автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Эколого-экономическое моделирование аэрологического воздействия предприятия на окружающую среду

/Б ОН

^ ^^Шт&тЗ^г^о общего и профессионального образования

Российской Федерации

Тульский государственный университет

На празах руксшрси

ШОДКЕВИЧ Сергей Вячеславович

ЗКОЛОГО-ЭКОНОМ11ЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО ЙО ЧДЕЙСГШШ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность 05.13.16. - Применение пычислглелыюи техники,

математического моделирования н математических методов в научных »сслсдовашмх

Автореферат

диссертации на соискание.ученой степени кандидата технически;; наук

Тул«. - 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Николай Михайлович Качурин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Валерий Иванович Иванов,

кандидат технических наук, доцент Владимир Генрихович Куперман

Ведущая организация - Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности

Защита диссертации состоится _ 1998 г. в -/4 час(

на заседании диссертационного совета К 063.47.10 в Тульском госуда ственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. (9-п уче шли корпус, ауд. 101).

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке Тульского государе венного университета.

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. технических наук, доцент

В.А. Ковещнико!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное», проблемы. Одной из актуальных задач, стоящих перст обществом на современном этапе, является совершенствование управления и повышение эффективности производства. В настоящее время рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окру жающуго срелу. Появилось важное понятие эколого-экономпческой системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных п природных факторов л окружающем человека мире. Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придаст особую актуальность проблеме создания алек ватных зколого-эколомических моделей.

Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу в условиях паучно-техннческой революции, се положительные и отрицательные последствия, возможности оптимизации этого воздействия требую! глубокого изучения. При этом особое значение приобретает поиск научно обоснованных форм и масштабов производственной деятельности челове ка, обеспечивающих рациональное использование природных ресурсов и получение необходимой полезной продукции без пагубного влияния на природную среду.

Решение задачи определения оптимальных капиталовложений в при родоохрапные мероприятия для промышленного предприятия позволит получить предприятию максимально возможную прибыль при условии снижения техногенной нагрузки на окружающую среду до'предельно до нустимого уровня, установленного нормапш'ными документами. Зная это решение, можно установить систему штрафов за выбросы загрязнителей сверх предельно допустимого значения таким образом, чтобы разность ме жду максимальной прибылью предприятия и штрафом в случае превышения норматива была меньше максимальной прибыли предприятия в случае ограничения выбросов предельно допустимым значением, т.е. поставить предприятие в такие условия, когда ему не выгодно превышать предельно допустимые выбросы.

Таким образом, эколого-экономическое моделирование воздействия предприятия на окружающую является актуальной научно-технической проблемой.

Диссертационная работа выполнялась в рамках тематических планов МНТП "Прогноз", "Экологически чистое горное производство" и федеральной цечепой программы "Интеграция"'.

Целью работы является установление новых и уточнение с>шестую щих критериев, определяющих раиионаньиые размеры катпаловтожеппй ;> природоохранные мероприятия на промышленном предирЦамш на 'чличт: математического моделирования диффузионно! о перст«'« "лгря чип елей г атмосфере и анализа жопого-зкопомпчоской системы ''нрочт ипатны-: предприятие - окружающая среда".

Идея работы заключается в том, что в качестве критериев рациональ-, мости затрат на природоохранные мероприятия используется минимальное значение свертки множества абиотических экологических параметров окружающей среды с оценкой допустимых значений внешних воздействий из решения диффузионной задачи для совокупности точечных источников загрязнения атмосферы.

Основные научные положения работы заключается в следуквдем; наиболее общим видом модели воздействия на окружающую среду является загрязнение атмосферы совокупностью точечных источников;

магматическое описание промышленного предприятия как объекта загрязнения окружающей среды может быть представлено в виде агрегированной модели, учитывающей зависимость затрат на экологические мероприятия от количества выпускаемой продукции и степени очистки пылега-зовых выбросов;

цель предприятия определяется как максимизация собственной при-, были при ограничении на выбросы загрязнителей, где в качестве управляющих переменных целесообразно принять количество выпускаемой нро-дукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов);

задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия для промышленного предприятия в. общем случае является задачей нелинейного программирования, которую можно привести к задаче одномерной оптимизации;

установление ограничений на выбросы загрязнителей (предельно допустимых выбросов) осуществляется таким образом, что бы концентрация вредного вещества в любой точке рассматриваемой области не превышала ЦДК, а концентрация вредного вещества рассчитывается на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентно]'! диффузии;

Новизна основных научных положений:

исследованы основные закономерности распределения примеси в атмосфере на, основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент "скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии для произвольного количества точечных источников загрязнений;

' сформулирована и решена задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия на промышленном предприятии, в качестве критерия оптимизации выбрана максимизация собственной прибыли предприятия, в качестве ограничения - непревышение предельно до пустимых выбросов загрязнителей, в качестве управляющих параметров предложены количество выпускаемой продукции и степень очистки загряз нптелей (улавливания выбросов);

сформулирована задача определения предельно допустимых выбросов для группы промышленных предприятий с ограничением на превышение концентрации вредного вещества в любой точке рассматриваемой об пясти предельно допустимого значения и предложен алгоритм ее решения;

разработан пакет прикладных программ для ПЭВМ, реализующий решение сформулированных задач применительно к условиям промышлен-но развитых регионов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендации под

тверждается:

корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, нелинейного программирования, теории игр, численных методов, современных достижений вычислительной техники;

большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения поставленных задач, а также результатами обобщения натурных наблюдений.

Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при наличии фактической информации о метеорологических параметрах окружающей среды и экономических показателях предприятий могут быть использованы при разрабопсе территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экоиомическим критериям и контроля выбросов .загрязнителей в атмосферу.

