загрязнения, имеющей место в условиях сложного рельефа или городской застройки вокруг НПП. Упрощенные алгоритмы, использующие для моделирования обтекания шлейфом препятствий рассеивающих потенциалов, несложным образом могут быть параметризованы при помощи классических полуэмпирических уравнений Хубера, используемых для расчетов полей загрязнения вокруг городских зданий.

Подробно рассмотрены следующие две основные задачи эколого-экономической оптимизации химических предприятий: минимизация биологических ущербов, нанесенных лесным массивам, от внедрения атмосфероохранных мероприятий (АОМ) при определенном лимите капитальных и эксплуатационных затрат на природоохранные цели; обеспечение требуемого уровня воздействия на природные объекты, который определяется значениями ПДК и ПДВ, при условии минимизации капитальных и эксплуатационных затрат на природоохранные мероприятия.

Проанализированы зарубежные стратегии защиты атмосферы от загрязнений, основанные на зависимостях "затраты - выигрыш". Отдельный раздел посвящен вопросам анализа экологического риска от воздействия НПП.

Вторая глава посвящена разработке алгоритмов расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы.

Проведен подробный анализ НПП и окружающих лесных массивов, как сложной техногенно-природной системы. Проанализированы с точки зрения эколого-экономической оптимизации основные технические методы, средства и установки газоочистки выбросов на НПП. Дано обоснование концепции, согласно которой экологические оценки воздействия НПП на лесные массивы следует базировать на использовании зависимостей "доза-эффект". Для оценки "эффекта" выбраны интегральные индексы, которые представляют собой интегральные коэффициенты сохранности лесов. Разработанные индексы, базируются на результатах многолетних биологических исследований деградации лесов в районах промышленных источников существенного химического загрязнения, проводившихся на протяжении ряда лет в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН. Методика позволяет преобразовать известную формулу представления "доза-эффект" зависимостей в виде "многие ко многим" в форму "один к одному".

Приведены формулы для расчета интегральных индексов, а также формулы для расчета относительных и абсолютных ущербов, нанесенных лесам газовыми выбросами НПП. Обоснована актуальность решения задачи эколого-экономической оптимизации, как задачи минимизации экологического ущерба лесным массивам, которая имеет следующий вид:

шт|2е(/)1, /

к(0<ктах {1)

где: К(0 -вектор приведенных затрат для /-ой ХТС газоочистки, 2е(/) -экологический ущерб, нанесенные химическим предприятием окружающей природной среде, /' - индекс АОМ, Ктах - вектор лимита средств, выделяемых на

природоохранные цели.

В результате системного анализа НПП как организованного источника газовых выбросов показано, что НПП загрязняют атмосферу углеводородами (около 60% суммарных выбросов), сероводородом (около 18%), окисью углерода (около 8%), диоксидом серы (около 5%), окислами азота (около 0,3%), пылью (около 0,2%), фенолом, стиролом, толуолом, ацетоном, изопреном, высокомолекулярными кислотами, альдегидами, смолистыми органическими соединениями с канцерогенными свойствами и др. Кроме организованных источников выбросов, которые представляют собой заводские трубы, на территории нефтеперерабатывающего комплекса имеется множество неорганизованных источников, к которым относятся утечки из-за неплотностей в аппаратуре и в запорно-регулирующих устройствах, сбросы из предохранительных устройств и пр.

Кратко изложим сущность разработанных алгоритмов расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы.

