автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Разработка методики, алгоритмов и программного обеспечения оценки экологического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации

На правах рукописи

ЧЕРВАНЕВ Виктор Олегович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЩЕРБА, ОБУСЛОВЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЕМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА В ГОРОДСКОЙ АГЛОМЕРАЦИИ

Специальность 05 13 18 - «Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2007

003174850

Работа выполнена на кафедре информатики ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель ■

Официальные оппоненты

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Зобнин Борис Борисович

Никонов Олег Игоревич

доктор физико-математических наук,

профессор, ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»

Бабенко Александр Григорьевич кандидат технических наук, доцент, ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Институт промышленной экологии УрОРАН

Защита состоится «(Ъ »

2007 г в _21° часов на заседании

диссертационного совета К 212.285 02 при Уральском государственном техническом университете - УПИ по адресу 620002, г Екатеринбург, ул Мира, 32, ауд 217 (Факс (343) 3747685), Б-mail hsienko@mail ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ»

Автореферат диссертации разослан «¡2- » октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

В А Морозова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Свердловская область занимает третье место в России по степени загрязнения воздушного бассейна Темп роста объема выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух оценивается в 5-7% в год, что обусловлено значительной концентрацией в населенных пунктах промышленных предприятий, наличием залповых и аварийных выбросов при нестабильном режиме работы производства, отсутствием или неэффективной работой газоочистного оборудования

Из-за недостаточного контроля систем газоочистки со стороны персонала предприятий большая часть оборудования работает не в проектных режимах, а часто не работает вообще Проблема усугубляется использованием устаревших технологий и значительной долей основных фондов с высоким моральным и физическим износом

Серьезную озабоченность вызывает ситуация в крупных промышленных центрах, связанная с загрязнением воздуха автомобильным транспортом Санитарно-гигиеническая обстановка в периоды неблагоприятных метеоусловий имеет чрезвычайный характер. Неудовлетворительное состояние автомагистралей в городе приводит к тому, что кроме вредных выбросов отработавших газов в атмосферный воздух поступает значительное количество твердых частиц Причем, вещества, выбрасываемые автотранспортом, поступают непосредственно в приземный слой атмосферы и значительно хуже рассеиваются в черте городской застройки, чем выбросы от стационарных источников, поступающие в атмосферу на большой высоте

Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха кроме автотранспорта вносят предприятия топливно-энергетического и металлургического комплексов

Существующий уровень загрязнения атмосферного воздуха в городах Свердловской области снижает ее инвестиционную привлекательность и является серьезным препятствием для развития в области наукоемких технологий и туристического бизнеса

В настоящее время мониторинг загрязнения воздушной среды городской агломерации Екатеринбурга выполняется отдельными стационарными станциями и постами Уральского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Редкая сеть станций мониторинга не. позволяет непосредственно контролировать реальное пространственно-временное состояние воздушной среды с необходимой детальностью и оперативностью

Возникает проблема выбора сценариев уменьшения эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации, при реальных ограничениях на имеющуюся информацию, включающую в себя результаты наблюдений на существующих станциях мониторинга, кадастры объектов-загрязнителей и метеорологические данные о воздушных потоках Под сценарием понимается воображаемая, но не

противоречащая известным закономерностям последовательность действий и вытекающих из них событий, которые могут произойти в будущем с исследуемой системой

Тема диссертации поддержана грантом РФФИ № 04-01-95096 Объект исследования. Процедуры поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации

Предмет исследования. Методология и инструментарий оценки эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации при различных сценариях функционирования источников загрязнения и структуре наблюдательной сети Цель и задачи исследования.

Разработать методику, алгоритмы и программное обеспечение, создающие основу системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации с учетом реально имеющейся информации

Исходя из цели работы автором, были поставлены и решены следующие

задачи

1 Разработать схему вычислительного эксперимента, позволяющего оценить в реальном времени распределение концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе при известных метеоусловиях и режимах функционирования источников загрязнения

2. Разработать методику определения вероятностей обнаружения выбросов от стационарных источников загрязнения при известной динамике изменения метеоусловий и заданном взаимном расположении наблюдательных постов и источников загрязнения

3 Разработать макетный образец автоматизированной системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы вычислительного эксперимента, математической статистики, системного анализа, объектно-ориентированного анализа и проектирования, математического моделирования

Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем

1 Предложена концепция системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации, использующая многократное решение прямой задачи распространения загрязнения от стационарных источников при известных режимах их работы, контролируемых метеоусловиях и варьируемом расположении наблюдательных постов

Выбор сценариев уменьшения эколого-экономического ущерба должен производиться с учетом прогноза, учитывающего динамику изменения количества и интенсивности движения транспорта на территории городской агломерации, а также динамику генерации выбросов при работе стационарных источников загрязнения

2 Предложено производить идентификацию источников загрязнения, нарушающих предельно допустимые выбросы, на основании сопоставления результатов наблюдения концентраций загрязнителей на стационарных наблюдательных постах и результатов решения прямой задачи распространения этих загрязнителей от источников выбросов

3 Разработан макет системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что:

1 Разработана система поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, отличающаяся от известных наличием программных модулей, позволяющих оценить в реальном времени распределение концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе при известных метеоусловиях и режимах функционирования источников загрязнения

