автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка экспресс-метода моделирования загрязнения водных объектов для информационно-измерительных систем

Глава 1. Проблемы создания ИИС мониторинга и экологического нормирования загрязнения поверхностных вод/Критерии оценки состояния окружающей природной среды.

1.1 Методы комплексной оценки вредного воздействия на окружающую среду на основании контрольных измерений.

1.2 Проблемы экологического нормирования загрязнения водных объектов.

1.3. Организация ИИС мониторинга за состоянием водных объектов.

Выводы.:,.

Глава 2. Проблемы моделирования и прогнозирования качества воды в водотоках.

2.1 Математические модели формирования оценки качества воды в водотоках.

2.2 Математические модели разбавления и смешения сточных вод в водотоках.

2.2.1 Работы В.М.Маккавеева и А.В.Караушева.

2.2.2 Работы A.M. Айтсама, Л.Л. Пааля и др. (аналитическое решение).

2.2.3 Работы В. А.Фролова и И. Д.Родзиллера.

2.3 Анализ эффективности программно-аналитических комплексов.

2.3.1 Метод электрогидродинамической аналогии (ЭГДА).!.

2.3.2 Метод электроконвективно-диффузионной аналогии (ЭКДА).

2.3.3. Опыт моделирования региональных крупномасштабных экологических систем.

2.3.4. Опыт моделирования и создания локальных (местных) эколого-информационных систем.

Выводы.!.

Глава 3. Разработка и исследование метрологических характеристик экспресс-метода оценки качества воды водотоков.

3.1 Разработка экспресс-метода оценки качества воды в водотоках.

3.2 Обоснование экспресс-метода моделирования процессов смешения сточных вод с водой водотоков. Анализ метрологических характеристик.;.,.

3.2.1 Фарватерный сброс сточных вод.

3.2.2 Береговой выброс сточных вод.

3.2.3 Рассредоточенный выпуск сточных вод.

3.2.4 Учёт береговых ограничений.

3.2.5 Залповый сброс.

3.2.6 Настройка экспресс-метода по данным контрольных измерений.

3.2.7 Аппроксимация функции максимальных значений концентраций.

3.2.8 Метрологический анализ влияния на результаты аппроксимации входных параметров экспресс-метода.;.

Выводы.■.

Глава 4. Разработка методического обеспечения по использованию экспресс-метода для организации локального оперативного контроля состояния водотоков на предприятии.

4.1 Основные компоненты для построения системы расчёта полей концентрации экспресс-методом.

4.2 Методика определения максимально загрязнённой части водотока.

4.3 Определение точек контрольных измерений ИИС для моделирования распространения примесей в водотоке.:.

4.4 Методика расчёта полей концентрации в створе.

4.5 Алгоритм настройки экспресс-метода по данным натурных наблюдений.

4.6 Методика использования экспресс-метода.:.

4.7 Представление экспресс-метода в УАРМ.

4.7.1 Классификация объектов для экспресс-метода расчёта полей концентрации .;.

4.7.2 Подключаемые модули для использования экспресс-метода.

Выводы.

Прогрессирующее загрязнение окружающей среды является острейшей проблемой человечества. В результате роста масштабов образующихся отходов многие регионы и территории в промышленно развитых странах находятся в кризисном, а некоторые из них - и в катастрофическом экологическом состоянии.

Всеобщая озабоченность таким положением нашла отражение в материалах Всемирной конференции по окружающей среде и развитию на уровне глав государств и правительств, прошедшей под эгидой Организации объединённых наций в Рио-де-Жанейро в 1992 году. Он наметила ряд практических мер, позволяющих остановить прогрессирующее загрязнение окружающей среды, а затем и снизить масштабы вредного воздействия на природу, и тем самым обеспечить экологически обоснованное устойчивое экономическое развитие на Земле. Во исполнение этих решений в Российской Федерации принята Государственная экологическая стратегия и Концепция перехода Российской Федерации на экологически обоснованное экономическое развитие [4-9].