Алгоритм расчета интегральных индексов, которые представляют собой ИКС. Формула расчета интегрального индекса, использованного в диссертации для эколого-экономических оценок, имеет следующий вид:

я = 1>,л/ад, (2)

1

где (1] - численные параметры, которые играют роль нормализованных

весовых коэффициентов, В- измеряемые параметры экологического состояния лесного массива, Г - обозначает фоновое или максимальное значение параметра, \ -индекс, нумерующий точки измерения, \ - индекс, нумерующий измеряемые параметры. Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям функциональные зависимости "доза-эффект" имеют логистическую форму. Логистический характер зависимости позволяет выделить на ней три линейных участка, которые соответствуют трем зонам экологического состояния лесов:

импактной, буферной и фоновой. При этом из анализа экспериментальных данных следует, что в буферной зоне весовые коэффициенты удовлетворяют следующей системе однородных линейных уравнений:

^ ва ^ в>,

-2^, = 2>, 7/П~ = ° (3)

где =(11 - неизвестные однородной линейной системы

уравнений. Для существования нетривиального решения системы (3) необходимо,

д II

чтобы Ве1 " ■ =0. Число свободных переменных определяет размерность

внутреннего базиса лесной экосистемы. После нахождения неизвестных а] методом прогонки решается трехдиагональная система линейных уравнений для определения весовых коэффициентов которые затем используются для расчета интегральных индексов по формуле (2).

Алгоритм расчета изолиний полей интегральных индексов экологического состояния на картосхемах лесных массивов в районе НПП. Расчет полей интегральных индексов включает три этапа. На первом этапе осуществляется построение зависимостей "доза-эффект" с использованием данных о концентрациях газовых выбросов и результатов расчета локальных интегральных индексов. На втором этапе проводится расчет полей среднегодового загрязнения лесных массивов. Для расчета полей среднегодовых накоплений загрязнений применялся расчет при помощи траекторной статистической модели методом перебора направлений, вдоль каждого из которых расчитывались траектории распростронения газового шлейфа, по одной траектории на каждую характерную метеорологическую ситуацию:

С(х,у) = Т1:Р,ТТГ(и)Р(<р)д(к,и<рх,у) (4)

к=\ К г } ' J ' J

где 7" - интервал осреднения, Я- вероятность к-ого класса устойчивости атмосферы, Р(<р) - вероятность данного направления ветра, Р(и) - вероятность данной величины скорости ветра, д - поле концентрации поллютанта, расчитанное по одной траектории для данного сочетания метеорологических параметров. На третьем этапе осуществляется расчет полей интегральных индексов по следующей формуле:

Е/х,у) = /у(С(х,у)) (5)

где: Г^(х,у) - поле ]-ого интегрального индекса, Ij{C) - соответствующая

зависимость "доза-эффект". При необходимости использования промежуточных значений, не представленных таблицей /у(С), применялся стандартный алгоритм

сплайн интерполяции.

Алгоритм экологического зонирования территории лесных массивов в районе НПП. Как отмечалось выше зависимости "доза-эффект" имеют форму логистической кривой, на которой можно выделить три равномерных участка. Таким образом форма логистической кривой, предоставляет критерий сегментации территории лесного массива на три экологические зоны в зависимости от того, в какую область логистической кривой попадает интегральный индекс данной точки на местности. Эти зоны условно были названы: имлактная, буферная и фоновая. Работа алгоритма экологического зонирования заключалась а построении линий уровня на поле интегрального индекса для граничных значений, соответствующих точкам экстремумов второй производной от логистической кривой зависимости "доза-эффект".

Алгоритм расчета показателей экологического риска для лесных массивов от НПП. Оценки экологической безопасности на НПП в настоящее время построены в основном на системе разовых и усредненных ПДК. При этом не учитывается вероятностный характер воздействия газового шлейфа на лесные массивы. Для учета этих особенностей был разработан алгоритм для количественных оценок экологического риска и предложена следующая расчетная формула:

K(K) = M[E] = ¡EP(.E)dE=¡EdE¡Q{E,D)P(D)dU (6)

где: R - оценка риска, М[...] - оператор математического ожидания, D -интегральная доза, полученная природной средой, Е - результитующий эффект воздействия газовых выбросов НПП, Q(E,D) - функция потерь, которая представляет собой условную вероятность ущерба Е при получении дозы D, P(D) - вероятность получения дозы, Р(Е) - вероятность ущерба. Для расчетов была использована статистическая траекторная модель. Поля концентрации квантовались на N уровней с шагом: дск =(ck)mix IN, где (с*)™, - максимальное значение концентрации по кому ингредиенту. Функция плотности вероятности приземной концентрации p(x,y,Ci<) по к-ощ ингредиенту рассчитывалась в каждой точке расчетной сетки при помощи стандартного алгоритма построения гистограммы.

