автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Задачи моделирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса

На правах рукописи УДК 658.52.011.56

РЫБКИН Дмитрий Борисович

ЗАДАЧИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

Специальность № 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Институте проблем управления РАН им. ВАТрапезникова

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кульба В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Щепкин А.В.

кандидат технических наук, доцент Колыбанов К.Ю.

Ведущая организация:

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

Защита состоится «/^ » 2005 г. в_часов

на заседании Диссертационного совета № 2 (Д 002.226.02) Института проблем управления. Телефон совета: 334-93-29.

Адрес Института: 117806, Москва, Профсоюзная улица, 65. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем управления РАН им. ВАТрапезникова.

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук

Лебедев В .Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Предприятия нефтегазового комплекса характеризуются масштабностью воздействия на окружающую среду. Все стадии обработки углеводородного сырья - его добыча, транспортировка и переработка характеризуются неизбежными плановыми выбросами и сбросами загрязняющих веществ, а также опасностью аварийных выбросов в атмосферу и утечек в водную среду. Объекты нефтегазового комплекса отличаются высокой пожаро- и взрывоопасностью. Последствия аварий на этих объектах могут быть очень тяжелыми. В такой ситуации комплексный контроль и управление экологической безопасностью (УЭБ) предприятий и промышленных объектов становится насущной необходимостью.

Задачи контроля источников загрязнения окружающей среды, ее состояния, оценки, прогноза и управления развитием экологической обстановки в окрестностях промышленных объектов возлагаются на системы управления экологической безопасностью предприятий.

Необходимым элементом этих систем, позволяющим оперативно оценивать экологическую ситуацию на предприятии и прилегающей территории исходя из текущих результатов измерений уровней загрязнения природной среды, является математическое моделирование развития экологических процессов в пространстве и во времени. При этом вычислительная реализация моделей требует использования аппарата современных геоинформационных систем. Таким образом, разработка математических моделей и алгоритмов оценки и прогнозирования экологической ситуации применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, а также создание необходимых для работы этих моделей информационных технологий и программных средств является актуальной научной задачей. Диссертация посвящена вопросам информационной поддержки принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности предприятий нефтегазового комплекса, разработке моделей и алгоритмов, математического и программного обеспечения задач контроля и управления экологической обстановкой. Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5. «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы», 3.3 «Системы автоматические, математические методы, исследования сложных управляющих систем и процессов, CALS-технологии», а также Программ №14 и №16 отделения ЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза

модульных интегрированных технических и социальных систем управления».

Цель работы. Целями работы является разработка и исследование информационных технологий решения задач оценки и прогнозирования экологической обстановки в системах управления экологической безопасностью; исследование, разработка, алгоритмическая и программная реализация моделей распространения промышленных загрязнений в воздушной и водной среде; создание моделирующих программных комплексов, обеспечивающих решение задач управления экологической безопасностью с применением унифицированных средств геоинформационной поддержки; практическое внедрение созданных программных средств в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием методов исследования операций, математического анализа, теории графов, оптимизации на сетях и других разделов современной теории управления, а также путем практических экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научная новизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта планирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтяной и газовой промышленности автором впервые получены следующие новые научные результаты:

проанализированы модели переноса загрязнений в атмосфере, разработаны новые модели данного класса применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, в частности - модель распространения загрязнений после залпового выброса и модель оценки полей загрязнений по данным измерений в подфакельной зоне, модель рационального выбора точек проведения дополнительных измерений для уточнения границ зон повышенных концентраций; исследованы задачи систем управления экологической безопасностью применительно к организации контроля и оценки состояния водных объектов в зонах влияния промышленных предприятий. Предложен алгоритм декомпозиции речной сети, принимающей промышленные стоки, а также модели оценки и прогноза качества речных вод при стационарных и залповых сбросах на основании измерительных данных, модель распространения промышленных загрязнений в речной сети и алгоритм ее вычислительной реализации;

разработаны принципы построения, архитектура и технология функционирования геоинформационно-моделирующих комплексов (ГМК) в составе систем управления экологической безопасностью,

разработаны алгоритмы программной реализации предложенных моделей в составе ГМК.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программы оценки и прогноза экологической обстановки и созданный для их реализации ГМК предназначены для практического применения в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при проектировании и разработке систем управления экологической безопасностью в научно-исследовательских и проектных организациях, разрабатывающих и внедряющих системы подобного класса, а также в информационно-управляющих центрах экологической безопасности регионального и отраслевого уровня.