Практическим основным правовым документом по организации природоохранной работы в стране является закон РСФСР "Об охране окружающей природной среды", действующий с 1992 года [1], а также закон "Об экологической экспертизе" [2]. Важнейшим требованием перечисленных документов является оценка вредного воздействия на окружающую среду (ОВОС) производственной 6 и иной деятельности предприятий и учреждений любой формы собственности [26]. ^

Наиболее выраженное вредное воздействие испытывают водные объекты: проточные (реки) и непроточные (водоёмы, водохранилища) [3]. До настоящего времени внимание управленческих государственных структур было сосредоточено на комплексной, обобщающей оценке состояния окружающей природной среды, т.е. характеристике их фактического состояния, позволяющей обосновывать необходимые организационные меры в этой области.

Создание же систем инженерной защиты окружающей природной среды (ИЗОС), в частности водных объектов, и анализ прогнозируемого вредного воздействия проектируемых предприятий (ОВОС) требует информации о состоянии водной среды в любой точке водоёма. Существующие системы мониторинга их загрязнений по линии Госкомгидромета и расчётно-эмпирические методики не позволяют получить необходимые данные [10-12, 62]. Многократное увеличение измерительно-информационной базы мониторинга требует огромных материальных и финансовых затрат, и фактически нереально. Существующая расчётно-теоретическая база весьма громоздка, трудоёмка и не позволяет оперативно получать картину распространения загрязнений в водных потоках после сброса сточных вод. Она в своё время позволяла решать некоторые хозяйственные практические задачи и сыграла свою полезную роль. Поэтому исследования и разработка сравнительно простых и достаточно достоверных ме7 тодов моделирования распространения загрязнений в проточных водоёмах -приёмниках сточных вод, является актуальной задачей.

В настоящей работе разработана, исследована и обоснована методика применения сравнительно простого экспресс-метода для оценки распространения примесей в водотоке, что позволяет получить конкретные значения концентраций загрязняющего вещества в любой точке водного потока после поступления в него сточных вод. При этом имеется в виду, что расходы сточных вод во много раз меньше расхода водного потока, т.е. находятся в пределах его возможностей по естественному самоочищению. В противном случае сброс сточных вод в водный объект недопустим.

Так как создание расчётного метода расчёта полей концентрации для всех

I \ типов сбросов и водотоков является трудоёмкой и длительной задачей, то в данной работе рассматриваются только некоторые аспекты, выделенные из классификации стоков и водных потоков.

Для водных потоков можно привести следующую классификацию

Параметр Площадь водо- Средний годо- сбора, вой расход воды, Длина,

Группа тыс. км2 м3/с км

Очень малые реки (ручьи) 0.5 <(2.5. 5) <(50. 60)

Малые реки 0.5.5 От 2.5. 5 От 50.60 до 25.60 до 200.250

Средние реки 5.50 От 25.60 От 200 .250 до 250.500 до 500.600 8

Параметр Площадь водо- Средний годо- ; \ сбора, вой расход воды, Длина,

Группа тыс. км2 м3/с км

Большие реки 50.500 От 250. 500 От 500.600 до 2500 до 2000.2500

Очень большие реки >500 >2500 >2000. 2500

В данной работе анализ производился на малых реках, исходя из предположения, что они самые распространённые. С точки зрения мест расположения сбросов сточных вод по отношению к берегу водотока применяются варианты:

- береговые (выпуск находится возле берега);

- фарватерные (выпуск находится по центру);

- рассеивающие (рассредоточенные) выпуски;

При рассеивающем сбросе сточных вод выпуск состоит из нескольких труб, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, что обеспечивает увеличение начального разбавления. Так как рассредоточенные выпуски имеют достаточно большое количество параметров и способов их проектирования, то они в данной работе не рассматриваются. Береговые и фарватерные выпуски сточных вод являются как наиболее распространёнными и наглядными.

Существенной отличительной особенностью новых предложений является принятие гипотезы о функции нормального закона для распределения загрязнений в поперечных сечениях факела выброса сточных вод (до створа пол9 ного смешения), концентрации которых можно получать при наличии данных о максимальном значении этой функции.