2 Предложена структура упрощенной динамической модели загрязнения атмосферного воздуха, позволяющая при минимальной априорной информации решить прямую задачу распространения загрязнений от стационарных источников

3 Установлена возможность идентификации источников загрязнения, нарушающих предельно допустимые выбросы, по результатам наблюдения концентраций загрязнителей на стационарных наблюдательных постах при известной динамике распространения этих загрязнителей от источников выбросов

4 Предложено производить распознавание источников загрязнения, нарушающих предельно допустимые выбросы, путем сопоставления сочетаний загрязнителей, выявленных при обработке экспериментальных Данных, с расчетными сочетаниями, полученными путем решения уравнений массопереноса при известных объемах выбросов и метеоусловиях, определяющих условия распространения загрязнителей

Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов обеспечивается корректным использованием численных методов, сопоставлением результатов моделирования и экспериментальных данных, сопоставлением полученных результатов с известными результатами, содержащимися в научной и справочной литературе, а также успешным внедрением выполненных разработок

Практическая ценность работы. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет для конкретной городской агломерации с

использованием реально имеющейся информации произвести выбор наилучшего сценария уменьшения эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха Система поддержки принятия решений может быть использована в учебном процессе

Личный вклад автора состоит в разработке и исследовании процедур поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации, а также в разработке информационного, алгоритмического и программного обеспечения системы

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы Министерством промышленности, энергетики и науки Свердловской области для разработки требований к автоматизированной системе мониторинга загрязнения атмосферного воздуха Материалы диссертации включены в учебные курсы для студентов специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления» направления 654600 - «Информатика и вычислительная техника» Уральского государственного горного университета, г Екатеринбург

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Уральской горнопромышленной декаде (г Екатеринбург, 2005 г), Третьих научных чтениях памяти ЮПБулашевича «Глубинное строение Геодинамика Мониторинг Тепловое поле земли Интерпретация геофизических полей» (г Екатеринбург, 2005 г), XXXIII сессии Международного семинара им Д Г Успенского «Геологическая интерпретация гравитационных, магнитных и электрических полей» (г Екатеринбург, 2006 г.)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в одной публикации в издании, рекомендованном ВАК

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 161 странице машинописного текста, включая 33 рисунка, 22 таблицы, и состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 74 источников отечественных и зарубежных авторов, четырех приложений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во вступительной части сформулированы актуальность темы, цели и задачи исследования, дана характеристика ее научной новизны и практической ценности, отражены результаты внедрения работы и ее апробация

Ухудшение экологической обстановки в регионе требует незамедлительного принятия мер по разрешению создавшейся критической ситуации. Однако разработка способов уменьшения вредного техногенного влияния на окружающую среду невозможна без информационной поддержки принятия решений

Городская агломерация с позиций загрязнения атмосферного воздуха представляет собой нестационарную геотехническую систему, характеризующуюся загрязнением атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, а также почвы Загрязнение, попадая в воздух, почву и воду, может долгое время находиться в ней, при этом происходит накопление вредных веществ в окружающей среде К объектам городской агломерации относятся промышленные объекты, жилые постройки, транспортная сеть и др В границах исследуемой городской агломерации находятся г Екатеринбург и прилегающие города, такие как Первоуральск, Ревда, Дегтярск, Арамиль, Березовский, Верхняя Пышма, Среднеуральск

Существующая система контроля за состоянием атмосферного воздуха в г Екатеринбурге имеет ряд недостатков

- при наличии только интегральных данных не удается исследовать динамику загрязнения в реальном масштабе времени, а следовательно, получить оценки времени экспозиции человека к воздействию загрязнения атмосферного воздуха,

- не удается выявить вклад отдельных источников загрязнения в общее загрязнение атмосферного воздуха, в частности, выделить вклад автотранспорта в загрязнение воздуха,

- отсутствуют процедуры синхронизации информации, полученной в различных пространственно-временных масштабах, и комплексной обработки данных, поступающих из различных источников,

- отсутствует какая-либо интеграция математических моделей, позволяющих решать задачи экспертов и аналитиков, а также получать информацию для поддержки принятия решений, направленных на снижение эколого-экономического ущерба

Вопросам моделирования распространения загрязнения в атмосферном воздухе посвящены работы ME Берлянда, НН Калиткина, С Патанкара, С С Зилиткевича, А С Гаврилова, Б С Мастрюкова, Д Б Сполдинга, Б Г Вагнера, Д JI Лайхтмана, В В Пененко, П Н. Белова, А.Ф Согачева, Г В Менжулина, СП Саватеева Ведутся работы по созданию и развитию программно-технических комплексов и методов оценки влияния загрязнения на окружающую среду в Московском автодорожном институте, Главной геофизической обсерватории (ГТО) им А И Воейкова, НИИ «Атмосфера», ЗАО «Ленэксофт» (комплекс Zone), ООО «ТОРИНС», Агентстве по охране окружающей среды США (EPA USA), Европейском агентстве по охране окружающей среды (ЕЕА), компании CHAM (PHOENICS) и т д

Обобщение имеющихся В научно-технической литературе данных показывает наличие мощных инструментов построения динамических моделей распространения загрязнения, однако при этом отсутствуют средства интеграции разнородных моделей в единый комплекс с целью получения достоверной и актуальной информации об уровне риска здоровью населения, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха

Вторая глава посвящена разработке системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации Подход к решению этой задачи базируется на монографии «Энергоэкологический анализ, программное обеспечение и снижение эколого-экономического ущерба», написанной профессором В Г Лисиенко и коллективом соавторов В диссертационной работе этот подход конкретизируется и развивается применительно к загрязнению приземного слоя атмосферы в городской агломерации с учетом реально имеющихся источников информации

Требования к системе поддержки принятия решений, направленной на уменьшение эколого-экономического ущерба в городской агломерации, следуют, прежде всего, из реально имеющейся информации, к которой относятся

- кадастр источников загрязнения, характеризующий промышленные предприятия как единый источник загрязнения атмосферного воздуха с определенным объемом выбросов, химический состав которых известен,

- результаты дискретных концентраций загрязнителей на стационарных наблюдательных постах, характеризующих загрязнение воздуха на конкретных площадях городской агломерации и определенных отрезках времени,

- результаты дискретных измерений метеоусловий на стационарных наблюдательных постах,

- установленные зависимости между концентрацией загрязняющего вещества в воздухе и вероятностью конкретного заболевания (основой для оценки влияния загрязнения воздуха на здоровье населения являются результаты исследований, проведенных Центром государственного санитарно-эпидемиологического надзора Свердловской области совместно с Уральским региональным центром экологической эпидемиологии, Екатеринбургским медицинским научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промышленных предприятий)

В общем случае известны режимы функционирования источников загрязнения.

Эффективность проектируемой системы поддержки принятия решений обеспечивается качественной и количественной селекцией информации, произведенной с использованием семантической сети, объединяющей алгоритмические, структурные и продукционные знания о загрязнении воздуха в городской агломерации. Основой здесь являются алгоритмические знания, представленные в виде снабженной спецификациями библиотеки подпрограмм, работающих над полем структурированных данных В спецификации включаются сведения о языке программирования, имени и назначении подпрограмм, списки формальных параметров, типе, семантике, способе передачи параметров и т д.

Поступающая на вход системы принятия решений информация подвергается предварительной обработке и верификации

К процедурам предварительной обработки относятся выявление пропусков и обнаружение ложных наблюдений (аномально высокие и аномально низкие значения), фильтрация результатов наблюдений (выявление трендов, сглаживание), синхронизация пространственно-временных масштабов, подготовка метеоинформации (составление полей скорости и направления ветра по результатам фактических наблюдений, методом нелинейной интерполяции в пространстве), задание режимов функционирования источников загрязнения на основе кадастра источников загрязнения Различные источники информации, синхронизированные в пространственно-временных масштабах, образуют информационную подсистему системы поддержки принятия решений.

В ходе обработки результатов контроля решается задача сопоставления расчетных и фактических значений концентраций загрязнителей на определенном участке городской агломерации, а также задача выявления источников загрязнения, нарушающих предельно допустимые выбросы,

Схема алгоритма обработки результатов контроля загрязнения атмосферного воздуха приведена на рисунке 1

Рис 1 Схема алгоритма обработки результатов контроля загрязнения атмосферного воздуха

При разработке алгоритма распознавания уровня загрязнения атмосферного воздуха и предположительного источника загрязнения обоснован вектор признаков

В соответствии с приведенным алгоритмом, результаты фактических измерений концентраций загрязнителей на наблюдательном посту, полученные с интервалом 20 мин, представляются процессом с дискретным временем и конечным множеством состояний

Рассматривается случай, когда множество состояний дискретного процесса Каждой составляющей вектора признаков состоит из двух элементов ноля и единицы Весь промежуток времени, на котором рассматривается процесс, разбивается сеткой с шагом Д Т, соответствующим интервалу дискретизации Процесс в момент времени у полагается равным нулю, если в течение промежутка времени [АТ ], ¿Т большая часть графика

реального процесса расположена «ниже» ПДК, или единице - в противном случае

В таблице 1 приведены параметры импульсной последовательности, полученные по результатам обработки экспериментальных данных по стационарному наблюдательному посту в г Первоуральске за 2004-2006 гг

Таблица 1 - Параметры импульсной последовательности

Вещество Средняя продолжительность импульса, ч Средняя амплитуда импульса, доли ПДКс с Средняя продолжительность нулевого уровня, ч Средняя амплитуда нулевого уровня, доли ПДКс с

СО 3,24 1,26 113,03 0,26

всъ 25,43 1,75 225,15 0,16

1,08 1,37 20,88 0,11

Таким образом, импульсы загрязнений можно представить периодическим двоичным шумом.

Результаты измерений могут быть объединены в кластеры, соответствующие определенным сочетаниям концентраций загрязнителей Параметры конкретных кластеров и вероятности их появления сведены в таблицу 2

Таблица 2 - Параметры кластеров

Вероятность попадания, %

Кластер СО вОг НгЭ Средняя скорость ветра, м/с в диапазоне скорости ветра 0-1,8 м/с в диапазоне скорости ветра 1,83,6 м/с в диапазоне скорости ветра более 3,6 м/с всего

1 0 0 0 2,15 22,92 36,05 8,2 67,17

2 0 0 1 1,67 12,19 9,13 1,87 23,19

3 0 1 0 1,41 3,13 1,95 0,09 5,17

4 0 1 1 0,87 2,43 0,46 0,06 2,95

5 1 0 0 0,5 0,11 0 0 0,11

6 1 0 1 0,11 1,27 0 0 1,27

7 1 I 0 0 0 0 0 0

8 1 1 1 0,18 0,14 0 0 0,14

Каждому кластеру соответствует определенное сочетание режимов функционирования источников загрязнения атмосферного воздуха, которые могут быть определены при известной модели массопереноса загрязнителей, и направление ветра.