Внедрение. Разработанный ГМК и его модельное наполнение внедрены и функционируют в режиме промышленной эксплуатации в составе систем управления экологической безопасностью Астраханского газохимического комплекса ООО «Астраханьгазпром», экспортного газопровода Россия-Турция «Голубой поток», Оренбургского газохимического комплекса 0 0 0 «Оренбурггазпром». В данных системах внедрены следующие результаты диссертационной работы:

комплекс математических моделей и алгоритмов оценки и прогнозирования распространения загрязняющих веществ в атмосфере применительно к задачам, решаемым в системе управления экологической безопасностью;

математические модели и алгоритмы расчета распределений концентрации загрязнений в речной сети;

архитектура, технология функционирования и алгоритм работы ГМК как элемента системы управления экологической безопасностью; информационное и программное обеспечение ГМК на базе современных ГИС-технологий.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: V Международной научно-практической конференции «Проблемы управления качеством окружающей среды» (Москва, 2001); 11 Международной деловой встрече «Диагностика 2001» (Тунис, 2001); Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001); 4 Международном рабочем совещании «Роль геодинамики в решении экологических проблем развития нефтегазового комплекса» (С.-Петербург, 2003); Международной научно-практической конференции «Теория

активных систем» (Москва, 2004); 11 и 12 Международный конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва, 20032004); Международной научной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, 2004).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и Приложения. Работа содержит 250 страниц, в том числе основной текст 195 страниц, 73 рисунка, 11 таблиц, Приложение 45 страниц, а также список литературы, включающий 102 наименования.

Содержание работы. Во введении обосновывается выбор цели и актуальность рассматриваемых в диссертации проблем, приводятся основные положения диссертационной работы.

В первой главе дается общая характеристика предприятий нефтегазового комплекса и их воздействия на окружающую среду. Обсуждаются цели, задачи и принципы организации управления экологической безопасностью (УЭБ) промышленных объектов. Делается вывод о необходимости использования математического моделирования экологических процессов для решения задач управления экологической безопасностью. Рассматриваются требования к моделям и программным средствам математического моделирования экологических процессов. Дается краткий обзор отечественного и зарубежного опыта создания систем управления экологической безопасностью и применения в них математических моделей экологических процессов.

Системы данного класса предназначены для комплексного решения задач контроля, оценки и управления экологической обстановкой в окрестностях промышленных объектов в условиях систематического загрязнения последними окружающей среды, а также в случаях возникновения на них аварийных ситуаций. В табл. 1 . приведены основные типы, характеристики и оценки масштабов негативного воздействия на окружающую среду при авариях на магистральных газопроводах (линейная часть, компрессорные станции).

Крупные разливы нефти (табл. 2.) и нефтепродуктов представляют серьезнейшую угрозу для экологической обстановки. Особенно опасным является попадание разлившихся нефтепродуктов в реки или в море вблизи побережья. Загрязнение в этом случае может затронуть огромные площади и нарушить экологическую систему целого региона. Ликвидировать такие разливы чрезвычайно сложно, а их последствия для окружающей среды, в первую очередь для растительного и животного мира, могут быть катастрофическими.

Для случая мгновенного выброса в момент 1=0 из точечного источника концентрация загрязнения задается соотношением:

где масса выброшенного загрязняющего вещества; стх>стутст2

дисперсии рассеяния вдоль осей X, У И 7,.

Значения с^ сгА сгх на практике, как правило, определяются исходя из эмпирических соотношений в зависимости от состояния атмосферы. Интенсивность турбулентной диффузии, определяющая характер перемешивания и рассеяния загрязняющего вещества в пограничном слое атмосферы, зависит от вертикальной стратификации атмосферы. При расчете дисперсий в диссертации использована методика, в основе которой лежит метод Пасквилла.

Модели (1) и (2) предложено использовать в системах УЭБ в сочетании с методами расчета высоты начального подъема газовоздушной струи из источника загрязнения, а также - оценки скорости ветра на данной высоте.

При наличии N источников загрязнения предполагается, что процесс рассеяния загрязнения от каждого из них происходит независимо друг от друга, в результате чего концентрация загрязнения атмосферы в точке Я в момент времени t вычисляется как сумма:

где С (Я, 0 - концентрация, создаваемая п-ым источником.