Лнробашш работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда п окружающей средыТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), 1-й Международной конференции "Про блемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологи!! добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г.Тула! 1996 г.), 2-й Международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом" (г. Тула, 1996 г.), 1-й Международной конференции по проблемам экологии' п ^безопасности жизнедеятельности "Паука к экологическое образование. Практика и перспективы" (г. Тула, 1997 г.), научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования Тульского областного общеста охраны природы 'Экология и общественность" (г. Тула, 1997 г.), 2-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" (г. Тула, 1998 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 7 работ. . -

Объем работы. Диссертационная работа изложена па 160 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 разделов и заключения, содержит 7 таблиц, 20 рисунков, список литературы, из.105 наименована;!.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за ме!одическую помощь н поддержку при проведении научных исследований.

ь

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Фундаментальные теоретические положения и практические рекомен дацин разработки и использования математических моделей для оценки воздействия промышленных, предприятий на окружающую среду сформулированы в трудах М.Е. Берлянда, О .П. Бурматовой, А.Б. Горст ко, A.A. Гусева, Г.И.'Марчука, H.H. Моисеева, Е.В. Рюминой, Е.П. Ушакова, Г.В. Ша-лабина и др. Анализ работ в области эколого-зкономического моделирования и моделирования распределения вредных примесей в атмосфере пока зал, что современная теория экономико-математического моделирования является перспективным научным направлением математической экологии.

В настоящее время назрела необходимость создания единого банка моделей, интегрирующего в себе как модели биосферных процессов и явлений, так и модели экономической активности, причем большое значение имеет создание моделей, которые легко (с точки зрения информационного обеспечения) могли бы применяться на практике.

Теоретический анализ последствий загрязнения воздуха и воды, эко комическая оценка ущерба и создание на базе эгих исследований методических основ определения эффективности капиталовложений в природоохранные мероприятия невозможно без знания процессов распространения загрязняющих веществ. Анализ работ, посвященных исследованию распределения примесей в атмосфере показал, что в работах, проводившихся в нашей стране, большей частью избирался путь решения уравнения турбулентной диффузии.

Цель, идея и современное состояние знаний по рассматриваемой проблеме обусловили необходимость решения следующих задач:

1. Выполнить анализ и обобщение результатов наблюдений техногенных воздействий на окружающую среду промышленно развитого региона.

2. Разработать эколого-экономическую модель предприятия как источника загрязнения окружающей среды, математическую модель рассеяния вредных примесей в атмосфере, сформулировать и решить задачу определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия для промышленного предприятия.

3. Разработать алгоритмы реализации математических моделей, создать на их основе комплекс программных средств, провести вычислительные эксперименты, выполнить анализ результатов вычислительных экспериментов и оценить адекватность математических моделей.

4. На основе полученных результатов разработать алгоритм определения рациональных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия, а также методические рекомендации по использованию полученных результатов при разработке автоматизированной территориальной системы управления предприятиям:; но эколого-экомомичеекнм кшпериям.

В каченве обьскы для исследования техног енных воздействий на ок-р\ жаыишо среду выбрана Тульская обнасш. В промышленном центре Рос-

сии Тульская область одна из самых индустриальных, имеет развитой, аграрный сектор. Это предопределяет критическую степень техногенного загрязнения и ¡антропогенной нагрузки территории.

Загрязненность атмосферы токсичными веществами во многих районах области является весьма высокой. При этом максимальная загрязнен носгь имеет место в Туле и в районных центрах, где расположена большая часть предприятий.

Принятие ряда законодательных актов (Постановление Правительства РФ от 08.12.92 г. №946 "О проведении в Тульской области эксперимента по отработке экономических, организационных и правовых, методов и механизмов экологического оздоровления ее территории и охраны здоровья населения" и №732 "О программе экологического оздоровления экологиче ской обстановки и охране здоровья населения Тульской области на 19931998 годы") позволяет рассматривать область в качестве экспериментального полигона для внедрения и апробации современных разработок по охра не окружающей среды.

Количество выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по Туль ской области устойчиво снижается. Однако уменьшение количества загряз няющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, происходит не в результате проведения природоохранных мероприятий, а вследствие падения обьемов производства На предприятиях области. Уменьшение эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу благоприятно отражается на экологической обстановке в регионе. Однако в промышленно насыщенных районах, уровень загрязнения.воздуха остается достаточно высоким, и для нормализации экологической обстановки в области по-прежнему требуется поведение природоохранных мероприятий.

На территории области работает 5763 предприятий, выбрасывающих в атмосферу 240 различных загрязняющих веществ. Основными загрязняющими веществами являются: пыль, диоксид серы, оксиды азота, оксид угле рода, углеводороды. Очевидно именно они и определяют загрязнение атмосферы региона. .

Наибольшее число промышленных предприятий, дающих около 92% всех выбросов, расположено в Алексинском, Суворовском, Ефремовском, Новомосковском, Узловском, Щекинсхом районах и в г. Туле. Причем наибольший вклад в загрязнение воздушного бассейна приходится на долю 17 крупных предприятий.

Наибольший вклад в загрязнение атмосферы (по объему выброса) вносят предприятия энергетики (48% от общего выброса по промышленно сти области), топливная промышленность - 4%. металлургия - 32,7%). химн ческая и нефтехимическая промышленность - 4,3%, машиностроение и металлообработка •••2,7%, промышленность строительных материалов - \% Помимо промышленных выбросов, ежегодно в воздушный бассейн облает выбрасывается значительное количество загрячпягощих вешест от авгомо бального транспорта, которые составили в 1906 году - 172.250 тыс. тонн Процент уловленных и обезвреженных вредных веществ остается гфлкш'?-*

ски неизменным на протяжении десяти последних лет и составляет около 20%:

При моделировании предприятия как источника загрязнения окружающей среды основное внимание было уделено вопросу моделирования распределения вредных примесей в атмосфере.