Как следует из таблицы 2, свыше 90% случаев соответствуют либо отсутствие нарушений ПДК, либо наличие нарушения по одному из загрязнителей - Н28.

Для соотнесения результатов текущих наблюдений определенному кластеру использован метод максимального правдоподобия (ММП). В соответствии с ММП принимается та из гипотез о принадлежности вектора признаков X, построенного на сегменте к к-му кластеру, которой соответствует большее значение функции правдоподобия выборки.

Модель массопереноса определяет расчетные концентрации загрязнителей на конкретных СНП при всех возможных сочетаниях объемов выбросов на потенциальных источниках загрязнения при конкретных метеоусловиях.

Упрощенная схема системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, представлена на рисунке 2.

Поток загрязнения Концентрация

Рис. 2. Упрощенная схема системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономических потерь, обусловленных загрязнением атмосферного воздуха

Основой системы поддержки принятия решений является комплекс интегрированных моделей и алгоритмов обработки информации, позволяющий получать более достоверную информацию об уровне риска здоровью населения.

Методика интеграции основана на построении упрощенной математической модели распространения загрязнения атмосферного воздуха от стационарных источников, обеспечивающей «стыковку» известных моделей оценки эколого-экономического ущерба, построенных для городской агломерации Предложенное решение задачи интеграции позволяет учесть как детерминированную, так и стохастическую составляющие загрязнения атмосферного воздуха в городской агломерации Детерминированная составляющая описывает закономерные изменения уровня загрязнения, обусловленные, например, интенсивностями транспортных потоков Стохастическая составляющая характеризует заранее неизвестные режимы функционирования стационарных источников загрязнения атмосферного воздуха, вероятностный характер повторяемости метеоусловий, вероятностный характер функции «доза-эффект» при использовании ее в задаче оценки риска здоровью населения

Для интеграции моделей принят ряд допущений

- скорость движения воздушных потоков на территории исследования определяется по материалам фактических наблюдений на метеостанциях,

- область распространения загрязнения ограничена поверхностями, образованными снизу рельефом местности, сверху - выбранным уровнем, с боков - вертикальными плоскостями На границах области распространения обеспечивается условие изоляции слоя,

- полагаем, что известны средние площади загрязнения, обусловленные выбросами от автотранспорта,

- известны режимы функционирования стационарных источников

Интеграция производится путем согласования пространственно-

временных масштабов моделей, синхронизации информации, поступающей из различных источников, использования стандартов обмена информацией между математическими моделями

В основе интеграции моделей лежит банк данных, представляющий собой ГИС-слои, описывающие городскую агломерацию, ее границы, рельеф, плотность распределения населения, пространственное расположение источников загрязнения и постов контроля наблюдательной сети

В третьей главе рассматривается обоснование процедур оценки средних концентраций загрязнителей и расчета эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха, а также методики проведения вычислительных экспериментов и интерпретации полученных результатов.

Формальной физико-математической основой моделирования для прямой задачи являются, уравнение непрерывности потока загрязнения, уравнение движения Эйлера для воздушной среды; уравнение состояния среды и ряд краевых или граничных условий-

(2)

+ div(CF) = /

(F,grad)F +—gracLP = 0 oi p

с

Pp~x = const, ^ = — с

V

где V(t)=(V„ Vy,Vat)- вектор скорости движения воздушной среды, который подчиняется второму уравнению системы (1), С(х, у, z, t) - концентрация изучаемого компонента загрязнения, p(V) - плотность воздушной среды, P{t) -давление, fix, у, z, t) - интенсивность источников загрязнения (в данном случае функция учитывает также поглощение загрязнения средой); ср,с„ - удельные теплоемкости газа, соответственно, при постоянном давлении и постоянном объеме

Скорости движения воздушной среды получены путем наблюдения на сети метеорологических станций и постов

Граничные условия принимаются как dC(x,y,z,t) dt

При этом область распространения загрязнения ограничена поверхностями Г, которые образованы снизу рельефом местности, сверху априорно выбранным уровнем Я, ас боков вертикальными плоскостями. Для верхнего уровня Н концентрация загрязнения пренебрежимо мала (или на Н обеспечиваются условия изоляции слоя). На удаленных от источников боковых вертикальных гранях исследуемой области при отсутствии трансграничного переноса можно принять это же условие С учетом технической реализуемости, в настоящее время можно строить модели на сетках с дискретностью 100 - 200 метров

Дифференциальное уравнение переноса примеси, первое уравнение системы (1), в скалярной форме с детализацией структуры источников можно записать в следующей форме-

81 ' дх ' ду ' dz дх дх ду ду dz dz где F - интенсивность источников загрязнения, R - скорость образования загрязнения за счет химических реакций, Р - скорость уничтожения загрязнения за счет химических реакций, W - скорость выпадения примеси на подстилающую поверхность, С — объемная концентрация загрязнения, Va Vy, Vz- компоненты скорости ветра; к- коэффициент атмосферной турбулентности или диффузии

Граничные условия детализируются в виде-

c<«4> = д,

(6)