Рассмотрены постановка и решение актуальной для обеспечения экологической безопасности предприятий задачи оценки и прогноза экологической ситуации, возникающей в результате залповых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от одного или нескольких источников. При возникновении залпового выброса для каждой точки территории, находящейся в подфакельной области, в системе УЭБ необходимо определить: когда фронт загрязнения придет в заданную точку, т.е. в точке будет превышен некоторый заданный уровень концентрации, в качестве которого как правило рассматривается значение ПДКмр максимально-разовой предельно допустимой концентрации (момент времени на

рис. 1); максимальную концентрацию, которая будет достигнута в заданной точке за время после выброса; время превышения уровня ПДКмр (Тспад ' на рис. 1); зависимость концентрации загрязняющего вещества от времени.

N

с(л,о = Ее" (л,О-

я ■ 1

Задача, таким образом, состоит в оценке динамики распространения поля концентрации загрязняющего вещества после залпового выброса

Для получения концентрации загрязняющего вещества,

которая возникает вследствие залпового выброса конечной длительности, в момент времени t в точке с координатами Х,у,г: проинтегрируем по времени выражение (2), подставив в него так называемую эффективную высоту источника Нед (вычисляемую с учетом подъема газовоздушной струи) вместо реальной Я и скорость ветра на этой высоте У1'^ . В результате получим следующее выражение для концентрации, создаваемой в заданной точке источником, расположенным в точке

1

(2ят

-|/>(г)ехр(-

2 <7

)ехР(

-)х

(ехр(-

-) + ехр(-

№

2а,1 ' *• 2 «г,'

Концентрация, создаваемая в точке в момент времени г

источниками 5', ,5я, ,5^, расположенными в точках 8"=(х",у"), определяется как1

Следует отметить, что модель (3) дает "мгновенное" значение концентрации в точке, в то время как согласно действующим в Российской Федерации нормативным документам нормируемыми показателями являются концентрации, усредненные за 20 минут - максимально-разовая предельно-допустимая концентрация ПДК мр, - и за сутки -среднесуточная предельно допустимая концентрация ПДК сс. Поэтому "мгновенные" концентрации (3), должны быть усреднены по временному интервалу Т^, который, в частности, может принимать значения 20 минут или 24 часа:

Разработан алгоритм эффективной вычислительной реализации данной модели, основанный на мультипликативном представлении функции концентраций и однократном вычислении ее «осевой» составляющей, что позволило значительно сократить объемы вычислений.

В ходе решения задач оценки и прогноза экологической ситуации при залповых выбросах с учетом неоднородности метеоусловий предложено для восстановления полей скорости и направления ветра по данным измерительной сети системы УЭБ использовать метод весовой анизотропной интерполяции, согласно которому значение метеорологического параметра в точке Я представляется в виде:

/£«»,>

где — - результаты измерений метеорологического

параметра щ в М измерительных пунктах А" (т=1,...,М)\ о^ (т=1,...,М) -весовые коэффициенты, определяемые на основании решения системы линейных уравнений:

и

т=1

где

- расстояния между измерительными пунктами

При моделировании залповых выбросов движение облака загрязнения рассматривается в системе координат, искривленной в соответствии с направлениями ветра.

Предложен метод оценки экологической ситуации на территории по данным измерений в подфакельной зоне одиночного источника, реализуемый по двухэтапной схеме. На первом этапе для оценки

неизвестной мощности Р0 источника загрязнений (с учетом воздействия

известных постоянных источников загрязнения и фоновой концентрации загрязняющего вещества) используется модель в виде следующей системы уравнений:

где:

известные концентрации, измеренные в подфакельной зоне в

суммарная концентрация загрязнения,

пунктах

а"Ф' пост ¿т

создаваемая в пункте постоянно действующими источниками известной мощности; - известная фоновая концентрация загрязнения;

- коэффициенты влияния одиночного источника в пункте

Ат< зависящие от метеоусловий W, рассчитываемые на основании (1).

На втором этапе проводится расчет поля концентраций, создаваемого всей совокупностью источников загрязнения. В качестве неизвестной мощности Рд используется полученная на первом этапе решения задачи

оценка Д . Искомое поле концентрации рассчитывается как сумма полей,

создаваемых каждым источником.