Для разработки схем ИИС мониторинга состояния водотоков необходимо хотя бы в первом приближении спланировать месторасположение точек контрольных измерений. Поэтому для уменьшения затрат лучше всего сначала провести моделирование распространения загрязнений и по полученным данным выполнить оптимизацию процесса мониторинга. Эта задача также является предпосылкой для разработки простого и дешёвого экспресс-метода, который бы позволял получать оперативную информацию по распространению примесей в водной среде на базе сравнительно ограниченных исходных данных.

В качестве дополнительной задачи, представляется целесообразным рассмотрение физической реализации не только экспресс-метода в виде программного модуля, но разработку единой информационной системы для работы в различных предметных областях, которая бы позволяла интегрировать различные методы и объекты моделирования.

10

Выводы

1. Разработан набор инженерных методик (§§4.2, 4.4) и алгоритмов (§§4.3, 4.5), обеспечивающих поэтапное выполнение различных действий, связанных с моделированием распространения примесей в водотоках экспресс-методом.

2. Разработана общая инженерная методика применения экспресс-метода с указанием связей и условия взаимодействия различных блоков (§4.6).

152

Заключение

I \

1. Анализ существующих методов, использующих аналитические и конечно-разностные решения, показал, что они сложны и громоздки. Однако, они могут быть использованы в качестве образцовых методов для построения аппроксимирующей модели распространения примесей в водотоках.

2. Предложен и теоретически обоснован экспресс-метод моделирования процессов смешения сточных вод с водой водотоков, использующий функцию нормального закона распределения для аппроксимации распределения концентрации примесей в створе. Коэффициенту а в функции распределения придаётся формальное (условное) значение индекса максимальной загрязнённости воды в том или ином расчётном сечении.

3. Получено выражение нормирующего коэффициента кНОрм (3.8), обеспечивающее достижение заданной точности при проведения моделирования на основе аппроксимации функцией нормального закона распределения.

I \

4. Для различных вариантов сброса сточных вод получены соответствующие выражения для расчёта максимальной погрешности моделирования экспресс-методом (3.17), (3.23) и (3.26).

5. Произведен метрологический анализ основных режимов работы модели и установлено, что она обладает высокой точностью.

6. Учёт многих частных (местных) обстоятельств и допущений осуществляется с помощью некоторого корректирующего коэффициента (3.33), уточняемого

153 при привязке эколого-информационного комплекса к конкретному предприятию и водному объекту. Произведено исследование зависимости средне-квадратической погрешности от корректирующего коэффициента и установлено, что она на интервале ке(0,+оо) имеет минимум. , ^

7. На основании анализа аппроксимации распространения максимальных значений концентрации, показано, что предлагаемая методика позволяет погрешность аппроксимации свести до уровня, не превышающего предельную допустимую погрешность.

8. Экспресс-метод представлен в виде набора инженерных методик (§§4.2, 4.4) и алгоритмов (§§4.3, 4.5), обеспечивающих поэтапное выполнение \ различных действий, связанных с моделированием распространения примесей в водотоках.

9. Разработана общая инженерная методика применения экспресс-метода с указанием связей и условия взаимодействия различных блоков (§§4.6).

10.Разработанные инженерные методики нашли своё воплощение в реализации соответствующего пакета подпрограмм для универсального автоматизированного рабочего места. 1 ,

154 i \

1. Закон РСФСР "Об охране окружающей природной среды" // Российская газета, 3 марта 1992г.

2. Указ Президента РФ №44 от 1 апреля 1996.

3. Эколого-экономическая концепция природопользования в территориально-производственном комплексе Санкт-Петербурга. Отчёт СПб НИЦ РАН, 1991,95 с.

4. Экологические проблемы Северо-запада России и пути их решения. Под редакцией С.Г. Инге-Вечтомова и К.Я. Кондратьева. СПб, 1997, 528с.

5. Постановление СМ РФ №1223 от 23.11,93г.

6. Методические указания по принципам организации системы наблюдений и контроля за качеством воды водоёмов и водотоков на сети Госкомгидромета в рамках ОГСНК. Л.:Гидрометеоиздат, 1984, 83 с.

