автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка методов применения мобильных ИИС при контроле загрязнения окружающей среды

На правах рукописи

РГБ ОД

2 О НОЯ ?ппп

Ламберт Елена Владиславовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРИМЕНЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ИИС ПРИ КОНТРОЛЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ»

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Алексеев В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кондрашкова Г.А. кандидат технических наук Коршунов И.Л.

Ведущая организация - НИИ Электроприборостроения «Электромера».

Защита состоится «Л3 » 2000 г., в час. на

заседании диссертационного совета К 063.36.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « Л^сОи/С. 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юрков Ю.В.

с 0.0

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Важность проблемы охраны окружающей среды в наше время не вызывает сомнений. Интенсивно развивающаяся промышленность вызывает постоянное увеличение уровня загрязнения атмосферы. Во многих индустриальных районах уровень загрязняющих выбросов превышает величины, к которым могут адаптироваться организм человека и биосфера в целом. Неудовлетворительное состояние окружающей среды приводит к гибели растительности, приносит вред здоровью человека. Дальнейшее развитие этих процессов приобретает глобальное значение.

Вопросы охраны окружающей среды связаны, как правило, с тремя ее основными составляющими - атмосферой, гидросферой и литосферой. За последние десятилетия серьезной международной проблемой стала защита атмосферы от загрязнения - следствия хозяйственной деятельности человека. По сравнению с другими составляющими окружающей среды атмосфера обладает большей пространственной подвижностью и загрязняется наиболее быстро.

В такой ситуации развитие промышленности должно сопровождаться разработкой новых технологий, которые бы позволили предотвращать выбросы в атмосферу или ограничивать их до допустимого уровня.

Определение параметров загрязнения позволяет:

1. Выявить вещество с концентрацией превышающей предельно-допустимое значение;

2. Выявить источник загрязнения каждым веществом и долю участия этого источника;

3. Определить необходимые меры по стабилизации значений концентрации вредных веществ.

Сложность природных экосистем, значительное разнообразие типов взаимодействий, а также возросшая потребность в количественных методах анализа, оценки и прогноза состояния экосистем обусловливают ту особую роль, которую играет метод математического моделирования в исследованиях по проблеме окружающей среды.

В настоящее время наиболее распространенными методиками по расчету рассеяния примеси в атмосферном воздухе

являются методики, основанные на полуэмпирическом уравнении турбулентной диффузии для построения следа выброса вредных веществ: ОНД-86 (общесоюзный нормативный документ) и гауссова модель, используемая учеными США. Эти методики позволяют построить след выброса вредных веществ в воздушной среде, располагая метрологическими данными (скорость ветра, состояние атмосферы, температура, давление и так далее), параметрами источника выброса веществ, топографическими и географическими данными исследуемого района. Вследствие того, что информационные потоки имеют вероятностный характер, точность таких моделей составляет около 30%. Для получения количественных оценок загрязнения окружающей среды с определенной достоверностью необходимо использовать мобильные ИИС. Только на основе эффективного и оперативного анализа ситуации возможен правильный выбор и своевременное применение действенных контрмер в значительной степени уменьшающих ущерб от аварии, что и определяет актуальность разработки методики применения мобильной ИИС.

Цель диссертационном работы: разработать метод применения ИИС для повышения точности данных о рассеянии примеси в атмосферном воздухе с минимизацией затрат.

Задачи исследований. Сформулированная цель предопределяет следующие задачи исследований:

1. Исследовать методики, используемые при моделировании рассеяния примесей в атмосферном воздухе и проанализировать их отличия и особенности и точностные характеристики;

2. Исследовать характеристики измерительных средств, используемых при измерении концентрации вредных примесей и метеорологических параметров, а также их точностные характеристики;

3. Разработать методы коррекции модели рассеяния примеси в атмосферном воздухе по контрольным измерениям, проводимых с помощью мобильных ИИС;

4. Разработать практическую методику по оптимизации применения ИИС для решения поставленных задач.

Основные методы исследований. Для решения поставленных задач в качестве основных методов применялись

методы и принципы теории вероятности и математическая статистика, теория исследования операций и теория измерений.

Научная новизна.

1. Проведен анализ существующих методик построения моделей рассеяния вредных примесей, определены и сравнены их характеристики;

2. Разработана практическая методика оптимизации применения ИИС для контроля фонового загрязнения;

3. Разработана практическая • методика оптимизации применения ИИС для контроля загрязнения при выбросе вредных веществ в атмосферный воздух.

Практическая ценность работы. Разработка методов повышения достоверности получения данных о рассеянии примеси является интегральной частью научных исследований, проводимых на кафедре Информационно-измерительных систем и технологий Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического университета. Использование методики, разработанной в работе, позволяет повысить достоверность данных о рассеянии примеси и оперативность их получения, минимизировать затраты. Методика может быть использована для определения зоны с превышением предельно-допустимых концентраций вредных веществ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (СПб, 1999 г.), на Всероссийской научной конференции «Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (СПб, 1999 г.) и научно-технической конференции профессорского-преподавательского состава СПбГЭТУ (СПб, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи и тезисы к двум докладам на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и списка литературы, включающего 86 наименований. Основная часть работы изложена на 92 страницах машинописного текста. Работа содержит 16 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы основные проблемы, цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе обоснована необходимость качественных оценок параметров загрязнения, проанализированы особенности проведения измерений в экосистеме. Контроль состояния окружающей среды является необходимым для устойчивого развития общества, он осуществляется с помощью экологического мониторинга, выявляющего изменения окружающей среды под воздействием антропогенного фактора.