В системе УЭБ измерения уровней загрязнения, выполняемые в пунктах измерительной сети, имеют некоторую погрешность. В результате неизвестная мощность источника также определяется с погрешностью, которая выражается как:

где - погрешность измерения концентрации в измерительном пункте т, зависящая от используемой измерительной аппаратуры.

Рассмотрено влияние погрешности ДР„ на работу системы УЭБ. Для систем УЭБ чрезвычайно важным является вопрос о локализации зон повышенной концентрации в которых уровни концентрации

входящих в него ребер (втекающих участков реки) и множеством

исходящих ребер (вытекающих участков).

Обозначим - множество истоков, аЖн^ожество стоков сети. Пусть каждому узлу 5/ соответствуют: ОС ' суммарный расход воды, протекающей через узел -интенсивность поступления загрязняющего вещества в узел со сточными водами; расход воды, поступающей со

стоками в узле расход воды, уходящей из сети в узле

концентрация загрязняющего вещества в узле (после перемешивания).

Рис.3

Будем считать, что узел 8,, соответствующий разделению реки на Ы, рукавов, характеризуется вектором долей расхода воды, приходящихся на

каждый из рукавов а] = 1 •

Пусть ребра графа имеют протяженность на каждом ребре задается координата д^ , 0 < £ Ьу > возрастающая по направлению течения реки. Введем обозначения: расход воды на ребре концентрация загрязнителя в начальной точке ребра концентрация в конечной точке ребра Щ (при хУ^ - средняя скорость течения реки на ребре - коэффициент самоочищения реки на ребре

и,/, ¡1^ - интенсивность распределенного бокового притока загрязнения на

ребре С^х^ - распределение концентрации загрязнения на ребре Щ,

ОйХуйЬу

Будем считать, что на основании измерительной информации, поступающей как от системы УЭБ предприятия , так и от региональной сети мониторинга поверхностных вод, имеются данные о расходах воды в

истоках сети, что для всех узлов 5/ заданы а для всех ребер

известны [Ху На основании этих исходных данных требуется

для каждого ребра получить распределение концентрации загрязнения: С9(х9) ,04хи <.1>г

В пределах одного ребра распределение концентрации описывается уравнением:

с граничными условиями:

С0(х) = С""\ —^-(д;)->0прих->оо • сЫ

Решением данного уравнения является функция:

С„(х„) = С;т )+"ехР("~Л//))' (6)

"ц

Ойх0*Ь,ри„ еЧ-

Откуда концентрация в конечной точке ребра равна:

СГ »О**«, <ЗД е*. (?)

Гц Ь-Ц »у

Условие водного баланса в каждом узле выражается соотношением:

0Г= ЕО/ + = Еа (8)

Расход в начальных точках каждого исходящего ребра задается соотношением:

<2ц =«/( +я!-я;)>я,еь,]=1.....(9)

и»еи;х

а уравнение баланса загрязняющего вещества в узле S1 имеет вид:

СГ = СГ +т„ 5, е 8= 1.....N.. (10)

Из условия мгновенного перемешивания в узле также можно записать следующую систему уравнений:

С Г =СГ, 8,68,^6 иг. (11)

Таким образом, задача оценки распределения концентрации загрязнения в речной сети состоит в нахождении функции концентрации на всех ребрах сети С^ (Xу ) при условиях (6)-(11).

Предложен алгоритм решения данной задачи (рис. 4), состоящий в поэтапном рассмотрении ребер графа и решении для каждого из них задачи расчета функции концентрации загрязняющего вещества в соответствии с выражением (6) с учетом стыковки «граничных» условий исходя из уравнений (8) - (11).

Рис.4

В четвертой главе рассматривается структура систем управления экологической безопасностью промышленных предприятий и технология сбора и обработки данных в этих системах. Предлагается структура Центра управления экологической безопасностью, решающего весь комплекс задач обработки информации в системе с использованием предложенных в работе моделей и методов. Предлагаются принципы построения Геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК) в составе Центра, архитектура ГМК, технология его работы. Описывается программная реализация ГМК, выполненная автором.