Модель распределения вредных примесей в атмосфере строится на основе решения уравнения диффузии, имеющего вид

д- д . ч д , . д , , д —- + — (си) 4 — (cv) (- — (cw) = — St дх ду dz ох

+ -

ду

(DM+DTy)?-дУ

дг.

(DM + DTZ)

(DM+DTX), дс

дс

+

dz

дх_ + I(x,y,z,t),

П)

где с(х, у, г, t) - концентрация примеси в точке с координатами (х, у, z) в момент времени t; u, v, w - ортогональные компоненты скорости ветра; DM -коэффициент молекулярной диффузии; Dm, Drj, Drz - коэффициенты турбулентной диффузии в направления оси х, у, z соответственно; 1(х, у, z, t) - интенсивность источника выделения примеси. В общем случае ортогональные компоненты скорости ветра и коэффициенты диффузии зависят от координат и времени. Реальные значения коэффициентов молекулярной диффузии пренебрежимо малы ло отношению к значениям коэффициентов турбулентной диффузии, и, как правило, их опускают.

Исходными данными для решения задач атмосферной диффузии являются начальные' и граничные условия; ортогональные компоненты скорости; значения коэффициентов турбулентной диффузии; закономерности, описывающие интенсивность выделения вредностей из источников. Об источнике выбросов должна быть в наличии следующая информация: расположение (х, у), м; мощность выброса I, г/ с; высота трубы Н, м; радиус трубы Re, м; температура газа Т», К; скорость потока газа щ, м. Значения радиуса трубы, температуры и скор'ости потока газа наряду со значением температуры окружающего воздуха используются для определения начального подъема примеси.

Решение уравнения диффузии примеси в атмосфере (1) получить весьма непросто. Поэтому в каждом конкретном случае это уравнение пытаются упростить, вводя физически обоснованные допущения. Такой подход позволяет эффективно использовать численные методы решения уравнений в частных производных. 13.ряде случаев можно получить и аналитические решения уравнения (1). Наиболее простой ситуацией является распростра неииг вредно!! примеси от одиночного точечного источника при постоям иых значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов -¡уроулеш'ной диффузии. В этом случае уравнение (I) имеет вид

дс дс дс

— + 11— + V— + VV

St

дс /т_ \Э2с \дгс t /г. \Э2с

5х ■ бу 3z * 1A/Sx' 1 '"ду' + Io(t)8(x)8(y)6(z - Н),

где (DTX), (Dry), (DTZ) - средние значения коэффициентов турбулентной

диффузии, 10(0 - производительность источника (т.е. масса газа, выделяющегося в единицу времени), 5 - дельта функция Дирака. В качестве начального условия выберем условие

ф, у, Z, 0) = 0,

(3)

т.е. начальное значение концентрации равно нулю. В качесгве граничного условия выберем граничное условие второго рода

дс dz,

= 0,

(4)

z=0

означающее, что массоомен между атмосферой и земной поверхностью, отсутствует.

Решение уравнения (2) с начальным и граничным условиями (3), (4) находится методом изображений и имеет вид:

expl

с(х, у, z, t)

О (,/r^)3 Ы

Ш3

V Л

4(1-т)

.2 ^

-ехр

<t-x)

+ w | expfhrj) ехр о

х? -нуГ (z, +Н,

nt-т)

dr) > dt,

J

(5)

где

Ь = ^От:1у1±у2(огуу1 ■i-iz-H-H)2^)-' ,

г

к, = 0,5^и2(Отх)~' 4 У2{Оту)-1 + мг2(0Т2)-' .

В этом случае функция с(х, у, г, Ц описывает нестационарное распределение вредностей в атмосфере при.наличии ветра, которое наблюдается в течение начального периода времени с момента действия источника выделения вредностей. Затем поле концентраций стремится к динамическому равновесию,'которое является стационарным состоянием поля концентраций, кото рое характеризуется полем концентрации, не зависящим от времени, т.е. в описывается уравнением

2 2 5с 5с- 5с ,3 с /_. \Э~с \3 с

+ 1„8(х)5(у)8(г-Н), (6)

Решение уравнения (6) с граничным условием (4) находится методом изо брцжений и имеет вид

bexpfVyO

с(х. У, 2) - -. .. Л .. х

4^(DTX)(DTy)(Dlz)

xexp[0,5(ux{DTA)"1.+ v\(D0) ' wz{D.„)~' )]x ïxpf-kja) exp(-kjb) ™exp(hÇ)exp[-k|k2] ,

f

wj-

t vv---------------u

V a ^ -0 k 2

l'7)

где

^ = /ч2(Огх}-' + У2^)^ -1-(г i 4 +I1)2(Отгу[,

Зергикальную составляющую скорости чу положим равной нулю. О г метим, что это - общепринятое приближение, обусловленное тем, что вертикальная составляющая скорости на два-три порядка меньше горизонтальной. Полагая, например, что система координат выбрана, таким образом, что ось Ох совпадает с направлением ветра, - можно положить, что также\=<|.

С учетом лнх допущений формула (7) примет вид:

с(х, у, г)

4 ж^О^О ту Гех}(о,5и{Р.Гх)~0'5(х(Р1Х)~°'5 - а|

+

V

ехр(о,5и(Ртх)-0-5(х(РГХ)-°-5-ь|

а формула (6) примет вид:

с(х, У, 2, =

ехр

/ ? ^ 111

4{РТ

(2^)3,/{Р1Х)(0Т7){Р1

I

х1-

О

10(т:)ехр

( 2 ^ II "С

4{Р,

№

ехр

f а2^

+ ёхр

4(1 -т)

•ск. (9)

При и = О формулы (8) и (9) будут описывать стационарное и нестационарное распределение вредностей в атмосфере при штиле соответственно.

В случае нескольких источников выбросов концентрация примеси равна суперпозиции концентраций от единичных источников.