Антропогенное воздействие на экосистему, хозяйственная операция имеет положительный частный эффект и оказывает отрицательное воздействие на биосферу, малым значением которого пренебрегали, но действие которого в настоящее время приобретает большое значение. Сейчас «побочный эффект», то есть вредное влияние, оказываемое на окружающую среду, имеет такое глобальное значение, что бесконтрольная эксплуатация, в конечном счете, может приносить уже только убытки, как в денежном, так и в других выражениях. Для устойчивого развития общества нужна хозяйственная деятельность, которая бы удовлетворяла потребностям настоящего времени, но не ставила под угрозу жизнеспособность будущих поколений.

Надежность и информативность качественных оценок уже не соответствуют сложности и ответственности задач, которые ставит нам практика, необходимы количественные оценки. Но человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях. Поэтому взаимодействие человека с объектом -исследование или преобразование - возможно лишь на основе модели объекта.

Моделирование динамики экосистемы в лабораторных условиях неосуществимо в силу технической сложности этой задачи. Проведение широкого эксперимента в масштабах реальной экосистемы также невозможно. Сложность экосистем, значительное разнообразие типов взаимодействий, а также возросшая потребность в количественных методах анализа, оценки и прогноза состояния экосистем обусловливают ту особую

роль, которую играет метод математического моделирования в исследованиях по проблеме окружающей среды.

Ограничение количества наблюдений и трудности при оценке источника загрязнения также подтверждают целесообразность использования математического моделирование для получения информации о рассеянии примесей в атмосферном воздухе.

Таким образом, для получения информации о рассеянии примеси в атмосферном воздухе определяется модель, используемая для расчета рассеяния примеси; моделируется рассеяние примеси; производится планирование измерений загрязнения воздуха для получения определенной достоверности; проводятся измерения с помощью мобильных ИИС; согласуются результаты моделирования и экспериментальные данные; определяется точность данных о рассеянии примеси в атмосферном воздухе. Недостаточная проработка этих вопросов может свести на нет использование в мониторинге совершенных приборов и затраты на получение массива экспериментальных данных.

Из большого перечня компонентов выделяются вещества д,, подлежащие контролю в первую очередь. Вводится многомерное пространство

0=к(ЧЙ2Чз-Чп)} ■

Во введенном параметрическом пространстве выделяется допустимая область £) с £)» соответствующую тем наборам параметров, которые можно считать не представляющими опасности для человека. Задание допустимой области £) связано также с установлением комплексных показателей качества окружающей среды, учитывающих одновременное присутствие нескольких загрязняющих веществ.

В зависимости от конкретных целей тех или иных оценок и расчетов рассеяния примеси в атмосфере необходимо определять требуемую степень точности, надежности и строгости подхода. В ряде случаев с помощью более тщательного подбора модели и обеспечения большей информации о состоянии атмосферы можно достигнуть значительного улучшения результатов, но в других случаях это принципиально невозможно из-за естественного разнообразия и случайного характера, присущим факторам,

определяющим рассеяние примесей в атмосфере (пространственная и временная изменчивость метеорологических условий, неоднородность подстилающей поверхности). Поэтому при необходимости получения точных данных с заданной достоверностью используют мобильные ИИС.

Во второй главе проводится анализ различных методов построения моделей рассеяния примеси в атмосферном воздухе. Существующие методики расчета рассеяния примеси опираются, в основном, на полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии и с использованием "/Г-теории":

vdq_^±_k Ё±.+ ±-к ÜJL+ QS(z - h)S(x). дх дуКуьу dz к * dz * v '

Основу "К-теории" составляет существующие аналогии между турбулентным и молекулярным переносом импульса, тепла и примеси. Вектор потока имеет вид:

. Эх'

где к - тензор коэффициента турбулентного обмена для соответствующей примеси.

Эта система уравнений позволяет построить трехмерную модель атмосферного пограничного слоя в горизонтальных масштабах в десятки и сотни километров.

Определенную сложность представляет собой описание распределения примеси в верхней части пограничного слоя. Недостаточно также сведений о поведении примеси в условиях сложного рельефа и городской застройки. Мало данных о мезо-масштабных закономерностях, определяющих рассеяние примеси на большие расстояния. Определенная осторожность требуется при расчетах диффузии во время нестационарных метеорологических условий. Также возникают сложности при определении средней скорости ветра.

Нормативными методиками в США и в России являются, соответственно, методика "ЕРА-US" и "ОНД-86". Методика "EPA-US" предлагает рассчитывать форму факела по гауссовой модели. В гауссовой модели рассеяния примеси в поперечных к среднему потоку направлениях (горизонтальном и вертикальном) описывается на заданном расстоянии плотностью вероятности.

Модель позволяет определить осредненные во времени значения концентрации в факеле примеси, вытянутом по направлению средней скорости ветра.

Методика "ОНД-86" использует способ задания профиля коэффициента в виде так называемой модели с изломом, в которой коэффициенты турбулентной диффузии задаются в зависимости от температурной стратификации.

Относительная погрешность данных, полученных с помощью методик "ЕРА-US" и "ОНД-86", составляет 30%.