Система управления экологической безопасностью (УЭБ) предприятия -это автоматизированная система, контролирующая интенсивность воздействия объектов предприятия на окружающую среду, а также состояние окружающей среды, формирующая и реализующая комплекс мер по управлению экологической обстановкой в зоне ответственности предприятия на различных этапах его жизненного цикла Системы УЭБ включают: подсистему мониторинга источников воздействия (выбросы, сбросы, отходы и т.п.); подсистему мониторинга загрязнения компонентов природной среды в рабочей, санитарно-защитной и жилой зоне; подсистему анализа и моделирования экологической обстановки и поддержки принятия решений по управлению экологической безопасностью; подсистему контроля реализации данных решений

Рис.5

Структурная схема типовой системы УЭБ приведена на рис. 5. В системе УЭБ используются следующие источники измерительных данных: передвижные экологические лаборатории; автоматические посты

6. Поставлена и решена задача декомпозиции речной сети, принимающей промышленные стоки, на участки, параметры которых, определенные на основании измерительных данных систем УЭБ, обеспечивают достаточную точность описания процессов распространения загрязнений в водотоках. Предложены модели и алгоритмы оценки и прогноза качества речных вод на участке сброса промышленных стоков и в зоне негативного влияния промышленного объекта на основе оперативной оценки коэффициента поперечной составляющей турбулентной диффузии и величины интенсивности источника загрязнений по поступающим в систему УЭБ данным контроля сточных и поверхностных вод. Предложена математическая модель оценки экологических последствий залповых сбросов, возникающих* вследствие аварийных ситуаций. Результаты расчетов по данной модели позволяют оперативно оценивать ряд ключевых параметров, необходимых для принятия решений по управлению экологической безопасностью водного бассейна, подвергшегося загрязнению. Разработана математическая модель и алгоритм оценки распространения загрязнений в речной сети в зонах множественных сбросов промышленных сточных вод.

7. Разработаны программные модули «Сброс», «Река», «Река-Залп», «Речная сеть» Геоинформационно-моделирующего комплекса, ориентированные на применение в системах УЭБ предприятий нефтегазового комплекса и позволяющие на основе анализа данных мониторинга сточных и поверхностных вод решать задачи оперативной оценки качества вод в речной сети, принимающей промышленные стоки.

8. Предложена структура системы УЭБ, включающая информационно -измерительную сеть, выполняющую измерения и наблюдения за параметрами экологической обстановки, подсистему передачи данных и информационно-управляющую подсистему. Разработана структура Центра управления экологической безопасностью, который включает программно-аппаратные комплексы, совместно решающие задачи сбора, накопления, обработки, анализа и распределения данных в системе УЭБ. Предложена технология решения задач математического моделирования в системе УЭБ, позволяющая эффективно решать задачи оценки и прогнозирования экологической обстановки. Разработана архитектура Геоинформационно-моделирующего комплекса (ГМК), решающего в системе УЭБ задачи математического моделирования экологических процессов на картографической основе. Разработано информационное и программное обеспечение ГМК.

9. Разработана структура одной из наиболее современных систем рассматриваемого класса в России - системы управления экологической безопасностью газопровода Россия - Турция «Голубой поток». Приведена

схема применения в системе предложенных в диссертации моделей и алгоритмов, основанная на внедрении ГМК в информационных Центрах системы в рамках единой информационной технологии. Разработана структура и технология функционирования системы УЭБ Оренбургского газохимического комплекса (ОГХК), решающей комплекс задач контроля и оценки экологической обстановки на территории размещения ОГХК. Описано внедрение в данной системе предложенных в диссертации моделей и алгоритмов, реализованных в составе ГМК. Представлены результаты внедрения разработанных в диссертации моделей и алгоритмов применительно к системе УЭБ Астраханского газохимического комплекса. Приведены результаты расчетов полей концентрации загрязняющих веществ в указанных системах, полученные с помощью ГМК.

10. Годовой экономический эффект от внедрения разработанных в диссертации моделей и методов составляет 467 тыс. рублей, что подтверждено соответствующими Актами внедрения.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ярыгин ГА, Петрулевич А. А., РЫБКИН Д. Б. Восстановление пространственного распределения концентрации загрязнений по данным измерений в системах производственного экологического мониторинга //Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления»,-Пенза, 2001.-С. 197-201.

2. Петрулевич А.А., РЫБКИН Д.Б.. Моделирование динамики залповых выбросов в системах экологического мониторинга // Сборник докладов V Международной научно-практическая конференции «Проблемы управления качеством окружающей среды», -М., 2001. - С. 194-196.

3. Петрулевич А. А., РЫЫБКИН Д. Б.. Задачи математического моделирования переноса загрязнений в автоматизированных системах экологического мониторинга // Сборник докладов 11-ой Международной деловой встречи «Диагностика 2001»,- М., 2001. - С. 119-123.