Пусть г,=(Х), у,) - горизонтальные координаты ¡-го источника выбросов высотой Н, и производительностью 1 1 = 1,...,п. Тогда в формулы для определения концентрации вредного вещества (8), (9) вместо значений х и у следует подставлять значения (х,- х,) и (у - у;) соответственно, а вместо значении II и I, значения Н) и I, соответственно. Тогда общая концентрация от и источников равна

-Г!(х, У, 2) ^ £сДх,у,г),

1=1

(Ю)

гдес,(х,у, г) = с(х-у - у„г), ; = 1,...,п.

На основании приведенных формул проведено исследование особенностей атмосферной диффузии легкой примет) в приземном слое воздуха. Возможное распределение примеси в атмосфере ппедспшлено па рис. ! для

/

случая трех точечных источников, расположенных в точках Г| = (0 , 0), г2 -= (1000, 0), г3 = (500, Ш0) на высоте Н1 = Н2 = Нз - №0 м, производительностью Ь = 12 = 13 = 1 г/ с при и = 4 м/с, (Ртх) = (р1у) = 2 ы2/с, (рт£) ~ 20 м2/с,

высота наблюдения ъ - 1 м. . ,

Установлено, что характерной особенностью распределения наземной концентрации с(х, у, 0} по оси х (т.е. при у = 0) является наличие максимума ее ст на расстоянии х,„ от источника. От оси х в поперечном направлении у концентрация убывает симметрично по экспоненциальному закону, причем с ростом х это убывание замедляется. Основная часть примеси, таким обра зом, сосредоточена в сравнительно узкой струе примеси (или факеле), ось которой соответствует у = 0.

Эта информация является основой для того, чтобы в каждом частном случае можно было бы сформулировать ограничения по экологическому фактору для конкретного предприятия.

Неоклассическая теория фирмы основывается-на предположении, что цель фирмы заключается в максимизации прибыли путем выбора видов затрат, ири заданной производственной функции и заданных ценах выпуска и ценах затрат (оплатах факторов производства). При этом возникает необ ходимость решения задачи определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия на промышленном, предприятии.

Тогда цель предприятия определяется как максимизация собственной прибыли при ограничении на выбросы загрязнителей. В качестве управляющих переменных выбраны количество выпускаемом продукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов).

В математической постановке задача имеет вид:

. (И)

шеи (>2)

где С| = 7 - а; Сз = рЬ - А.К; [1 - обьем продукции, выпускаемой предприятием за единицу времени; К - основные производственные фонды; Ь - трудовые ресурсы; П;щч = Г(К,Ь) - максимально возможный обьем выпуска продукции при фактических значениях объема производственных фондов и трудовых ресурсов; а - степень очистки (улавливания); агазх < 1 - максимально вошожная степень очистки (улавливания); у - оптовая цена продукта II; ст - оборотный капитал на единицу продукции; [3 - норма заработной платье - норма амортизационных отчислений; о - количество образования отходов на единицу продукции; е(ыи) = а^(а) - функция стоимости очистки шрязншелен (улавливания выбросов), образующихся на единицу продукции, от степени очистки; - значение предельно допустимого выброса ;пн рячшпеля.

(С( - о)£;(а))1^ - С2 тах, (1 - а)юГ1 < 1тцк, 0 < а < апт, 0;:П < Пшач =

а)

с.г/м1

3.0675И-03

а .зоо£«--п?>

1.917Ев-05 I.5330В-ОЗ I. 1503<--П3

бООО 5Я37.5

X - Я

а - з, з-з

1-Я

3 - я. е - 1,

7 - I . О - 1 .

4 - 1

го- 7.

11- я.

12- 2 . 1.-1- 1.

Я'.IV,

799 1е-0*5 ОТ5

293«-ОЗ (1:!'?'».' ГГ!

Я0П7«- ПЗ

7-1 ЗЗе-ОА гм8«-Об

Рис. ! 1 рафик (а) и ;тшши уровня (См ьстми р-нгни причин'

Точечных 1!П'1ЧИ!!1 лш

Рассмотрим сначала случай, когда функция стоимости очистки выбросов дискретна, то есть можно достичь только конечное число уровней очистки аь £*2, а,,,.

Стоимость очистки единицы загрязнителя соответственно gь ..., Ищ. Тогда задача (11) - (12) принимает вид:

(Ci - cogi>ni - С2 шах, (13)

0<ПГ< min

А I Л

*rnax |-j (l-ttj)®'

max

у

,i=l,2,...,m. - (14)

, то есть решение

Функция (Ci - ßgOn - С2 - линейная возрастающая и, следовательно,

Г I Л

достигает максимума в точке n¡ = min —r""\ , Ilmax

Ц1 -ajjco - )

задачи (I3>-(14) имеет вид:

Р* = шах ((Ci - cogí) П* - Сг), i - 1,2,..., m. (15)

Если функция стоимости очистки выбросов непрерывна, то получаем задачу (11) - (12), которая является задачей нелинейного программирования, и для ее решения можно применить стандартные численные методы решения задач нелинейного программирования, например, метод штрафных функций.

Можно показать, что задача (11) - (12) эквивалентна задаче

<p(a) = J7;—ч-->тах. (16)

(1-я)

О < a < a0,

где ссо= min(ä ,amax), a - решение уравнения cog(a) = С]. Задача (!6)'является задачей одномерной оптимизации, и ее решение а* может быть определено с помощью стандартных численных методов.

Затем определяется Г1* = т"—.