Сравнительный анализ полей концентрации от постоянно действующих точечных источников, рассчитанных с помощью методик "EPA-US" и "ОНД-86", показал, что они не похожи друг на друга по форме факела, и различаются по значениям концентрации, отличающихся порой на порядки. Общим недостатком рассмотренных методик является слабое • использование физических основ и большой вклад эмпирических зависимостей, полученных в локальных условиях проведения экспериментов

Таким образом, нормативный статус методики вовсе не является гарантией ее точности. Несмотря на то, что подобные методы в той или иной степени вбирают в себя накопленные за несколько десятилетий эмпирические данные, даже простое перечисление их недостатков (невозможность адекватного воспроизведения механизма рассеяния для источников произвольной пространственной структуры, при различных метеоусловиях, на дальних расстояниях, а также над неоднородной подстилающей поверхностью) показывает неадекватное отражение реальности.

В третей главе проанализированы задачи контроля загрязнения окружающей среды, проведен анализ точности средств измерений и моделирования рассеяния примеси. Проведенные исследования позволяют заключить, что мобильные ИИС целесообразно применять для контроля характеристик окружающей среды на территории больших районов, районов временных производств, чрезвычайных ситуаций или при проведении инспекционных работ.

Определение рабочего маршрута связано с выявлением оптимальных точек контрольных измерений. Для этого модель

следа примеси накладывается на реальную карту местности. Из-за сложности объекта выбор точек эксперимента основывается на практическом опьпе выполнения измерений и неформальных соображениях. На карте местности определяются точки проведения измерений (рис. 1).

Рассчитывается матрица кратчайших расстояний между всеми точками. Кратчайшее расстояние - условное понятие, в общем случае в качестве условного расстояния могут быть взяты стоимость и время. Матрица кратчайших расстояний имеет следующий вид.

Табл. 1

/'/ 1 2 п

/ СО ¡12

2 12/ 00 12п

п 4/ 1,2 оо

Определение оптимального маршрута мобильной ИИС в таком виде является задачей о Коммивояжере и может быть записана

п п

следующим образом: минимизировать /,-Х,-, где /,-,-=оо,

» п

У У

1=--1,2...п\ при >(¡/=1, 1=1,2...п. (отъезд), ¿-< Х{г-1, /=/,2...п.

./-1 (=1 у

(прибытие), где Х:] - неотрицательные целые при всех / и / решение есть цикл.

В результате решения задачи Коммивояжера получаем оптимальный маршрут мобильной ИИС.

Неизбежная идеализация объекта при построении его модели приводит к несоответствию измеряемой величины как параметра модели исследуемому свойству реального объекта - пороговому несоответствию. В таком случае необходимо уточнить модель. Подлежащие контролю вредные загрязняющие вещества пространственно распределены в воздушной среде и имеют характеристики, изменяющиеся во времени вследствие химического воздействия и разбавления под воздействием температуры, солнечной радиации, ветра и осадков.

1 100000

отловные обозначения

с покрытием (шоссе)

без покрытия (улучшенные грунтовые дороги) грунтовые, проселочные дороги полевые, песные, зимние дороги источник: рыг.рс-са ваправАЕНИЕ вггра

Р

ИС. 1

Карча местности с выбранными точками проведения контрольных измерений и след выброса

Анализ различных источников показал, что погрешность, вносимая каналами измерения, составляет в среднем около 20% и имеет различные значения при измерении различных примесей. В силу случайного характера отдельных параметров процесса загрязнения одиночные локальные измерения значений концентрации обладают низкой информативной достоверностью,

что учитывается при формировании требований на создаваемые технические средства и обработку информации от них.

В качестве модели для построения теоретического следа взята нормативная в России методика ОНД-86. Она позволяет рассчитать значение разовой концентрации вредных веществ, которое определяется при наиболее неблагоприятных метеорологических условиях. Исследования показали, что одним из важнейших параметров, задающих форму факела выброса, является скорость ветра.

Скорость и направление ветра не являются стационарными величинами, их изменение влияет на форму факела. Графически это показано на Рис.2.

Схема изменения формы факела от а) направления и б) силы ветра; в) схема результатов моделирования формы факела с доверительным интервалом.

В методике ОНД-86 скорость ветра определена как постоянная величина. Исследование поведения модели в зависимости от нестационарности ветра были проведены в различных работах и были получены формульные зависимости погрешности модели от значения силы ветра для различных областей следа загрязнения. Графически это представлено на рис.3, области обозначены цифрами 1,2 и 3; построены значения СКО, соответствующие этим областям.

в).

'х

Рис. 2

Формулы СКО, соответствующие этим областям: аа(и)=2.3-0.0би-0.8еи аС2(и)=1.б-0.04и-0.5еи, <тсз(иМ.9-0.9еи.

/

\| 1 >

У х

0,5

- - - -ско1 -ско2

— - -скоЗ

Рис.3

и

Схема разделения следа на области и график соответствующих им

СКО.

В четвертой главе разработан алгоритм определения маршрута измерений мобильной ИИС, проведен анализ точности измерений, разработаны методики планирования измерений при постоянном контроле параметров среды и при выбросе вредных веществ из одиночного источника в атмосферный воздух.

Краткое описание методики проведения контрольных измерений рассеяния вредных примесей в атмосферном воздухе при измерении фоновых концентраций:

1. Подготовительный этап.