дС

при z = #m„ С = О или к— = 0,

при г = 0 к— + КС = РС, Sz

где Р - коэффициент поглощения на поверхности осаждения (зависит от характера подстилающей поверхности, например, лес, водоем, поле, застройки различной этажности и др )

В приближении двумерной (х,у) задачи переноса и постоянном коэффициенте диффузии а также без учета R, Р основное уравнение можно записать

«о.,;* ас i. ^ ^

at дх ду дх дх ду ду

К этому уравнению на достаточно малых сетках по (х, у, t) применим метод простых итераций При известных функциях скорости ветра V—(VX, Vy, t), мощности действующих стационарных источников F(x,y,t) и параметрах к, ¡3 этот метод сходится достаточно быстро

дх ду дх дх ду ду

где п,п+1- последовательные шаги вычисления

Отметим, что здесь шаг по времени At может не совпадать с временным интервалом, применяемым для визуализации отдельных сцен, и должен быть намного меньше.

При моделировании в уравнениях (5)-(6) использованы непрерывные поглощающие источники с коэффициентом поглощения 0-8%, различные по площади Кроме этого, компоненты скорости переноса вычислялись на основе данных мониторинга тремя метеостанциями В настоящее время используются данные по всем метеостанция и постам, которые работают на территории исследований

Для обеспечения сходимости расчетных схем применяемой динамической модели распространения загрязнения следует при расчетах использовать шаг сетки по времени порядка 2-5 минут при шаге сетки в пространстве, равном 200 м Для визуализации результатов расчета достаточно использовать 1 сцену в час Для более грубых представлений можно выполнять визуализацию расчетов 1,2,4 раза в сутки

Целью проводимых вычислительных экспериментов является демонстрация принципиальной возможности использования комплекса Математических моделей для прогноза уровня загрязнения атмосферного воздуха и уровня риска здоровью населения при сохранении существующих источников загрязнения и режимов их работы, оценки эффективности проводимых мероприятий, направленных на снижение эколого-экономического ущерба, решения задачи оценки структуры и параметров наблюдательной сети

Задача прогноза интегральных оценок загрязнения атмосферного воздуха ставится и решается на примере задачи прогноза эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением воздуха от

автотранспорта Для решения задачи предложен алгоритм расчета эколого-экономического ущерба от автотранспорта, основанный на связи между концентрацией загрязняющего вещества и вероятностью конкретного заболевания. Прогнозируемый эколого-экономический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха автотранспорта на 2007 г. получен с учетом экстраполяции тенденции увеличения валовых выбросов загрязняющих веществ, оценка которых содержится в отчете по операции «Чистый воздух», проведенной администрацией г Екатеринбурга Тренд описывается уравнением (7)

у=23150х+397850, (7)

где х - порядковый номер года, начиная с 2000г, у - выбросы от автотранспорта, т (приведенные выбросы, условные т СО, рассчитанные с учетом коэффициентов вредности компонентов)

Согласно уравнению тренда прирост объема выбросов вредных веществ в 2007г по отношению к 2000г составит 136%

В качестве меры по снижению эколого-экономического ущерба был смоделирован сценарий ежегодного перевода доли парка автобусов и грузовых автомобилей г Екатеринбурга на газ

Результаты моделирования показывают, что запланированный перевод 3700 автобусов и грузовых автомобилей на газомоторное топливо в течение 5 лет позволит сократить величину ущерба на 2,7-3,7%

При решении прямой задачи распространения загрязнения в атмосферном воздухе для создания динамической модели был выполнен сбор, предварительная обработка основных и вспомогательных данных, созданы программные средства и рассчитаны параметры конкретных динамических моделей воздушного потока и распространения загрязнения

Решение прямой задачи выполнялось для наиболее типичных метеоусловий исследуемого региона Модель ветрового переноса была использована для расчетов загрязнений от стационарных промышленных источников Скорость горизонтального ветрового переноса за исследуемый период изменялась в диапазоне 0-10 м/с. Азимут направления изменялся от 0 до 360°

Таким образом, использование результатов решения прямой задачи распространения загрязнения в атмосферном воздухе в построении динамических сцен распространения загрязнения позволяет наглядно оценить масштабы загрязнения, показать динамику изменения картины загрязнения атмосферного воздуха на территории городской агломерации

Разработанная модель решения прямой задачи позволила в общем виде решить задачу оценки структуры и параметров наблюдательной сети, которая формулируется следующим образом

Известны структура и параметры источников загрязнения М(Г), те. пространственное расположение и параметры стационарных источников загрязнения (высота труб, объемы выбросов и концентрация в них загрязняющих веществ) Кроме того, известны значения предельно -

допустимых выбросов (ПДВ), существующая структура и параметры наблюдательной сети Н(Г), в том числе типы наблюдательных постов, их пространственное расположение, перечень контролируемых параметров, интервалы дискретности наблюдения, погрешности наблюдения, а также метеоусловия (скорость и направление ветра, величина атмосферного давления, влажность воздуха)

В рамках задачи оценки существующей структуры и параметров наблюдательной сети сформулированы тактическая и стратегическая задачи

Тактическая задача заключается в оценке качества мониторинга загрязнения атмосферного воздуха Стратегическая задача заключается в обосновании структуры и параметров наблюдательной сети, обеспечивающей минимум эколого-экономических потерь, обусловленных наличием в определенные периоды времени концентраций загрязняющих веществ в воздухе населенного пункта, превышающих ПДК