(1 - a *)о

Для определения значения предельно допустимых выбросов рассматривается следующая задача. Будем предполагать, что в некотором районе расположены п промышленных предприятий, выбрасывающих в атмосферу загрязнители. Для простои.! предположим, что они выбрасывают одно и то

ли. Для простоты предположим, что они выбрасывают одно и то же вредное вещество. Требуется определить максимально возможные значения предельно допустимых выбросов для каждого предприятия при условии, что концентрация вредного вещества не должна превышать значение ПДК ни в одной точке охраняемой территории Б. Заметим, что общая концентрация вредного вещества является суперпозицией концентрации вредного вещества от каждого источника выброса. В математической постановке эта задача будет выглядев следующим образом:

(17)

(18)

От многокритериальной задачи перейдем к однокршерналыюй, заменив условие (17) на

. Ьгоах, -'»ах. (19)

¡=1

Условие (18) представим в виде

,тах ¿1П1а с|(ч,у,г)<ПДК, (20)

где - концентрация в точке (х, у, г) вредного вещества, выбрасывае-

мого источником ¿-го.предприятия при интенсивности выбросов, равной 1 г/с.

Заметим, что задача

п

тах (21)

¡=1 ^ (х,у,г)=8

является задачей нелинейного программирования, и для ее решения можно применить стандартные численные методы решения задач нелинейного программирования. Отметим, что в задаче (21) иглевгя функция является многоэкстремальной, что придает большое значение выбору начального приближения. Предлагается начальное приближение дыбпрать графически, построив график или линии уровня целевой функции.

Для определения решения задачи (17) — (19), учитывая, чго целевас функция является монотонно возрастающей но каждой переменной, предложен следующий алгоритм:

Ьпах, тах> \=1,2,...,П, тах ¿с((х,у,г)<ПДК.

Lllar ¡.Определим начальные значения Jm;1Xi = u>iiim<lXi , i=l,..., п.

п

Шаг 2. Вычислим с* = max £lmax с';(х,у, z), решив задачу (21).

(x,y,z)c£ ¡=1 ■ '

Шаг 3. Если с* < ПДК, то конец алгоритма.

* п ~

Шаг 4. Для каждого j - 1, 2, ..., и вычислим с; = шах ]П^(х,у,2),

(x,y,z)eSj = 1

где I, = 11ШХ,- AI; I, = lmax , i ^ j. Выберем с* = min с]. Положим ' ' j=l,2,...,ji

In.axK = ImaxK ~ AI- Переход на шаг 2.

Для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" можно сформу/шровать задачу экономического компромисса в терминах теории Гермейера-Ватедя и.построить "институт согласия" (решение, он тнмальное по Парето) для ее решения.

Предположим, что существует и равноправных субъектов Aj, каждый из которых вправе установить для себя значение предельно допустимого выброса 1,рах . Субъекты Л, стремятся к достижению не только своих собственных -"эгоистических'' целей, описываемых функцией Pi(lmax,)

■ M'i(X.) max,

но и ic достижению некоторой общей цели, описываемой функцией Qfrmax, ' V'' 'max,, ) =" Q^max," Хь'-'Лпшц ~Xn) 5. W(x>, Ъ):

W(/J,..., Xn) max,

где

Ofrmax >'" Дтах )=Qmax , max ZW Cj(x,y,z)

(x,y,z)eSii=i (a *

Qmax = , '«ax V lma c{ (x, y, z) (x,y,z)sSVi=|

!max ^ш|Пп.ах,

max, - '-"i1 'ira.x — xmaXj >

: <bp*

! - 1 i vmaxj i max, •

Целевая функция описывает "внутренний" интерес субъекта Л„ ЩХь общественный. . -

Эта задача является задачей-теории Гермеиера-Вателя. Рассмотрим правила построения специального коллективного оптимального по Парето решения этой задачи, названного академиком H.H. Моисеевым "институтом-согласия".

Предполагается, что предприятие должно уметь соизмерять спои нн тересы. Другими словами, оно должно уметь ввести некоторый коэффициент Xi, соизмеряющий критерии щ и W, т.е. и W и имеют по величине один порядок. Это означает, что чем меньше Aj, тем большее значение субъ ект Л(, придает своему внутреннему (эгоистическому) критерию' \|i,.

Введем функции Ф,(хь -•> Хп). описывающие структуры интересов i-ro субъекта:

Ф1 шах, Oj = min{W(xi, Xn), V['i(Xi)}- (22)

%\

Функция W монотонно возрастает по хь Хл> функции чл(хО - монотонно убывают по

Согласно теории Гермеиера-Вателя, в качестве принципа прпнчтш решения примем условие равновесия, т.е. такой выбор переменных - i*.. который удовлетворяет условиям

( * *>к* * \ = тахФ| (х 1, ■ ■ •, X i"-1-. Xi. X н I.''". X л)

Примем такую нумерацию объектов, при которой i<j, если ^уДО) : Согласно теории Гсрмейера-Вателя для того, что бы система чнссч Xl определяла ситуацию равновесия, необходимо и достаточно, что Ор нашлось такое число к, при котором & (¡£10 были решениями уравнении

VV(xIv-,XbO,...,0) = XiH/1(Xi),'i= 1, ...Л, 03)

а функции Я,v(/j и значение для i = k+1.....п удовлетворяет nepaneiici

вам

?Ч^(0) -- ?ч Pj if. ) < W(xl,... -xl, 0.....(»),

(M

где х* - решения уравнений (23), s<k.

Условия (23) имеют (и притом единственное) решение. Заметим, что выделение субъектов, которые не участвуют в достижении общей пели, может быть приведено только апостериори, после решения уравнении (23).

Однако ее практическое применение задачи экономического компро мисса затруднено в силу сложностей, возникающих ггри определении пара метров соизмеряющих значения целен для отдельных субъектов, по скольку при соизмерении показателей весьма большую роль играет субъек тштыи фактор. Единственный способ преодоления этой проблемы - мпо гократное повторение операций: в процессе этого повторения субъекть имеют возможность уточнить значения коэффициентов, соизмеряющих и> целевые функции.