Выбор точек измерений на автомобильных магистралях, шоссейных, проселочных и лесных дорогах, в которых будут проводиться измерения мобильной ИИС.

Составление матрицы кратчайших расстояний между этими точками {¡¡¡}л , где п - количество точек измерений, Ц (км) -условное расстояние между точками / и у.

2. Определение маршрута мобильной ИИС.

Определение кратчайшего маршрута мобильной ИИС при

найденных кратчайших расстояниях между точками измерений является задачей Коммивояжера и решается методами исследования операций.

3. Проведение измерений.

Проведение однократных измерений во всех точках, выбранных в п.1, в соответствии с маршрутом, определенным п.2 методики.

Краткое описание методики проведения измерений по контролю рассеяния вредных примесей в атмосферном воздухе при выбросе вредных веществ из одиночного источника:

1. Подготовительный этап.

Выбор точек измерений вокруг предполагаемого источника выброса вредных веществ на автомобильных магистралях, шоссейных, проселочных и лесных дорогах в пределах радиуса возможного загрязнения. Составление матрицы кратчайших расстояний между этими точками {1у}" , где п - количество пунктов измерений.

2. Планирование измерений.

2.1. При выбросе вредных веществ в атмосферу из источника определяются метеорологические параметры атмосферы (скорость и направление ветра, влажность, атмосферное давление и т.д.) и характеристики выброса (скорость истечения газа из дымового отверстия, масса выброса вредного вещества и т.д.). Моделируется след рассеяния вредной примеси.

2.2. Определение маршрута мобильной ИИС.

Рабочий маршрут определяют в районе возможного загрязнения по следу, очерченному моделью, то есть выбираются те точки измерений, определенные в п. 1, на которые ложится модель следа рассеяния вредных примесей.

2.3. Проведение измерений.

Проведение однократных измерений в пунктах измерений. Результатом является п значений концентрации вредных веществ

С, =Си, ±КрхаГи; РД.

2.4. Анализ измеренных данных и результатов моделирования.

Проверка адекватности при помощи функции Лапласа модели данным, полученным в результате измерений с,-. Сравнение проводится в точке измерений с,- со значением концентрации Сд«, рассчитанным с помощью модели в этой точке:

Примем за нулевую гипотезу H0: C ¡=C M¡; конкурирующая гипотеза Н,: С & С м.

^ ~ С и — С

Снаол = —, ■ ■■

/2 2 д/СГ + СГ с

Если ¡Снабл! <Скр, то нулевую гипотезу отвергаем, то есть выборочные средние различаются значительно. Значение критической точки Скр находят по равенству Ф(Скр)=(1-а)/2,

где Ф - функция Лапласа, а - уровень значимости (а=1-РД).

При адекватности результатов моделирования значениям концентрации, полученным в результате измерений, продолжают дальнейшее проведение измерений в соответствии с определенным маршрутом мобильной ИИС. Переход в п.2.3. В противном случае модель настраивают по экспериментальным данным.

2.5. Настройка модели по контрольным измерениям.

При неадекватности модели ее подстраивают по экспериментальным данным методом наименьших квадратов:

V = -t (Cj-CMjy

где суммирование производится по тем пунктам, по которым имеются данные измерений. V=V(U,co,Q ...) -критерий, зависящий от параметров модели U,a>,Q ...(сила и направление ветра, скорость истечения газов из дымового отверстия, мощность источника), находятся такие параметры модели U,co,Q ..., при которых V обращается в минимум. Строится новая уточненная модель. Возврат в п. 2.2.

Критерием окончания проведения измерений является проведение измерений во всех выбранных точках при адекватном отражении моделью рассеяния примеси измеренных значений. Причем считается, что данный критерий имеет сходимость.

Схема алгоритма измерений приведена на рис. 4.

Рис. 4

Схема алгоритма измерений мобильной ИИС при контроле выброса вредных веществ.

Проведен анализ точности восстановленного следа рассеяния примеси в атмосферном воздухе по предложенной методике. При адекватности результатов моделирования экспериментальным данным значения концентрации в каждой точке можно объединить:

С., /сг* + С.,; /сг%.

С, =

_см1 ад а

Дисперсия этой средневзвешенной оценки:

4 4

гт 2 — С/ см 1

а ~ гт 2 А. ГГ 2

+ ^сш

Воспользуемся формулой относительной погрешности г-го измерения значения концентрации:

р1—крсгсл1 С,.; Где кр _ коэффициент доверительной

вероятности, С, - значение концентрации вредных веществ, измеренное в г-ой точке. Получаем, что относительная погрешность модели может быть оценена по следующей формуле:

И V р2 + , где р и рм - относительные погрешности

измерений и модели соответственно.

Таким образом, предложена методика определения оптимального маршрута мобильной ИИС, обеспечивающая восстановление границ загрязнения с определенной доверительной вероятностью, использующая как результаты моделирования, так и результаты контрольных измерений.

В приложении приведен алгоритм решения задачи о Коммивояжере.