Постановка тактической задачи выполняется при следующих допущениях

1 Полагаем, что известно взаимное расположение стационарных источников загрязнения и стационарных наблюдательных постов

2 Полагаем, что стационарные источники загрязнения могут работать, либо генерируя постоянные выбросы в атмосферу, либо в импульсном режиме Полагаем, что длительность импульса, соответствующая выбросу загрязнителя, превышающему ПДВ, оказывается существенно меньше длительности паузы между импульсами Характер этих выбросов определяется технологическими особенностями функционирования объектов - источников загрязнения

3 Полагаем, что метеоусловия определяются по результатам наблюдения на нескольких метеопостах В качестве примера нами использованы результаты наблюдений скорости и направления ветра на трех метеопостах, установленных в городах Первоуральске, Екатеринбурге и Ревде Результаты наблюдения на метеопостах были сегментированы как по направлению ветра с шагом в 15 град, так и по скорости ветра с шагом в 0,5 м/с В результате сегментации получены вероятности для всех значений скорости и направления ветра В силу повторяемости метеоусловий полученные результаты могут быть распространены на любой период моделирования

4 Полагаем, что режим г-го источника загрязнения описывается дискретными ступенчатыми функциями Ли, Тогда наблюдаемые концентрации загрязнителей на стационарных наблюдательных постах (СНП) могут быть записаны в виде-

х(* + т) = Е&,(т)Д «,(*), (8)

где gxu(т) - импульсная переходная функция, связывающая импульсные воздействия источника загрязнения с концентрацией загрязнителя, измеренной на СНП

Известно, что вероятность экологически обусловленных заболеваний зависит от частоты, уровня и продолжительности превышения ПДК, тогда

качество мониторинга определяется потерями от пропусков событий, заключающихся в превышении ПДК

Вероятность пропуска событий может быть найдена путем имитационного моделирования (ИМ) ИМ заключается в генерации выбросов загрязняющих веществ конкретными источниками, расчете концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с учетом динамики их распространения при известных метеоусловиях и сопоставлении рассчитанных концентраций с допустимыми нормами в точках расположения наблюдательных постов

На рисунке 3 представлена возможная схема взаимного расположения стационарных источников загрязнения и постов наблюдения В соответствии с планом вычислительного эксперимента задавались различные режимы работы источников загрязнения и рассчитывались поля концентрации СО на исследуемой территории для всех сочетаний скорости и направления ветра

76 2 I

1д

3

Зд

г

од

Рис 3 Взаимное расположение источников загрязнения (•) и постов

наблюдения (Д)

В результате решения прямой задачи распространения выбросов от стационарных источников загрязнения при конкретных метеоусловиях получены оценки расчетных значений концентрации загрязнителей в узлах наблюдательной сети, покрывающей исследуемую территорию Расчет производили на сетке с ячейкой 200x200 м с шагом по времени в 2 мин При расположении наблюдательных постов в каждом узле наблюдательной сети превышение источниками ПДВ будет гарантировано обнаружено

Требуется определить вероятность пропуска события за определенный промежуток времени, заключающегося в превышении источником ПДВ, при разряженной сети наблюдения, соответствующей фактическому расположению наблюдательных постов на исследуемой территории Вероятности пропусков событий вычисляются как отношение числа пропущенных событий, длительность каждого из которых не менее интервала дискретности наблюдений, к общему числу событий, заключающихся в превышении источником ПДВ

Вероятность обнаружения выброса системой наблюдения вычисляется как произведение вероятности определенной скорости и направления ветра и вероятности наличия выброса источником загрязнения

Сумма вероятностей обнаружения выброса для всех значений скорости и направления ветра являются вероятностью обнаружения выброса системой наблюдения в целом Оценка вероятности обнаружения выброса системой наблюдения, состоящей из одного или трех постов наблюдения, приведена в табл 3

Тип выброса Номер источника Количество постов наблюдения

нарушителя 1 3

Равномерный I 32,51 55,09

Равномерный 2 86,69 100,00

Равномерный 3 79,74 80,17

С использованием предложенного алгоритма оценки качества системы наблюдения, можно поставить обратную задачу обоснования структуры наблюдательной сети, а именно взаимного расположения источников выбросов и постов наблюдения Целью такой задачи может быть максимизация вероятности обнаружения нарушения любым источником загрязнения

Из результатов имитационного моделирования следует возможность определения источников залповых выбросов В ряде неблагоприятных случаев возможен пропуск события при существовании одной станции мониторинга, однако, наличие трех и более станций существенно уменьшает вероятность пропуска события

В четвертой главе приведена архитектура системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение эколого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации Проектируемый комплекс имеет трехуровневую структуру Верхний уровень выполняет функции отображения данных о загрязнении окружающей среды, архивирования полученных данных, выявления зон повышенного риска для населения исследуемой территории Удобство представления информации пользователю обеспечивается современным подходом к построению интерфейса, базой данных и средствами ее управления, системой подсказок и справочной системой Обеспечена единая

внутренняя логика работы системы, открытость для внесения необходимых изменений, устойчивость к организационным изменениям

Средний уровень поддерживает работу всех алгоритмов обработки информации, управления данными, обеспечивает прием данных от нижнего уровня и формирование данных для верхнего уровня

Нижний уровень выполняет функции непосредственной цифровой обработки информации, получаемой от стационарных наблюдательных постов, газоанализаторов и переносных метеокомплексов.