7. Беккер A.A., Агаев Т.Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. Л.:Гидрометеоиздат, 1989, 286 с.

8. Драчёв С.М. Борьба с загрязнением рек, озёр и водохранилищ промышленными и бытовыми сточными водами. М.-Л. Наука, 1964,273 с.

9. Рекомендации по применению интегральных показателей для оценки качества воды и загрязнённости рек и водоёмов. Л.: ГГИ, 1977, 72 с.

10. Донченко В.К. Система контроля состояния окружающей среды для управления экологически безопасным развитием Санкт-Петербурга. Региональная экология, 1994, №2.

11. Автоматизация контроля параметров водной среды. Под ред. Варужсапеняна А.Г. Л.: Гидростроение, 1988.

12. Иваненко А.Г. Долгосрочное прогнозирование и управление сложными системами. Киев: Техника, 1975, 311 с.

13. Математические модели контроля загрязнения воды. Под ред. Ю.М. Свире-жева. Пер. с англ. М.:МИР. 1981, 471 с.156

14. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982, 320 с.

15. Полуэктов Р.А., Пых И.А., Швытов И.А. Динамические модели экологических систем. JL: Гидрометеоиздат, 1980, 286 с.

16. Айтсам A.M., Вельнер X.A., Пааль JI.JI. О теоретических основах инженерного расчёта смещения сточных вод в водоёмах. Научные доклады по вопросам самоочищения водоёмов и смешения сточных вод. Таллинн, 1965, с. 99-116.

17. Дружинин Н.И., Шишкин А.И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. Л:Гидрометеоиздат, 1989, 390 с.

18. Дюран Б., Оделл П. Кластерный анализ. М : Статистика, 1977,128 с,\

19. Иберла К. Факторный анализ. М.: Статистика, 1980, 398 с.

20. Тропников В.Е., Вавилин В.А. "Сравнительная оценка математических моделей самоочищения рек". Водные ресурсы, 1992, №1, с. 39-76.

21. Положение об оценке воздействия на окружающую среду в РФ. Утверждено Минприродой России приказом №222 от 18.07.94г.

22. Временные методические рекомендации по оперативному прогнозированию загрязнённости рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1981,184 с.

23. Построение математических моделей химико-технологических объектов. / Дудников Е.Г. и др. /Л.: Химия. 1970, 312 с.157

24. Кафаров B.B. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М.: Химия, 1971,496 с.

25. Основы прогнозирования качества поверхностных вод. / Фальковская Л.Н., Каминский B.C., Пааль JI.JI., Грибовская Н.Ф. М.: Наука, 1982, 181 с.

26. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоёмов-приёмников сточных вод,-М.:Стройиздат, 1984.-263 с.

27. Фролов В.А. Определение степени смешения сточных вод с водой водотоков (реки). В сб.: Производственные сточные воды. Вып.П, 1949.i \

28. Караушев A.B. Речная гидравлика. JI.: Гидрометеоиздат, 1969, 416 с.

29. Караушев A.B. О некоторых аспектах проблемы смешения сточных вод и самоочищения потоков. Материалы по вопросам самоочищения водоёмов и смешения сточных вод. Таллинн, 1965, с. 527.

30. Практические рекомендации по расчёту разбавления сточных вод в реках, озёрах и водохранилищах. / Караушев A.B., Шварцман А.Я., Бесценная М.А. и др. 2-ое изд. Л.: Изд. ГГИ, 1973, 101 с. ^

31. Маккавеев В.М., Коновалов Г.М. Гидравлика. Л.: Речиздат, 1940.644 с.

32. Пааль Л.Л. О расчёте смешения сточных вод при некоторых эпюрах загрузки водотоков. Труды Таллиннского политехнического института, 1966, №247, с.75-90.38/Лалщёв H.H. Расчёты выпусков сточных вод. М.: Стройиздат, 1977, 87 с.

33. Бесценная М.А. Усовершенствования экспресс-метода расчёта разбавления сточных вод в реках. Труды ГГИ, 1977, вып.191, с.201-208. ' ■■1 ■158

34. Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами. М.: Минздрав СССР, 1975. 38 с.

35. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения. (СанПиН 4630-88). Минздрав СССР, 1989.

36. Сгадницкий Г.В., А.И. Родионов. Экология. СПб.: Химия, 1997. 240 с.

37. Багоцский C.B., Санин М.В., Эйнор Л.О. Некоторые подходы к экологическому нормированию загрязняющих веществ в водоемах. "Водные ресурсы", 1992, №6.с.101-105. : 1

38. Экология: учебник для ВУЗов, / Цветкова Л.И. и др. М.АСВ; СПб.Химиздат, 1999, 488 с.

39. Цветкова Л.И. Будет ли работать закон без экологических норм. "Мониторинг. Безопасность жизнедеятельности", 1995, №2.

40. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М., 1971.

41. Митропольский А.К., Кривые распределения, Л.: ЛТА, 1960.1.; \

42. Практикум по вероятностным методам в измерительной технике. Учебное пособие для вузов. / Алексеев В.В., Долидзе Р.В., Недосекин Д.Д., Чернявский Е.А, СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 1993, 264 с.

43. Математическое моделирование распространения сточных вод в Невской губе. Современные проблемы механики жидкости и газа. / Малько А.И., Се-менцов В.И., Степанов М.М. и др. Иркутск: ИГУ, 1990.

44. Малько А.И., Семенцов В.И., Степанов М.М. Разработка макета автоматизи\рованной системы поддержки принятия решений в чрезвычайных гидроэко159i \логических ситуациях. Сб. Критерии экологической безопасности. СПб.: СПб НЦ РАН, 1994.

45. Невская губа опыт моделирования. / Под ред. Меншуткина В.В., Рухавец Л.А. Степанова М.М., Флоринской Т.М. Л.: СПб научный центр РАН, 1997, 3.75 с.

46. Измалков В.И. Экологическая безопасность. Методология прогнозирования антропогенных загрязнений и основы построения химического Мониторинга окружающей среды. СПб НИЦ экологической безопасности РАН, 1994, 132с.

47. Экоинформатика. Под ред. В.Е. Соколова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, 130с.

48. Рогунович В.П. Автоматизация математического моделирования движения воды и примесей в системах водотоков. Л,: Гидрометеоиздат, 1989, 264с.

49. Новицкий П.В., Зограф H.A. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985, 248 с,

50. Методы цифрового моделирования и идентификации стационарных случайных процессов в ИИС. / Лебедев А.Н., Недосекин Д.Д., Стеклова Г.А., Чернявский Е. А. Л.: Энергоатомиздат, 1988, 64 с.

51. Овчаров Л.А., Селетков С.Н. Автоматизированные банки данных. М.: Финансы и статистика, 1982, 263 с.i \ •

52. Иофере А.Ф. Персональные ЭВМ в организационном управлении. М.: Наука, 1988.160

53. Программный комплекс АРМТЕСТ. Методика работы с программным комплексом. СПб, 1995, 56 с.

54. Системный подход к управлению водными ресурсами. Под ред. А.Бисваса, М.: Наука, 1985, 392с.160

55. Программный комплекс АРМТЕСТ. Методика работы с программным комплексом. СПб, 1995, 56 с.

56. Усовершенствованные методические рекомендации по оперативному прогнозированию распространения зон опасного загрязнения в водотоках и водоемах, а также уровней содержания в воде основных загрязняющих веществ, СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, 128с.

57. Системный подход к управлению водными ресурсами. Под ред. А.Бисваса, М.: Наука, 1985,392с.161

58. Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод. Под ред. A.B. Караушева, Л.: Гидрометео-издат, 1987, 286 с.

59. Корень В.И. Математические модели в прогнозах речного стока. Л.: Гидро-метеоиздат, 1991, 220 с. >

60. Кучмент Л.С., Демидов В.Н., Мотовилов Ю.Г. Формирование речного стока: Физико-математические модели, М.: Наука, 1983, 216 с.

61. Атавин A.A., Васильев О.Ф., Воеводин А.Ф., Шугрин С.М. Численные методы решения одномерных задач гидродинамики. // Водн.рес.,1983, N 4, с. 3847.