Основные результаты, полученные в работе:

1. Проведен анализ точности измерительных каналов и отдельных средств измерения, используемых для измерений значений концентрации, а также исходных данных построения модели рассеяния примеси. Сформулированы требования к выбору средств измерений;

2. Показана целесообразность использования мобильных ИИС по сравнению с сетью стационарных постов и разработан алгоритм оптимального выбора точек контрольных измерений концентрации вредных веществ при использовании мобильных ИИС;

3. Разработан алгоритм настройки модели ОНД-86 по результатам измерений, обеспечивающий оптимизацию определения границ области загрязнения;

4. Разработан алгоритм совместной оценки точности проводимых полевых измерений и результатов моделирования, позволяющие определить точность восстановленного следа;

5. Разработаны методики организации измерений мобильной ИИС, основанные на разработанных алгоритмах настройки модели и учитывающие топографические характеристики района загрязнения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Алексеев В.В., Ламберт Е.В. Алгоритм адаптации параметров модели по результатам контрольных измерений // Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций: Тез. докл. научно-техн. конф., С.-Петерб., 24-25 ноября 1999 г. - СПб., 1999. - С. 113.

2. Ламберт Е.В. Модели и измерения при мониторинге окружающей среды // Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон: Всерос. науч. конф.: Тез. докл., С.-Петерб., 16-18 нояб. 1999 г. - СПб., 1999.-С. 34-35.

3. Ламберт Е.В. Планирование эксперимента при контроле рассеяния примеси / С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. -СПб., 2000. - 8 с. - Деп. в ВИНИТИ 16.02.2000, № 399-ВОО.

4. Ламберт Е.В. Использование метода наименьших квадратов при уточнении модели рассеяния вредных примесей / С.-Петербургск. гос. электротехн. ун-т. - СПб., 2000. - 3 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.02.2000, № 368-В00.

Введение.

Глава 1. Объект исследований и постановка задачи.

1.1. Актуальность вопросов охраны окружающей среды и количественные оценки.

1.2. Экосистема - как объект исследования.

1.3. Особенности планирования эксперимента в экосистеме.

Постановка задачи.

Глава 2. Моделирование рассеяния примеси в атмосфере.

2.1. Уравнение турбулентной диффузии.

2.1.1. Гауссова модель.

2.1.2. ОНД-86.

2.2. Анализ современных методов моделирования распространения примесей в воздушной среде.

Выводы.

Глава 3. Метрологический анализ.

3.1. Организация мониторинга окружающей среды.

3.2. Этапы измерений.

3.3. Инструментальное обеспечение измерений.

3.3.1. Нормы оценки концентрации вредных веществ в атмосфере.

3.3.2. Точностные характеристики средств измерений.

3.4. Точность модели.

Выводы.

Глава 4. Планирование измерений.

4.1. Алгоритм определения маршрута мобильной ИИС.

4.2. Анализ точности проведения измерений.

4.3. Алгоритм настройки модели по экспериментальным данным.

4.4. Методики проведения измерений по контролю рассеяния примеси.

4.4.1. Методика 1. Проведения контрольных измерений в рабочем режиме.

4.4.2. Методика 2. Проведения контрольных измерений при выбросе вредных веществ в атмосферу.

Выводы.

Важность проблемы охраны окружающей среды в наше время не вызывает сомнений. Интенсивно развивающаяся промышленность вызывает постоянное увеличение уровня загрязнения атмосферы. Во многих индустриальных районах уровень загрязняющих выбросов превышает величины, к которым могут адаптироваться организм человека и биосфера в целом. Неудовлетворительное состояние окружающей среды приводит к гибели растительности, приносит вред здоровью человека. Дальнейшее развитие этих процессов приобретает глобальное значение.

Вопросы охраны окружающей среды связаны, как правило, с тремя ее основными составляющими - атмосферой, гидросферой и литосферой. За последние десятилетия серьезной международной проблемой стала защита атмосферы от загрязнения - следствия хозяйственной деятельности человека. По сравнению с другими составляющими окружающей среды атмосфера обладает большей пространственной подвижностью и загрязняется наиболее быстро.

В такой ситуации развитие промышленности должно сопровождаться разработкой новых технологий, которые бы позволили предотвращать выбросы в атмосферу или ограничивать их до допустимого уровня. Такие превентивные меры оказываются не всегда успешными или просто не проводятся, поэтому при наличии загрязняющих выбросов встают проблемы определения области, района с повышенным уровнем загрязнения и принятия решения по полученным данным.

Определение параметров загрязнения позволяет:

1. Выявить вещество с концентрацией превышающей предельно-допустимое значение;

2. Выявить источник загрязнения каждым веществом и долю участия этого источника;

3. Определить необходимые меры по стабилизации значений концентрации вредных веществ.

Сложность природных экосистем, значительное разнообразие типов взаимодействий, а также возросшая потребность в количественных методах анализа, оценки и прогноза состояния экосистем обусловливают ту особую роль, которую играет метод математического моделирования в исследованиях по проблеме окружающей среды.

В настоящее время наиболее распространенными методиками по расчету рассеяния примеси в атмосферном воздухе являются методики, основанные на полуэмпирическом уравнении диффузии для построения следа выброса вредных веществ: ОНД-86 (общесоюзный нормативный документ) и Гауссова модель, используемая учеными США. Эти методики позволяют построить след выброса вредных веществ в воздушной среде, располагая метеорологическими данными (скорость ветра, состояние атмосферы, температура, давление и так далее), параметрами источника выброса веществ, топографическими и географическими данными исследуемого района.

Таким образом, встает вопрос, во-первых, проверки этих моделей, то есть, планирование измерительного эксперимента, проведение измерительного эксперимента, корректировка следа выброса на основе данных, полученных в результате измерительного эксперимента; и, во-вторых, определения точностных характеристик имеющихся данных.