Алгоритм расчета значений эколого-экономических критериев оптимизации. С учетом разграничения территории лесного массива на импактную, буферную и фоновую зоны получена формула для расчета нормализованного на всю площадь лесного массива S относительного ущерба в следующем виде:

Z> = ПА +пв =| Я (1-jIEk(x,y))dS + ± Я (I-jIEk{x,y))JS (7)

' SA k SB k

где: da ,d¡} - относительные экологические ущербы импактной и буферной

зонам выраженные в процентах от экологического состояния локального фона, Sa, Sb - площади соответственно импактной и буферной зон, индекс к - нумерует

фрагменты импактной и буферной зон, Ек(х,у) - поле интегрального индекса, рассчитанное по формуле (5) для к-го фрагмента. Абсолютный экологический ущерб может быть оценен, как сумма ущербов по отдельным показателям по следующей формуле:

= (8) п п

где: п - индекс показателя (например: запас древесины, высота пород, диаметр пород, продуктивность пород и пр.), 2п - абсолютный ущерб, нанесенный

НПП лесным массивам по л-ому показателю, р/,' - численное значение п-ого показателя для территории локального фона, Сп - стоимость ущерба на единицу п-ого показателя, О - относительные экологические ущербы расчитанные по формуле (7). Расчитанные по формуле (8) абсолютные ущербы необходимы для эколого-экономического анализа.

В третьей главе разработана архитектура и программно-информационное обеспечение автоматизированной системы эколого-экономического анализа воздействия НПП на лесные массивы (АСЭК), блок-схема которой представлена на рис.1. При расчете среднегодовых полей загрязнения каждая траектория расчитывается исходя из совокупности информации по параметрам источника выбросов, метеорологической информации и картографической информации о расположении элементов рельефа или застройки. Траектория со всеми своими параметрами может быть записана в бвнк данных. В главе дано подробное описание структуры информационного обеспечения АСЭК и описаны структуры следующих файлов баз данных системы: файла параметров источников газовых ^выбросов НПП, файла ингредиентов газовых выбросов, файла физико-химических параметров загрязнителя, файла данных для описания розы ветров, файла данных для описания погодных классов, файла для хранения координат узловых точек контуров картосхемы, файла параметров контура (файла контуров), файла измеряемых параметров лесного массива, файла данных о результатах измерения концентраций газовых выбросов, файла экономических показателей АОМ.

Приведены блок-схемы, описаны основные операции и режимы работы важнейших программных модулей АСЭК:

- программного модуля расчета полей интегральных индексов экологического состояния лесных массивов;

программного модуля расчета эколого-экономических критериев оптимизации воздействия НПП на лесные массивы.

Приведены также функциональные блок-схемы, описаны основные операции и режимы работы следующих программных модулей АСЭК: программного блока расчета интегральных индексов, программного блока расчета зависимостей "доза-

ффект", программного блока расчета полей интегральных индексов, программного гадуля расчета экологического ущерба, нанесенного лесам газовыми выбросами -1ПП. Разработана инструкция пользователю программного обеспечения штоматизированной системы эколого-экономического анализа.

Рис.1. Блок-схема архитектуры и программно-информационного обеспечения автоматизированной системы эколого-экономического анализа (АСЭК) воздействия НПП на лесные массивы.

Программная реализация АСЭК осуществлена с использованием СУБД CLARION 2.01, языка программирования TurboPascal 6.0, операционной системы MS DOS 6.0. Требуемый общий объем ДЗУ не менее 1 мб и ОЗУ 500 кб.

Четвертая глава посвящена разработке методик эколого-экономического анализа воздействия НПП на лесные массивы. В главе описаны результаты практического использования некоторых из этих методик для решения задачи экологического зонирования территории вокруг Московского НПЗ.