4. Колтыпин СИ., Петрулевич А. А., РЫЫБКИН Д. Б. Разработка геоинформационного моделирующего комплекса и его использование для моделирования переноса загрязнений в системах производственного мониторинга предприятий газовой промышленности // Сборник докладов 11-ой Международной деловой встречи «Диагностика 2001», - М., 2001. - С. 111-116.

5. Ярыгин ГЛ., Петрулевич А.А., РЫЫБКИН Д.Б., Колтыпин СИ. Геоинформационный моделирующий комплекс в системах

производственного экологического мониторинга предприятий нефтегазового комплекса. // Экологические системы и приборы.- 2002.-№4.-С. 3-6.

6. Ярыгин ГА, Колтыпин СИ., РЫБКИН Д.Б., Пономарев С.С.. Геонформационно-поисковая система для ведения электронных архивов данных экологического мониторинга // Экологические системы и приборы.- 2002. - №5. - С. 3-5.

7. Колтыпин СИ., РЫБКИН Д.Б, Кауфман В.М. Геоинформационные технологии в системах производственного экологического мониторинга (ПЭМ) на примере системы ПЭМ газопровода «Россия-Турция» // Материалы 4-ого Международного рабочего совещания «Роль геодинамики в решении экологических проблем развития нефтегазового комплекса» - СПб., 2003.-С.119-121.

8. РЫБКИН Д. Б. Технология обработки данных в системах производственной экологической безопасности промышленных предприятий // Труды 11-ой Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». Часть первая. - М.,2003. -С. 269-271.

9. Большакова С.А., РЫБКИН Д.Б.,. Чернов И.В Задачи моделирования процессов загрязнения окружающей среды в системах управления экологической безопасностью промышленных объектов // Труды 11-ой Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем».Часть вторая. - М., 2003. - С. 26-30.

10. РЫБКИН Д.Б., Ярыгин ГА Опыт решения задач сбора и обработки данных в системах производствено-экологической безопасности газотранспортных предприятий. //Труды международной научно-практической конференции «Теория активных систем».- М., 2003,-С.147-150.

11. РЫБКИН Д.Б. Задачи оценки и прогноза экологической обстановки в системах производственно-экологической безопасности. /ЛГрупь1 международной научно-практической конференции «Теория активных систем».- М., 2003 . -С 142-147.

12. Кульба В.В., Темкин В.М., РЫБКИН Д.Б. Технологии обработки данных в системах производственно-экологической безопасности предприятий нефтегазовой промышленности с применением геоинформационно-моделирующих комплексов // Проблемы управления. -2004. -№1. -С.32-39.

13. РЫБКИН Д.Б. Задачи контроля и оценки качества поверхностных вод в системах производственно-экологической безопасности промышленных предприятий. // Материалы международной научной

конференции «Проблемы регионального и муниципального управления», -М., 2004.-С.189-193. 14. РЫБКИН Д.Б. Моделирование распространения промышленных загрязнений вод речной сети в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса // Труды 12-ой Международной конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем», - М., 2004.-С.285-290.

Личный вклад автора в совместные работы

[1],[2],[3] - предложены постановки задач и алгоритмы оценки полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, а также схемы их вычислительной реализации; [4],[5],[6],[7] - предложена технологическая схема обработки данных в геоинформационно-моделирующем комплексе, разработаны модели, алгоритмы и программные модули оценки и прогнозирования распространения загрязняющих веществ применительно к задачам систем управления экологической безопасностью; [9], [10]-предложены модели и разработаны алгоритмы оценки и прогнозирования экологической обстановки в окрестностях промышленных объектов; [12]-разработаны и реализованы алгоритмы интеграции задач математического моделирования экологических процессов в технологическую схему обработки информации в системах УЭБ, разработаны и программно реализованы модели оценки экологической обстановки в штатных и аварийных ситуациях.

Зак.9.Тир. 100. ИПУ.

контроля источников выбросов, загрязнения атмосферного воздуха, загрязнения сточных и поверхностных вод, уровня подземных вод; автоматические метеопосты; автоматические посты контроля опасных геологических процессов; стационарные экологические лаборатории; средства дистанционных наблюдений.

Центр управления экологической безопасностью (рис. 5) строится как семейство программно-аппаратных комплексов, объединенных локальной вычислительной сетью. В их числе: Коммуникационный, Диспетчерский, Архивный, Геоинформационно - моделирующий, Информационно -управляющий комплексы.