„ Как показывает практика, достижение желаемого уровня чистоты атмосферы не может основываться на "молчаливом" предположении. чго установленные нормативы выбросов будут выполняться всеми предприятиями региона. Необходимы, штрафы за выбросы, определяемые на осно ве моделей "гибкого" управления и отчисляемые из прибылен нредпри ятий. Зная решение задачи определения оптимальных капиталовложений г природоохранные мероприятия для промышленного предприятия, можне установить систему штрафов за выбросы загрязнителей сверх пределык допустимого значения таким образом, чтобы разлость между максималь нон прибылью предприятия и штрафом в случае превышения норматив; была меньше максимальной прибыли предприятия в случае ограниченш выбросов предельно допустимым значением, т.е. поставить предприятие { такие условия, когда ему не выгодно превышать предельно допустимы! выбросы.

Для проведения вычислительных экспериментов на основе получен 'пых математических моделей был разработан комплекс прикладных прс грамм для ПЭВМ на -языке Turbo С 2.0, который после соответствующе адаптации при наличии проблемно-ориентированного банка данных, в кс торый должны быть включены следующие базы: аэрометрическая, эмисо онная, экономическая, технологическая. Используя эти базы,-с иомощы разработанного комплекса программ па основе краткосрочного прогноз состояния атмосферного воздуха можно производить динамическое hoj мпропание предельно допустимого выброса каждого источника и оиред< ление значений штрафов за превышение предельно допустимог о выброса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссерпщноннол работе дало новое решение актуальной проблем .моделирования оптимальных капиталовложений в природоохранные м роприяиш дпя промышленного предприятия, позволяющее получить прс: приятию максимально возможную прибыль при условии сНнжснпч аэро/и

гической нагрузки на окружающую среду до предельно допустимого уровня, установленного нормативными документами.

Основные научные ц практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что на территории каждого промыШленно развитого субъекта Российской Федерации в центральном регионе России объектами эколого-матеиатического моделирования могут быть несколько тысяч предприятий, выбрасывающих в атмосферу более двухсот различных загрязняющих веществ.

2. Рекомендуется на первом этапе разработки зколого-математи'ческой модели административно-территориальных подразделений рассматривать каждое предприятие отдельно, создав фреймовые модели по конкретным видам воздействий на окружающую среду. При этом приоритет отдается, прежде всего, воздушному бассейну, являющемуся средой обитания человека.

3. Исследованы основные закономерности распределения примеси в атмосфере на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и козффи цнентов турбулентной диффузии, позволяющие задать ограничения для критерия экономической оптимальности предприятия по аэрологическому фактору, и показано, что линеаризованные модели диффузии от точечных источников можно применять для метеоусловий центрального региона Рос сии.

4. Сформулирована и решена задача определения оптимальных капи таловложений в мероприятия по очистке выбросов загрязнителей в атмосферу на промышленном предприятии. 13 качестве критерия оптимизации выбрана максимизация собственной прибыли предприятия, а в качестве ограничения приняты предельно допустимые выбросы загрязнителей, при которых расчетная концентрация поллютантов п приземном слое пе превышает предельно допустимых концентраций.

' 5. Сформулирована задача определения предельно допустимых выбросов для группы промышленных предприятий с ограничением на превышение концентрации вредного веШества в любой точке рассматриваемой области приземного слоя атмосферы предельно допустимого значения, разработаны алгоритм и программа численной реализации задачи.

6. Сформулирована задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" и предложен алгоритм построения решения; оптимального по Парето. Разработан пакет приклад иых программ-дал ПЭВМ, реализующий решение сформулированных за дач.

7. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при. наличии фактической информации о метеоролог нческнх параметрах окружающей среды и экономических показатетях предприятий могут быть использованы при разработке территориальной аптомашшро ванной системы управления предпрнятями по "жо.тосо-зкопочцчл'ким критериям и контроля выбросов заг рязнителей в ;п м<»сферу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Качурин Н.М, Шейнкман Л.З., Людкевич C.B. Методические принципы моделирования эколого-экономических систем // .Тезисы докладов 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства". -Тула, 1996..-с. 128- 129. .

2. Качурин U.M., Шейнкман Л.Э., Людкевич C.B. Принципы моделирования систем экологической и технологической безопасности // Тезисы докладов 2-й Международной конференции ро экологическому образованию "Между школой и университетом". - Тула, ! 936. - с. 370 - 373.

3. Качурин Н.М., Людкевич C.B. Разработка способа эколого-экономического управления техногенным воздействием на окружающую среду // Тезисы докладов 1-й Международной конференции но проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы". - Тула, 1997. - с. 429 - 432.

4. Качурин ILM., Людкевич C.B. Математическое моделирование стационарного' распределения вредностей в атмосфере -при штиле / / Известия ТулГУ. Серия 'Экология и безопасность жизнедеятельности" - Тула, J 997. - с. 107 - 112.

5. Качурин Н.М., Людкевич C.B. Разработка способа эколого-экономического управления техногенными воздействиями на окружающую среду // Тезисы докладов научно-практической конференции, посвященной 50-летшо образования Тульского Областного общества охраны природы 'Экология и общественность". - Тула, ¡997. - с. 37 -39,

6 Качурин Н.М., Людкевич C.B. Определение оптимальных размеров капиталовложений в природоохранную деятельность на промышленном предприятии // Тезисы докладов 2-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы.". - Тула, W'i.-c. 168 -г 169.

7 Качурин Н.М., Сычев АЛ!., Людкевич C.B., Гогов С.Г. Оценка воздействии технологического комплекса "Углегьз" на окружающую среду II Известия ТулГУ. Се рая 'Экология и безопасность жизнедеятельности" - Тула, 1998. - с. 194 - 210

IhuiMtcauo » iieialb ' -'■ •* ормат бумаш 6Ух84 Uli. Бумага п.иоцмфсказ Ла 2 Офа-шам lu-Mib. Усл. веч. л. .Уиькр.-иг,. ». • ' .Уч. ада. А / с'

Тщ|.1А j ; ,Ы1. Заказ S ' ' .