Методика экологического зонирования территории лесных массивов в районе нефтеперерабатывающего предприятия включает следующие этапы:

Этап 1. Определение зависимостей "доза-эффект" для конкретных типов лесных массивов, окружающих НПП. Этап 1 включает две стадии:

Стадия 1.1. Локальные измерения загрязнения лесных массивов, окружающих нефтеперерабатывающее предприятие.

Стадия 1.2. Локальные измерения фитоценотических параметров, окружающих данное предприятие, лесных массивов.

Этап 2. Определение граничных уровней загрязнения для импактной и буферной зон. Этап 2 включает 3 стадии:

Стадия 2.1. Расчет локальных значений интегральных индексов.

Стадия 2.2. Определение граничных значений интегральных индексов для импактной и буферной зон.

Стадия 2.3. Определение граничных уровней загрязнения для импактной и буферной зон.

Этап 3. Разграничение экологических зон. Этап 3 включает 3 стадии:

Стадия 3.1. Расчет полей атмосферного загрязнения среды вокруг нефтехимического предприятия.

Стадия 3.2. Расчет полей интегральных индексов и определение границ импактной и буферной зон.

Стадия 3.3. Расчет экологического ущерба, нанесенного химическим предприятием окружающим лесным массивам.

Указанная методика была практически использована для решения задачи экологического зонирования территории вокруг МосНПЗ по сернистому газу. Разработанная нами карта зонирования представлена на рис.2. В качестве основного газового выброса МосНПЗ выбран сернистый газ, который относиться к числу основных токсикантов, вызывающих деградацию и гибель лесных массивов.

Как видно из рисунка, импакгная зона отсутствует вокруг МосНПЗ, что обусловлено прежде всего сравнительно небольшими мощностями вредных выбросов (по сернистому ангидриду мощность выбросов составляет 9273 т/год). Буферная зона МосНПЗ частично захватывает территорию лесопарка в Кузьминках, что обусловливает вредное воздействие этих выбросов сернистого газа на растительность лесопарка.

Методика оценки экологического риска для лесных массивов от НПП. Разработанная в диссертации методика оценки экологического риска от газовых выбросов НПП характеризуется следующими отличительными характеристиками:

- в качестве функции потерь рассматриваются зависимости "доза-эффект" от воздействия газовых выбросов НПП на лесные массивы;

. - учитывается пространственная неоднородность полей загрязнения, что характерно для наличия рельефа и застройки;

- расчеты основаны на использовании траекторной статистической модели.

Методика прогнозирования сокращения размеров зон деградации лесных

массивов при уменьшении объемов газовых выбросов НПП. Для случаев сильного рассеяния, характерного для конвективной атмосферы, высоких труб и пологого

ьефа мозаика полей загрязнения является заметно сглаженной и среднегодовые центрации загрязнения приблизительно пропорциональны мощностям источника ¡росов. Эта примерная пропорциональность может быть использована для троения упрощенных алгоритмов прогнозирования сокращения экологических при снижении уровней газовых выбросов НПП. При этом следствием линейного ближения является возможность использовать для прогнозирования не 'порциональный сдвиг полей загрязнения, а противоположный сдвиг линии вня, что еще более упрощает вычислительную часть методики. Схематически ледовательные шаги разработанной методики прогнозирования сокращения логических зон вследствие снижения мощности источника показаны на рис.3.

Рис.2. Картосхема экологического зонирования по сернистому газу территории вокруг МосНПЗ (жирной линией показана граница буферной зоны).

Для практического нормирования газовых выбросов НПП разработана ециальная номограмма, позволяющая прогнозировать увеличение (уменьшение) н экологической денрадации лесов при соответствующем увеличении меньшении) мощности промышленного источника газовых выбросов.