62. Воеводин А.Ф., Шугрин С.М. Численные методы расчета одномерных систем. Новосибирск: Наука, 1981, 208с.

63. Воеводин А.Ф., Овчарова A.C. Численное решение задачи о качестве воды в открытом русловом потоке. Водные ресурсы, 1977, N 4, с. 172-178.

64. Воеводин А.Ф., Шугрин С.М. Численный расчет одномерных течений воды в системах речных русел и каналов. Динамика сплошной среды, 1978, вып.35, С. 40-60.

65. Винников С.Д., Проскуряков Б.В. Гидрофизика (физика вод суши). 1988 Л. Гидрометиздат, 248 С.

66. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д. Общая гидрология, М., Высшая школа, 1991,368с.162 i ,

67. Евстегнеев B.M. Речной сток и гидрологические расчеты. Изд-во МГУ: 1990,303 С.

68. Имитационное моделирование системы "Водосбор-река-морской залив". Под ред. В.Крысановой, Таллинн, "Валгус", 1989, 428с.

69. Справочник по гидрохимии, Л., Гидрометеоиздат., 1989, 392с.

70. Метрологическое обеспечение информационно-измерительных систем. Под ред. Е.Т. Удовченко. М.: Изд-во стандартов, 1991. ' <

71. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970.

72. Пустыльник Е.И; Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968.

73. Новосёлов О.Н., Фомин А.Ф. Основы теории и расчёта информационно-измерительных систем. -М. Машиностроение, 1991. -336с.i \

74. Чернявский Е.А., Недосекин Д.Д., Алексеев В.В. Измерительно-вычислительные средства автоматизации производственных процессов. Учебное пособие для вузов. Л.:Энергоатомиздат., 1989. - 272 с.

75. Auer M.T. Canale R.P. Mathematical modeling of primary production in Green Bay (Lake Michigan, USA). Hidrobiological Dull., 1986, vol. 20(1/2), pp. 195210.

76. Beverton R.G., Holt S.G. Dynamics of exploited fish population. Fish. Inyest. Ser.1. I ; \ •1.. London, 1957, p 362.163

77. Briggs R. Instrumentation for water pollution monitoring. Chemistry and Industry. 1980, N15, p.587-595.

78. Brouwer F.M., Hafkamp W.A., Nijkamp P. Achievements in modeling environmental and resource issues in the secondary sector. The Science of Total Envii Vronment, 1986, vol. 55, pp. 287-307,

79. Couillard D., Lefebvre Y. Analysis of water quality indices. J. Env. Manag., 1985, v.21, N2, p. 161-179.

80. Garfinkel D. Digital computer simulation of ecological systems. Nature. V.194, N 4831, 1962.

81. Felkenmark M. Water quality models in water management synthesizing conclusions. In: Water quality models in water management. Proc. Nordic Expert\

82. Meeting, Helsinki, 1982. Helsinki, 1982, p.207-214.

83. Foess G.W., St. John W. Industrial waste monitoring, a statistical approach. ASCE, 1980, v. 106, NEE5, p. 947-958.

84. Fransz H.G., J.P. Mommaerts, G. Radach. Ecological modeling of the North Sea. Neth. J. Sea Res., 28(1/2), p.67-140.

85. Hanson C.A. Data acquisition for river management. Water Sci. and Technol., 1982, v. 13, N 11-12, p.687-692. , \

86. Kohonen T. Utilization data from automatic water quality monitoring stations in Finland. In: Water Sci. and Technol. Proc. Intern. Workshop, 1981.

87. Models for water quality management. Ed A.K. Biswat. Mc Graw-Hill, 1981, p.348.1641 \

88. Parcer R.A. Simulation of aquatic ecosystem. Biometrics, 24, 4. 1968.

89. Walker D.L. Organization of water quality management in England. Water Qual. Bull., 1980, v.5,N 2, p. 38-40.

90. Wallace J.W., Lovelady R.W., Ferguson R.L. Design, development and field demonstration of remote deployable water quality monitoring system. Environ. Prof., 1982, v. 4, N 2, p.151-161.