В данной работе рассматриваются существующие модели следов выброса вредных веществ, анализируется их различие, проводиться анализ метрологических характеристик и решается задача адаптации существующего расчета модели ОНД-86 по метеорологическим, картографическим, топографическим данным к экспериментальным данным измерения концентрации вредных веществ, также разработана практическая методика проведения эксперимента.

Основные результаты, полученные в работе:

1. Проведен анализ точности измерительных каналов и отдельных средств измерения, используемых для измерений значений концентрации, а также исходных данных построения модели рассеяния примеси. Сформулированы требования к выбору средств измерений.

2. Показана целесообразность использования мобильных ИИС по сравнению с сетью стационарных постов и разработан алгоритм оптимального выбора точек контрольных измерений концентрации вредных веществ при использовании мобильных ИИС.

3. Разработан алгоритм оценки точности проводимых полевых измерений и совместной обработки их с теоретическими данными.

4. Разработан алгоритм настройки модели ОНД-86 по результатам измерений, обеспечивающий оптимизацию определения границ области загрязнения.

5. Разработана методика организации измерений мобильной ИИС в условиях чрезвычайной ситуации и в рабочем режиме, основанная на разработанных алгоритмах настройки модели и учитывающая топографические характеристики района загрязнения.

Заключение

Контроль состояния окружающей среды является необходимым для устойчивого развития общества. Инструментом контроля является экологический мониторинг, который призван выявлять изменения окружающей среды под воздействием антропогенного фактора.

Антропогенное воздействие на экосистему, например, какая-либо хозяйственная операция имеет положительный частный эффект и оказывает некоторое отрицательное воздействие на биосферу, малым значением которого пренебрегают, но действие которого в настоящее время приобретает большее значение. Сейчас можно сказать что «побочный эффект», то есть вредное влияние, оказываемое на окружающую среду, приобрело такое глобальное значение, что бесконтрольная эксплуатация приносит уже только убытки, как в денежном, так и в других выражениях.

Надежность и информативность качественных оценок уже не соответствуют сложности и ответственности задач, которые ставит нам практика, необходимы количественные оценки. Так как человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях, то его взаимодействие с объектом - исследование или преобразование - возможно лишь на основе модели объекта.

Ограничение количества наблюдений и трудности при оценки источника загрязнения, а также невозможность проведения широкого эксперимента в масштабах реальной экосистемы и моделирование динамики экосистемы в лабораторных условиях подтверждают целесообразность использования математического моделирование для получения информации о рассеянии примесей в атмосферном воздухе.

Таким образом, для получения информации о рассеянии примеси в атмосферном воздухе определяется модель, используемая для расчета рассеяния примеси; производится планирование измерительного эксперимента в соответствии с поставленными задачами; согласовываются теоретические и экспериментальные данные; определяется точность данных о рассеянии примеси в атмосферном воздухе.

Сравнительный анализ полей концентрации от постоянно действующих точечных источников, рассчитанных с помощью различных методик, показывает, что они весьма не похожи по форме факела и по значению концентрации, отличающихся порой на порядки.

Существующие методики расчета рассеяния примеси опираются в основном на полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии и с использованием "/^-теории":

За д 1 да д , с . , . „ . . и -2- = -Ь —2- + -Тг -2- + О 3 (г - к)д (х). дх ду К > ду дг К 2 дг ^ У

Основу теории" составляют существующие аналогии между турбулентным и молекулярным переносом импульса, тепла и примеси. Вектор потока принимает следующий вид: и-Г дх где к1 — тензор коэффициента турбулентного обмена для соответствующей примеси.

Эта система уравнений позволяет построить трехмерную модель атмосферного пограничного слоя в горизонтальных масштабах в десятки и сотни километров.

Определенную сложность представляет собой описание распределение примеси в верхней части пограничного слоя. Недостаточно также данных о взаимодействии очень мелких частиц с подстилающей поверхностью, а также сведений о поведении примеси в условиях сложного рельефа и городской застройки. Мало данных о мезо-масштабных закономерностях, определяющих рассеяние примеси на большие расстояния. Определенная осторожность требуется при расчетах диффузии во время нестационарных метеорологических условий. Также возникают сложности при определении средней скорости ветра.

Нормативными методиками в США и в России являются, соответственно, методика "ЕРА-US" и ОНД-86. Методика "EPA-US" предлагает рассчитывать форму факела по гауссовой модели. Коэффициенты турбулентной диффузии оказываются функциями времени полета примеси. Методика ОНД-86 использует способ задания профиля коэффициента в виде так называемой модели с изломом, в которой коэффициенты турбулентной диффузии задаются в зависимости от температурной стратификации.

Основная погрешность данных, полученных, например, с помощью методик "ЕРА-US" и "ОНД-86", составляет не менее 30%.

Рассмотрение различных ситуаций показало, что для контроля характеристик окружающей среды на территории больших районов, районов временных производств, чрезвычайных ситуаций или при проведении инспекционных работ целесообразно применять мобильные лаборатории.

Для определения рабочего маршрута определяются оптимальные точки пространственного эксперимента. Для этого предварительные данные о состоянии атмосферного воздуха, метеорологические данные, данные выбросов вводятся в ситуационную модель экологического объекта.