1>м.сы|й iucyjuptiBiiiiiLiii уинсерсигст. 3(1в6»0, г. Ту ли, .¡р. Ленина, 52. IV lak-idiiMiii )- uj.Mie.'iM'Kiiü ucui|i Ту.игкого юсударственнсг«. униг.£гс,!icii,. JliW)«>,i. ¡y.ia.y.i. üiji.uiuai 15t

/ 1 ../ I - )

О 7 ; -

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Тульский государственный университет

ЭКОЛОГО-ЭКСНОМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Специальность 05.13.16. - Применение вычислительной

техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в области технических наук)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Качурин Николай Михайлович

. Л / у ■') и Ух - и / / Л- V/

Тула - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................... 5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ ............................................ 12

1.1. Моделирование эколого-экономических систем ......................................................................12

1.2. Моделирование загрязнения окружающей среды ...................................... 32

1.3. Методы оценки загрязнения атмосферы и их связь с действующей нормативной базой ... 40

1.4. Примеры экономико-математических моделей, учитывающих воздействие предприятий на окружающую среду ........................ 45

Выводы ....................................... 4 9

Задачи исследований .......................... 51

2. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ...... 52

2.1. Обоснование и выбор объекта исследований. 52

2.2. Анализ динамики выбросов загрязнителей в атмосферу на территории Тульской области ...................................... 55

2.3. Виды загрязнителей атмосферы и их доля в валовом выбросе на территории Тульской области ................................. 62

Выводы ....................................... 72

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ КАК

ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ........ 7 4

3.1. Основное уравнение диффузии примесей в атмосфере ............................... 7 4

3.2. Исходные данные для решения задачи диффузии примесей в атмосфере ................ 81

3.3. Примеры аналитических решений уравнения диффузии для точечного источника ........ 8 7

3.3.1. Стационарное распределение вредностей в атмосфере при штиле ....... 88

3.3.2. Нестационарное распределение вредностей в атмосфере при штиле ..... 90

3.3.3. Стационарное распределение вредностей в атмосфере при наличии ветра. 92

3.3.4. Нестационарное распределение вредностей в атмосфере при наличии ветра ................................ 94

3.3.5. Упрощенные формулы для практического применения .................. 97

3.4. Основные закономерности распространения примесей в атмосфере .................... 99

3.5. Экономико-математическое моделирование предприятия. Неоклассическая теория фирмы 10 9

Выводы ....................................... 112

4. ЗАДАЧА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЙ В ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА

ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ ...................... 114

4.1. Эколого-экономическая модель промышленного предприятия .......................... 114

4.2. Постановка и решение задачи определения оптимальных размеров каппиталовложений в природоохранные мероприятия на промышленном предприятии ......................... 118

4.3. Задача определения предельно допустимых выбросов ................................ 122

4.4. Задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" ........................... 125

Выводы ....................................... 140

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМ

ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ ............. 142

5.1. Программная реализация решения задачи определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия ........... 142

5.2. Организация территориальной автоматизированной системы управления предприятиями

по эколого-экономическим критериям ...... 143

Выводы ....................................... 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................... 148

ЛИТЕРАТУРА....................................... 151

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач, стоящих перед обществом на современном этапе, является совершенствование управления и повышение эффективности производства. В настоящее время рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окружающую среду. Появилось важное понятие эколого-экономической системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных и природных факторов в окружающем человека мире. Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придает особую актуальность проблеме создания адекватных эколого-экономических моделей.

Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу в условиях научно-технической революции, ее положительные и отрицательные последствия, возможности оптимизации этого воздействия требуют глубокого изучения. При этом особое значение приобретает поиск научно обоснованных форм и масштабов производственной деятельности человека, обеспечивающих рациональное использование природных ресурсов и получение необходимой полезной продукции без пагубного влияния на природную среду.

Как показывают предварительные оценки, в настоящее время долгосрочное планирование без учета экологических эффектов невозможно. С другой стороны, имеющиеся экологические модели носят частный характер и не способны отразить в комплексе и в то же

время достаточно обозримо разнообразные антропогенные воздействия.

В связи с этим возникает проблема создания некоторого промежуточного класса моделей - эколого-экономических.

Для разработки крупномасштабных проектов и принятия ответственных решений по управлению природной средой нужен комплексный многоуровневый анализ множества различных по своей природе факторов, среди которых особое место занимают социально-политические, экономические, технологические, эколо-го-географические и другие факторы, характеризующие процессы развития современного общества.

Важнейшую роль в решении эколого-

экономических проблем призваны сыграть методы системного анализа и математического моделирования сис-пользованием ЭВМ. Математические модели служат незаменимым инструментом количественного анализа последствий антропогенного воздействия на окружающую среду.

Решение задачи определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия позволит получить предприятию максимально возможную прибыль при условии снижения техногенной нагрузки на окружающую среду до предельно допустимого уровня, установленного нормативными документами. Зная это решение, можно установить систему штрафов за выбросы загрязнителей сверх предельно допустимого значения таким образом, чтобы разность между максимальной прибылью предприятия и штрафом в случае превышения норматива была меньше

максимальной прибыли предприятия в случае ограничения выбросов предельно допустимым значением, т.е. поставить предприятие в.такие условия, когда ему не выгодно превышать предельно допустимые выбросы.

Таким образом, задача определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия является актуальной научно-технической проблемой.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих критериев, определяющих оптимальные размеры капиталовложений в природоохранные мероприятия на промышленном предприятии на основе математического моделирования и анализа эколого-экономической системы "промышленные предприятие окружающая среда".

Идея работы заключается в том, что в качестве критериев рациональности затрат на природоохранные мероприятия используется минимальное значение свертки множества абиотических экологических параметров окружающей среды с оценкой допустимых значений внешних воздействий из решения диффузионной задачи для совокупности точечных источников загрязнения атмосферы.