Клиент-серверная структура комплекса позволяет достичь требуемого уровня безопасности и надежности при работе с данными

Задачи, выполняемые на сервере

- сбор и первичная обработка информации Для выполнения этой задачи на сервере устанавливается необходимое коммуникационное оборудование для обеспечения устойчивой связи с источниками информации Поступающую входную информацию сервер очищает от помех и передает в базу данных,

- обеспечение работы сервера базы данных Для выполнения этой задачи на сервере размещается СУБД SQL Server, предоставляющая пользователям средства для работы с данными, как по локальной сети, так и через Интернет,

- обеспечение работы v/еЬ-сервера Для обеспечения взаимодействия специалистов разных областей через Интернет на сервере устанавливается web-сервер, например, Zope Также с помощью web-сервера появляется возможность публиковать результаты работ на Интернет-сайте для широкой общественности,

- обеспечение работы файл-сервера необходимого для обмена документами между специалистами Доступ к документам может осуществляться как через локальную сеть, так и с помощью web-сервера через Интернет,

- брандмауэр обеспечивает надежную защиту от несанкционированного доступа к данным

Задачи, выполняемые клиентской частью

- предоставление пользователю доступа к удаленным данным,

- предоставление пользователю специального программного обеспечения для обработки, анализа данных,

- браузер для доступа к web-серверу, позволяющий редактировать содержимое сайта и получать доступ к файл-серверу,

- предоставление пользователю инструментов графического отображения полученных данных

Исходя из выше указанных требований разработана архитектура проектируемой системы (рисунок 4)

Центральное место системы занимает ядро, состоящее из следующих подсистем

- планировщик позволяет пользователям создавать регламент запуска процедур системы, как периодически, так и по наступлению определенных событий,

- агент запуска процедур на основании составленных в планировщике заданий и сигналов таймера или внешних событий запускает на выполнение необходимые программные модули Пользователю предоставляется возможность запускать процедуры, доступные ему, в соответствии с политикой безопасности,

- интерфейс с пользователями обеспечивает взаимодействие системы с пользователями через экранные формы, эдеЬ-интерфейс, формы на удаленных клиентских местах, а также выполняет все функции безопасности системы (аутентификация, разграничение доступа к данным и запуску на выполнение процедур);

- интерфейс данных обеспечивает взаимодействие системы мониторинга со всеми доступными источниками данных и базами данных системы. Взаимодействие осуществляется с использованием стандартных интерфейсов провайдеров баз данных, а также через текстовые файлы, с заранее известной структурой,

- интерфейс с моделями и расчетными модулями обеспечивает взаимодействие ядра системы с программными модулями, предоставляет модулям доступ к данным через интерфейс данных, обеспечивает запуск модулей на выполнение как в автоматическом режиме, согласно регламенту, так и вручную пользователем

Все функции системы реализуются с помощью расчетных и обслуживающих модулей Основными модулями являются

- модуль сбора и первичной обработки информации предоставляет средства по предварительной обработке результатов контроля,

- модуль манипулирования данными предоставляет средства для просмотра, редактирования и преобразования данных,

- модули анализа и модули, реализующие работу моделей, предоставляют средства для решения основных задач системы,

- модуль формирования выходной информации предоставляет средства формирования отчетов, графиков, а также средства по редактированию формы

'предоставления информации,

- системные модули используются для реализации функций 'диагностики, обслуживания системы, сигнализации аварий, архивирования и ДР

Рис. 4. Архитектура проектируемой системы поддержки принятия решений

В ходе реализации макета системы были разработаны программные модули, реализующие решение прямой задачи оценки уровня загрязнения атмосферного воздуха при заданной интенсивности источников загрязнения и заданной структуре и параметрах наблюдательной сети, а также программные модули, реализующие решение задачи оценки существующей структуры и параметров наблюдательной сети.

В качестве языка программирования был выбран С#, а в качестве среды разработки Delphi 2005 Architect Studio. Для автоматизации процесса графической визуализации большого числа изображений при создании анимации процесса распространения загрязнения в атмосферном воздухе были написаны специальные процедуры для Scripter v3 среды Surfer/Grapher.

С целью популяризации результатов работы создан Интернет-сайт www.eka-ecology.narod.ru.

Разработанный макет системы поддержки принятия решений отличается от известных систем своей функциональностью:

- наличием инструментов синхронизации информации, полученной из различных источников, что создает информационную основу для интеграции математических моделей распространения загрязнения и оценки уровня риска здоровью населения;

- возможностью расчета уровня загрязнения атмосферного воздуха на территории городской агломерации при различных режимах работы источников загрязнения и меняющихся метеоусловиях,

- возможностью определения нарушителей ПДВ из известного множества предположительных источников загрязнения

Достоинством разрабатываемой системы является ее отрытая архитектура, позволяющая легко добавлять новые модули, расширяя функциональность, я изменять модули, не нарушая работы системы в целом

Разрабатываемая система является многопользовательской, основанной на современных технологиях, что позволяет создать информационный портал, объединяющий усилия специалистов различных областей для решения актуальных проблем загрязнения окружающей среды Создание портала позволит населению получать достоверную и актуальную информацию о загрязнении окружающей среды на территории городской агломерации

Основные результаты

В диссертационной работе на основании выполненных автором исследований получено решение актуальной задачи повышения эффективности мониторинга загрязнения атмосферного воздуха городской агломерации.