Идеализация объекта при построении его модели приводит к несоответствию модели исследуемому реальному объекту - пороговому несоответствию, поэтому модель переопределяется, уточняется. Из-за сложности объекта и недостаточного развития теории планирования эксперимента решение основывается на практическом опыте выполнения измерений и неформальных соображениях.

Подлежащие контролю вредные загрязняющие вещества пространственно распределены в воздушной среде и имеют характеристики, изменяющиеся во времени вследствие химического воздействия и разбавления под воздействием температуры, солнечной радиации, ветра и осадков. Погрешность, вносимая каналами измерения, составляет в среднем 20% и имеет различные значения при измерении различных примесей. В силу случайного характера процесса загрязнения одиночные локальные измерения значений концентрации обладают низкой информативной достоверностью, что должно учитываться при формировании требований на создаваемые технические средства и обработку информации от них. Поэтому экспериментальные в ходе предварительного анализа данные проверяются с помощью статистических критериев.

Методика ОНД-86, которая является нормативным документом и используется в данной работе для построения модели рассеяния примеси, позволяет рассчитать значение разовой концентрации вредных веществ. Учитывается нестационарность скорости ветра, форма следа принимает более размытое значение, рассчитывается доверительный интервал. Далее используется коррекция модели факела по экспериментальным данным. Для получения экспериментальных данных и дальнейшей их обработки разработана методика, для проведения измерений в рабочем режиме и чрезвычайной ситуации.

1. Горелик Д.О., Коиопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников загрязнения. Аэродинамические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1992.-432 с.

2. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение,1990.-288 с.:ил.

3. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров/ Пер.с польского. М.: Мир, 1989.-335 е., ил.

4. Планирование эксперимента и методы обработки его результатов. Линейный регрессионный анализ. Критерии оптимальности. Планы ПФЭ и ДФЭ: Методич. рук. Новоросийск: НПО «Союзстройэкология», 1988.84 с.

5. Эколого-геохимический анализ техногоенного загрязнения. М.: ИМГРЭ,1991.-167 с.

6. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.-166 с.

7. Планирование эксперимента в биологии и сельском хозяйстве: Учебное пособие для слушателей ФПК/ Под ред. В.Н. Максимова. М.: Изд-во МГУ, 1991.-222 с.

8. Экологическое картографирование с использованием аэрокосмической информации. М.: ЦНИИГА и К, 1993.-103 с.

9. Черный A.A. Планирование экспериментов и математического моделирование процессов. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1977.-81 с.

10. Ю.Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т.1. -Л.: Институт прикладной геофизики, 1978.-184 с.

11. Экологический мониторинг. Методы биомониторинга. В двух частях. Часть 1: Уч. пособие/ Под ред. проф. Д.Б. Гелашвили. Н. Новгород: Изд-воННГУ, 1995.- 195 с.

12. Алексеев В.В. Мобильная аналитическая лаборатория — эффективное средство мониторинга // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. -1995.-№ 1.-С. 17-19.

13. Донченко В.К., Ростоскуев В.В., Романюк Л.П. Разработка информационных систем экологической безопасности // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 2. - С. 17-20.

14. Измайлов В.И., Измайлов A.B. Управление безопасностью и риском при неблагоприятной экологической обстановке и чрезвычайных ситуациях // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 2. - С. 10-11.

15. Алексеев В.В., Королев П.Г., Куракина Н.И. Система сопровождения мобильных средств мониторинга ОС // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности: спец. выпуск. 1996. - март. - С. 30-35.

16. Алексеев О.В., Викторов А.Д., Кутузов В.М. Проблемы и пути создания систем мониторинга окружающей среды // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 1. - С. 5-12.

17. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Учеб. пособие для вузов.-СПб.: Химия, 1997.-240 е.: ил.

18. Горелик О.Д., Конопелько JI.A., Панков Э.Д. Экологический мониторинг: Уч. В 2-х томах. Оптико-электронные приборы и системы. Т.2: СПб., 1998.-592 с.

19. Методы и средства контроля промышленных выбросов и загрязнения атмосферы и их применение. М., 1988.-276 с.

20. Бызова H.JL, Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеивания примеси. JL, 1991.-278 с.

21. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ, изд.: В 2-х ч. 4.2. / Пер. с англ.; Под ред. Кальверта С., Инглунда Г.М. М.: Металлургия, 1988.-712 с.

22. Бызова H.J1. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1974.-192 с.

23. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей/ Под ред. Ф.Г.М. Ньюстарта и X. Ван Дона. JL: Гидрометеоздат, 1985.-351 с.

24. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы.- JL: Гидрометеоиздат, 1975.-448 с.

25. Вызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным. М.: Гидрометеоиздат, 1973.-46 с.

26. Метеорология и атомная энергия/ Под ред. Д. Слейда. -Д.: Гидрометеоиздат, 1971.-674 с.

27. Братсерт У.Х. Испарения в атмосфере/ Пер. под ред. A.C. Дубова. JL: Гидрометеоиздат, 1985.-354 с.

28. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий СН 369-74. М.: Стройиздат, 1975.-41 с.

29. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Вена: Международое агенство по атомной энергии, 1980.-106 с.

30. Гаргер Е.К., Найденов A.B. К сравнению различных методик расчета поля концентрации примеси от высотного источника. // Тр. ИЭМ. 1986. -Вып. 37 (120).-С. 56-86.

31. Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД 86. - JL: Гидрометеоиздат, 1987. - 94с.: ил.

32. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск, 1985.

33. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М., 1982.

34. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика.-М.: Высшая школа, 1972.- 368 е.: ил.

35. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 е.: ил.

36. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 е.: ил.

37. Страшкраба М., Гнаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М.: Мир, 1989. - 373 е.: ил.

38. Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 224 с.

39. Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 607 с.

40. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: Иностранная литература, 1962. 512 с.

41. Мудров В.И. Задача о коммивояжере. М.: Знание, 1969. 61с.: ил.

42. Ламберт Е.В. Модели и измерения при мониторинге окружающей среды // Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон: Всерос. науч. конф.: Тез. докл., С.-Петерб., 16-18 нояб. 1999 г. СПб., 1999. - С. 34-35.

43. Казанский А.Б., Монин A.C. О форме дымовых струй // Изв. АН СССР. Сер.Геофиз. 1957. - № 8. -С. 1020 - 1033.

44. Израэль Ю.А. Осуществление в СССР системы мониторинга загрязнения природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 129 с.

45. Небел Б. Наука об окружающем мире. М.: Мир, 1993. Т.1. - 424 е.; Т.2. -336 с.

46. Акимова Т.А. Хаскин В.В. Основы экоразвития. М.: Изд-во Росс. Эконом. Академии, 1994. 312 с.

47. Туманова Л. А. Автоматизированные системы контроля качества окружающей среды: Аналит. обзор. М.: Изд-во СП Интерквадро, 1989.

48. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Изд-во Химия, 1981.

49. Горелик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1986.

50. Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Издат. Центр Россия молодая, 1994. - 367 с.

51. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 375 с.

52. Лейбкинд А.Р., Руднева Е.В., Рудник Б.Л. Проблемы метрологии и организации разработки комплексных программ. М.: Наука, 1983.

53. Теоретические основы и опыт экологического мониторинга / Под ред. В.Е. Соколова и Н.И. Базилевича. М.: Наука, 1983. - 252 с.

54. Пфанцагль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976.

55. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 1-9. / Под ред Ю.А. Израэля. Л.: Гидрометеоиздат, 1975 -1989.

56. Алексеев В.В., Ламберт E.B. Алгоритм адоптации параметров модели по результатам контрольных измерений // Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Тез. докл. науч.-техн. конф., С.-Петерб., 24-25 нояб. 1999 г. СПб., 1999. - С. 113.

57. Тихомиров В.А. Интегральный информационно-аналитический комплекс радиоэкологического мониторинга: Автореф, дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук: 30.07.1997 М., 1997. 24 с.

58. Бородин Р.В. Исследование и разработка методов и систем программного обеспечения анализа данных, характеризующих радиационное загрязнение окружающей среды. Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук: 30.10.1996. М., 1996. - 22 с.

59. Годько A.M., Бородин Р.В. Технология компьютерной обработки результатов аэрогамма-съемки. Методика и некоторые результаты авиационной гамма съемки радиоактивного загрязнения территории европейской части России. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994.

60. Компьютерное информационное обеспечение задач анализа радиационной обстановки на территориях, загрязненных в результате аварии на Чернобыльской АЭС. / Вакуловский С.М. и др. // Радиация и риск: Бюл. 1993. - Вып. 3.- С. 39-61.

61. Шишкин А.Й., Дружинин Н.И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. JL: Гидрометеоиздат, 1989. - 390 с.

62. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1982. - 671 с.

63. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М.: Наука, 1984.-319 с.

64. Ландсберг Г.Е. Климат города. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 248 с.

65. Семенова H.H. Методология иммитационного моделирования в исследовательских задачах защиты растений // Тр. Всерос. съезда по защите растений. 1996.

66. Полуэктов P.A. и др. Компьютерная система поддержким решений при управлении агроэкологическими системами // Информатика и вычисл. техника. 1993. - № 1-3.

67. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1986.- 256 с.

68. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979. - 496 с.

69. Методы анализа загрязнения воздуха / Дугов Ю.С., Беликов А.Б., Дьякова Г.А., Тульчинский В.М. -М.: Химия, 1984.

70. Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. -М.: Изд-во стандартов, 1989.

71. Шаевич А.Б. Аналитическая служба как система. М.: Химия, 1981.

72. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1975.

73. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов на основе математикостатистичесткой теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1956.

74. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. — Д.: Энергия, 1980.

75. Кораблев Н.В. Использование статистических методов при проектировании и оптимизации эксплуатационных режимов аналитических приборов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1983.

76. Экологическое обеспечение деятельности сил ВМФ (роль природоохранных комплексов контроля загрязненности природной среды) / Алексеев В.В., Гвоздецкий О.Г., Королев П.Г., Куракина Н.И. // Мониторинг. 1997. - Спец. вып, июнь. С. 10-12.

77. Допустимые выбросы радиоактивных веществ в атмосферу / E.H. Теверовский, Н.Е. Артемова, A.A. Бондаренко и др.; Под ред. E.H. Теверовского, И.А. Терновского. М.: Энергоатомиздат, 1985. -216с.

78. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 е.: ил.

79. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1992. - 252 е.: ил.

80. Методические указания по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями Министерства бытового обслуживания населения РСФСР. М.: ЦБНТИ, 1990. - 157 е.: ил.

81. Методические указания по расчету выбросов вредных веществ автомобильным транспортом. М.: Гидрометеоиздат, 1985. - 65 с.