Основные научные положения работы заключается в следующем:

наиболее общим видом модели воздействия на окружающую среду является загрязнение атмосферы совокупностью точечных источников;

математическое описание промышленного предприятия как объекта загрязнения окружающей среды может быть представлено в виде агрегированной модели, учи-

тывающей зависимость затрат на экологические мероприятия от количества выпускаемой продукции и степени очистки пылегазовых выбросов;

цель предприятия определяется как максимизация собственной прибыли при ограничении на выбросы загрязнителей, где в качестве управляющих переменных целесообразно принять количество выпускаемой продукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов) ;

задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия для промышленного предприятия в общем случае является задачей нелинейного программирования, которую можно привести к задаче одномерной оптимизации;

установление ограничений на выбросы загрязнителей (предельно допустимых выбросов) осуществляется таким образом, что бы концентрация вредного вещества в любой точке рассматриваемой области не превышала ПДК, а концентрация вредного вещества рассчитывается на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных .значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии ;

Новизна основных научных и практических результатов :

исследованы основные закономерности распределения примеси в атмосфере на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии;

сформулирована и решена задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия на промышленном предприятии. В качестве критерия оптимизации выбрана максимизация собственной прибыли предприятия, в качестве ограничения - ограничение на превышение предельно допустимых выбросов загрязнителей, в качестве управляющих параметров предложены количество выпускаемой продукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов);

сформулирована задача определения предельно допустимых выбросов для группы промышленных предприятий с ограничением на превышение концентрации вредного вещества в любой точке рассматриваемой области предельно допустимого значения и предложен алгоритм ее решения;

сформулирована задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" и предложен алгоритм построения "института согласия" (решения, оптимального по Паре-то) ;

разработан пакет прикладных программ для ПЭВМ, реализующий решение сформулированных задач.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, нелинейного программирования, теории игр, численных методов, современных достижений вычислительной техники;

большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения по-

ставленных задач, а также результатами обобщения натурных наблюдений.

Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при наличии фактической информации о метеорологических параметрах окружающей среды и экономических показателях предприятий могут быть использованы при разработке территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экономическим критериям и контроля выбросов загрязнителей в атмосферу.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом" (г. Тула, 1996 г.), 1-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы" (г. Тула, 1997 г.), научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования Тульского областного общества охраны природы "Экология и общественность" (г. Тула, 1997 г.), 2-й Международ-

ной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" (г. Тула, 1998 г.).

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Моделирование эколого-экономических систем

Взаимосвязи элементов и явлений природной среды поражают своим многообразием и устойчивостью. Анализ и учет всеобщности этих связей возможен на базе комплексного рассмотрения с использованием методов экономико-математического моделирования.

Современная теория экономико-математического моделирования является перспективным научным направлением математической экологии. Имеющиеся разработки позволяют проанализировать многие закономерности эколого-экономических явлений. При этом экономико-математические модели насыщаются разнородной гидрологической, медико-биологической, метеорологической информацией, адаптация которой в термины этих моделей представляет определенную сложность. Иногда такая адаптация невозможна из-за отсутствия решения принципиально важных вопросов естественно-научного направления (в частности, численное определение биомассы конкретного экономического района, математическое описание процессов трансформации в атмосфере неконсервативных примесей и т.д.). Таким образом, расширился объект моделирования: исследуются не только общественно-производственные процессы, но и их взаимодействия с природными.

Специфика моделирования глобальных эколого-экономических проблем связывается прежде всего с высокой степенью сложности, масштабностью и разнород-

ностью учитываемых факторов (природных, социально-экономических, технических, культурных и экологических) , а также с длительностью (50-100 лет) периода прогнозирования. Особые по экономической сути и сложности решения проблемы взаимодействия общества и окружающей среды предопределили создание ряда классов моделей, отображающих всевозможные аспекты этого взаимодействия с учетом загрязнения окружающей среды и его социально-экономических последствий. Широко применяются балансовые, оптимизационные, имитационные экономико-математические модели, причем самой различной степени детализации и полноты отражения экологических факторов.

Глобальные эколого-экономические модели (или,

^ \

как их еще называют, модели мировои динамики) разработаны Д. Форрестером [87], Д. Медоузом [104], М. Месаровичем и Е. Пестелем [105] . На основе построенных глобальных имитационных моделей исследуется "поведение" эколого-экономической системы при выборе того или иного курса решения глобальных проблем. Весьма обязывающие выводы, полученные из анализа таких имитаций, привлекли внимание многих ученых во всем мире. Высокие уровни потребления природных ресурсов и загрязнения окружающей природной среды наряду с другими факторами мирового развития привели Дж. Форрестера и Д. Медоуза к следующему выводу: если мировая система не откажется от своего экономического роста (в традиционном его понимании) , то это приведет к ее гибели не позднее XXI в. В результате этого выдвигается идея сдерживания и прекращения экономического роста, при этом экономическая дея-

тельность должна быть сбалансирована с экологическими требованиями [102] . Р. Лэпп предлагает другое средство - ограничение роста населения [80].

Однако несостоятельность этих «предложений» выявлена как зарубежными, так и советскими учеными. Так, по расчетам Б. Коммонера [70], за период 19461968 гг. объем выбросов загрязняющих веществ в США по различным компонентам возрос в 2-10 раз, а численность населения за этот же срок - на 43%. Замедление экономического роста может лишь "затормозить" ухудшение экологической ситуации. К тому же будет затруднено решение многих современных социально-экономических проблем Запада. С другой стороны, как было неоднократно отмечено [32], вложение средств в охрану окружающей среды (по крайней мере, до достижения экономического оптимума загрязнения) способствует экономическому росту даже в его традиционной трактовке. До сих пор ни одна из промышленно развитых стран не достигла уровня макрозатрат, соответствующих выходу на оптимальный уровень чистоты природы.

Проект межрегиональной модели межотрасл