1 Выполненный анализ известных в настоящее время моделей распространения загрязнения в атмосферном воздухе показывает наличие мощных инструментов построения динамических моделей распространения загрязнения

2 Разработана методика распознавания источников загрязнения, нарушающих предельно допустимые выбросы, путем сопоставления сочетаний загрязнителей, выявленных при обработке экспериментальных данных, с расчетными сочетаниями, полученными путем решения уравнений массопереноса при известных объемах выбросов и метеоусловиях, определяющихусловия распространения загрязнителей

3 Созданная динамическая модель является мощным и наглядным инструментом визуализации картины реального загрязнения атмосферы Модель не только показывает сильную временную изменчивость картины загрязнений воздуха в городской агломерации, которая в значительной степени контролируется воздушными потоками, но позволяет визуально оценить размер территории, которая подвергается воздействию конкретных загрязнителей

4. Результаты имитационного моделирования показывают принципиальную возможность определения источников залповых выбросов В ряде неблагоприятных случаев возможен пропуск события при существовании одной станции мониторинга, однако наличие трех и более станций существенно уменьшает вероятность пропуска Результаты имитационного моделирования создают основу для решения задачи обоснования структуры и параметров наблюдательной сети при заданных ограничениях (количество постов, вероятность обнаружения и т д.)

5 С помощью разработанного алгоритма прогнозирования интегральных оценок загрязнения атмосферного воздуха от автотранспорта становится возможным оценивать эколого-экономический ущерб от автотранспорта, а также экономический эффект сценариев развития ситуации, включая мероприятия по снижению вредного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду

6 На основании проведенных исследований разработан макет системы поддержки принятия решений, направленных на уменьшение экопого-экономического ущерба, обусловленного загрязнением атмосферного воздуха в городской агломерации Разработана система, ее функциональное наполнение, а также составлены рекомендации по ее реализации, организации работы и особенностях функционирования

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК:

1 Черванев В О Оценка структуры и параметров наблюдательной сети // Известия Саратовского университета Серия Математика Механика Информатика Вып 2 - Саратов, 2007 -Т7 -С 61-65

Статьи, опубликованные в научных сборниках и материалах конференций

1 Зобнин Б Б, Черванев В О, Садым А А Система оперативного прогнозирования состояния атмосферного воздуха в г Екатеринбурге // Материалы конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» - Екатеринбург, 2003 -С 177-179

2 Зобнин Б Б , Черванев В О., Садым А А Мониторинг и оперативное прогнозирование состояния атмосферного воздуха г Екатеринбурга // Материалы Урало-Сибирской научно-практической конференции. -Екатеринбург, 2003

3 Зобнин Б Б , Черванев В О Модель наблюдения совокупности природного и техногенного процессов // Материалы Третьих научных чтений памяти ЮП Булашевича «Глубинное строение Геодинамика Мониторинг Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей» - Екатеринбург ИГф УрО РАН, 2005 -С 124-126

4 Зобнин Б Б, Черванев В О Концептуальная модель процесса мониторинга загрязнения атмосферного воздуха // Материалы Уральской горнопромышленной декады, 4-14 апреля 2005 года / отв за выпуск д т н проф НГ Валиев - Екатеринбург, 2005 - С 244-246

5 Овчаренко А В , Белозеров А Б , Березина С В , Зобнин Б Б., Уткин В И, Черванев В О Методика создания динамической модели загрязнения воздушного бассейна Екатеринбурга И Материалы 33-й сессии Международного семинара им Д Г Успенского «Геологическая интерпретация гравитационных, магнитных и электрических полей» - Екатеринбург. ИГФ УрО РАН, 2006 - С 264-267

л

\J

6. Овчаренко A.B., Белозеров А Б., Березина C.B., Зобнин Б.Б., Уткин В И, Черванев В.О. Отчет о научно-исследовательской работе РФФИ -Урал № 04-01-95096 «Динамические модели загрязнения воздушной среды в городской агломерации Екатеринбург-Первоуральск, Ревда, Дегтярск, Арамиль, Кольцово, Березовский, Среднеуральск». - Екатеринбург- ИГФ УрО РАН, 2005 - 51 с, и электронная версия на сайте РФФИ.

7. Овчаренко A.B., Белозеров А.Б., Березина С В., Зобнин Б Б., Уткин В И, В.О.Черванев Создание и использование динамической модели загрязнения воздушного бассейна Екатеринбурга // Уральский геофизический вестник. - 2007г№Ю-11. - Екатеринбург. ИГФ УрО РАН, часть 1 и часть 2.

8 Уткин В .И., Овчаренко А В., Белозеров Б.Б., Березина C.B., Зобнин Б Б., Черванев В.О. Методика создания динамической модели загрязнения воздушного бассейна Екатеринбурга // Сборник аннотационных отчетов по проектам конкурса приоритетных научных исследований, выполняемых в интересах Свердловской области за 2005 год - Екатеринбург, РФФИ, РНТЦ УрО РАН, 2006 - С. 84-87.

Подписано в печать 11.10,2007 г. Бумага писчая

Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 16?

Формат 60x84 1/16 Печать на ризографе

Отпечатано в лаборатории множительной техники УГГУ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30 Уральский государственный горный университет