Разработанные методики применены для прогнозирования изменения ззмеров зон деградации лесных массивов при изменении объемов выбросов грнистого газа на МосНПЗ. На рис.2 показана конфигурация буферной зоны вокруг осНПЗ, расчитанная по экологическому воздействию на леса сернистого газа. В эзультате практического применения методики было осуществлено

прогнозирование изменения размеров буферной зоны при двухкратном уменьшении и увеличении мощности выбросов сернистого газа, а также даны оценки воздействия выбросов сернистого газа МосНПЗ на лесопарк "Кузьминки".

Рис.3. Блок-схема методики прогнозирования изменения размеров зон деградации лесных массивов при изменении объемов газовых выбросов НПП.

Как видно из рис.2, граница буферной зоны проходит по лесопарку. Площадь лесопарка составляет Бо = 7.8 км2, а площадь буферной зоны на территории лесопарка составляет 3В1 = 2.1 км2. Определенный по зависимости "доза-эффект" интегральный индекс сохранности лесного массива примерно равен Ев = 60%. Тогда нормализованный на площадь относительный ущерб согласно (7) составит 10%.

Приведены результаты расчетов по реконфигурации буферной зоны в случае двухкратного увеличения объемов выбросов сернистого газа на МосНПЗ. При этом буферная зона будет занимать почти полностью территорию лесопарка и ее площадь должна составить примерно Бвг - 6.86 км2. Для такой конфигурации буферной зоны относительный ущерб должен составить около 35%.

Рассмотрен также случай двухкратного уменьшения объемов выбросов сернистого газа на МосНПЗ. Такое уменьшение выбросов может быть достигнуто путем усовершенствования производственных технологических процессов или

1утем внедрзния новых или модернизации действующих ХТС газоочистки. При этом территория лесопарка практически выходит из зоны влияния МссНПЗ. Площадь эуферной зоны на территории лесопарка составит около Без = 0.28 км2, а относительный ущерб будет равен 14%.

Проделанные оценки целиком и полностью касаются выбросов сернистого газа и только одного организованного источника. Для всестороннего прогнозирования экологического состояния лесопарка необходим учет воздействия на него всего комплекса загрязнителей, большинства мощных источников, включая автотранспорт, а также возможно влияние дальнего и трансграничного переносов.

Полученные результаты экологического зонирования территории вокруг МосНПЗ подтверждают объективную необходимость реконструкцию действующих на МосНПЗ установок поглощения сероводорода с получением элементарной серы и установок очистки газов от 302.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Проведен анализ современного состояния исследований по зколого-экономической оптимизации воздействия промышленных предприятий на лесные массивы. Проведен системный анализ НПП, как организованного источника газовых выбросов и разработана методика эколого-экономического нормирования газовых выбросов НПП, химических и нефтехимических предприятий, которая в отличие от существующих методик, основывается не на использовании значений предельно допустимых концентраций (ПДК) и выбросов (ПДВ), а на минимизации величины биологического ущерба, нанесенного лесным массивам газовыми выбросами. Для оценки биологического ущерба от газовых выбросов предложено использовать обобщенные точечные показатели - интегральные коэффициенты сохранности (ИКС) лесов, которые обеспечивают сжатие векторной многокомпонентной информации о показателях биологической деградации лесных массивов в комплексные точечные оценки.

2. Разработан алгоритм расчета интегральных индексов экологического состояния лесных массивов под воздействием газовых выбросов НПП, который в результате обработки баз данных фитоценотических параметров и баз данных о локальном загрязнении территории лесного массива расчитывает локальные интегральные индексы, необходимые для оценки воздействия газовых выбросов НПП на лесные массивы.

3. Разработан алгоритм расчета изолиний полей интегральных индексов экологического состояния лесных массивов в районе НПП, который осуществляет расчет пространственного распределения значения этих индексов с

использованием статистической траекторной модели распространения газового шлейфа от НПП к лесному массиву.

4. Разработан алгоритм расчета относительного биологического ущерба, лесным массивам от воздействия НПП, значение которого используется в качестве эколого-экономического критерия оптимизации, определяющего минимально вредное воздействие газовых выбросов НПП на окружающие лесные массивы.

5. Разработан алгоритм расчета показателей экологического риска для лесных массивов от НПП, в котором используется статистика траекторий полученная в результате применения траекторной статистической модели. Разработанный алгоритм позволяет получить изолинии полей экологического риска вокруг элементов рельефа или застройки, а также прогнозировать их реконфигурацию при изменении объемов газовых выбросов на НПП.

6. Разработана архитектура, основные компоненты программно-информационного обеспечения автоматизированной системы эколого-экономического анализа воздействия газовых выбросов НПП на лесные массивы, которые программно реализованы на языке BorlandPascal для MS DOS.

7. На основе разработанных алгоритмов расчета эколого-экономических оценок воздействия НПП на лесные массивы и показателей экологического риска создана научно-практическая методика экологического зонирования территории лесных массивов в районе НПП. Методика позволяет осуществлять выделение зон деградации лесных массивов и оценивать относительные биологические ущербы, нанесенные НПП лесному массиву. Указанная методика необходима также для оценки экономической эффективности мероприятий по реконструкции, модернизации, расширению объемов производства и внедрению новых химико-технологических систем газоочистки на НПП.

8. Разработанные алгоритмы и методики эколого-экономического анализа НПП практически использованы для решения задачи экологического зонирования территории вокруг МосНПЗ, а также для прогнозирования увеличения (уменьшения) размеров зон деградации и ущербов прилегающим лесным массивам вследствие соответствующего увеличения (уменьшения) мощности выбросов сернистого газа на МосНПЗ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: 1. Смотрич С.А., Никольский В.Э. Алгоритм расчета оценок экологического риска от нефтеперерабатывающего предприятия // В кн.: Тезисы докладов Х-ой Международной конференции молодых ученых и студентов по химии и химической технологии "МКХТ-96". - М.: РХТУ, 1996 (в печати).

Сельский Б.Е., Егоров C.B., Мешалкин В.П., Смотрин С.А. Архитектура и основные принципы построения АСУ ТП установок первичной переработки нефти // Приборы и системы управления. -1969. - N 9. - с. 19-23.

Давыдов Ю.А., Сельский Б.Е., Смотрич С.А., Никольский В.Э. Анализ эффективности декомпозиционного эвристического алгоритма синтеза оптимальных циклических систем ректификации многокомпонентных смесей II В кн. Тезисы докладов школы молодых ученых при Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии - ММХ10-96". - Тула: Госкомвуз, 1996. - с. 14-15.

. Говоров А.А., Давыдов Ю.И., Сельский Б.Е., Смотрич С.А., Никольский В.Э. Регуляторы с переменной структурой для оптимального управления процессами ректификации в производстве капролактана // В кн. Тезисы докладов школы молодых ученых при Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии - ММХ10-96". - Тула: Госкомвуз, 1996. - с.46.

з. Бутусов О Б., Мешалкин В.П., Смотрич С.А., Сельский Б.Е., Давыдов Ю.И Информационная система оценки риска для населения в районе химического производства // Химическая промышленность. -1996. -NI11.- с. 750-756.

5. Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., Сельский Б.Е., Смотрич С.А. Применение траекторной статистической модели "Трек" для анализа распространения газовых выбросов химических и нефтехимических предприятий с учетом теплового подъема газового шлейфа // Химическая промышленность. - 1997. - N 2.

7. Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., Сельский Б.Е., Смотрич С.А. Информационная система для экологического зонирования воздушного бассейна в условиях городской застройки II Химическая промышленность. -1996. В печати.

8. Сельский Б.Е., Смотрич С.А., Никольский В.Э. Архитектура и алгоритмы функционирования двухуровневой АСУ отделением ректификации // Международная научная конференция "Математические методы в химической технологии", ММХ-10: Тез. докл. Междунар. Конф. - Тула: Госкомвуз, 1996. - с. 182.

9. Никольский В.Э., Смотрич С.А. Повышение эффективности отделения ректификации производства капролактана из бензола // В кн.: Тезисы докладов X-ой Международной конференции молодых ученых и студентов по химии и химической технологии "МКХТ-96". -М.: РХТУ, 1996 (в печати).