Геоинформационно-моделирующий комплекс (ГМК) предназначен для решения задач экологического моделирования в системе УЭБ. Комплекс работает в тесном взаимодействии с другими программными комплексами и с геонформационной базой данных Центра, получая из нее необходимую для моделирования информацию о территории. Результаты моделирования - карты загрязнения территории, прогнозы пространственного развития контролируемых процессов и пр., - образуют самостоятельные информационные слои, которые также могут помещаются в геоинформационную базу. Комплекс решает три типа задач: штатные задачи оценки и прогноза развития экологической обстановки, запускаемые периодически в соответствии с установленным регламентом в автоматическом режиме; задачи анализа и прогноза развития нештатных и аварийных ситуаций, запускаемые по команде диспетчера; задачи исследовательского и экспертного плана, в которые входят оценка последствий реализации природоохранных мероприятий, принятия тех или иных управленческих решений в области экологической безопасности.

Входной информацией для моделирования являются: картографические данные - сведения о расположении источников загрязнения, о структуре территории, о размещении элементов измерительной сети; данные измерений параметров источников загрязнения и состояния компонентов природной среды, включая гидрометеорологические характеристики, а также уровни загрязнения, - эта информация поступает из базы измерительных данных в реальном времени.

По результатам расчетов формируются новые картографические слои и массивы данных, которые используются при формировании сводок и отчетов, а также могут поступать на вход другой математической модели в качестве исходных данных.

В Приложении описано практическое внедрение результатов диссертации на следующих предприятиях: Газопроводе Россия-Турция «Голубой поток»; Астраханском газохимическом комплексе; Оренбургском газохимическом комплексе.

Экспортный газопровод Россия-Турция по своим техническим параметрам и условиям строительства является уникальным сооружением, проходящим через хорошо освоенные территории Ставропольского и Краснодарского краев, через отроги западного Кавказа, курортную зону Черноморского побережья и далее по дну Черного моря. Проектирование и строительство газопровода столкнулось с множеством экологических проблем, для решения которых была разработана и введена в действие комплексная система УЭБ. Структурная схема системы приведена на рис. 6. Результаты моделирования залповых выбросов в окрестностях компрессорной станции Краснодарская с применением разработанного в диссертации алгоритма представлены на рис 7.

Задачи моделирования экологической обстановки решены также применительно к системам УЭБ Астраханского и Оренбургского газохимических комплексов. Создание и развитие систем УЭБ данных предприятий обусловлены высокой токсичностью перерабатываемого сероводородсодержащего сырья и непосредственной близостью населенных пунктов

Рис.6

Рис.7

Основными элементами систем являются созданные Центры управления экологической безопасностью, которые решают задачи сбора и обработки данных об экологической ситуации, а также задачи моделирования экологических процессов и управления экологической обстановкой с применением разработанных в диссертации моделей и алгоритмов.

Заключение.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Проведен детальный анализ структуры и характеристик предприятий нефтегазового комплекса и их воздействия на окружающую среду на различных этапах их жизненного цикла. Выявлены основные угрозы и их источники, существенно влияющие на экологическую безопасность промышленных объектов и прилегающих территорий. Рассмотрены задачи управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса. Показано, что основными проблемами являются сбор и обработка наиболее полного множества данных об экологической обстановке на предприятиях и прилегающих территориях, моделирование динамики распространения загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды и принятие на основе результатов моделирования рациональных управленческих решений. Приведен обзор развития систем управления экологической безопасностью.

2. Рассмотрены основные проблемы и особенности математических моделей распространения загрязняющих веществ различного типа.

Основное внимание уделено моделям распространения загрязнений в атмосферном воздухе и поверхностных водах. Поставлены проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса, решаемые в диссертационной работе.

3. Исследованы возможности Гауссовой модели распространения загрязнений в атмосфере и обоснован ее выбор в качестве базовой для решения задач оценки и прогноза экологической обстановки в системах УЭБ в сочетании с методами оценки дисперсий рассеяния и учета эффекта начального подъема газовоздушной струи из источника загрязнения .

4. Предложена математическая модель оценки экологической ситуации при залповых выбросах загрязняющих веществ в атмосферу при однородных метеоусловиях, ориентированная на применение в системах УЭБ. Разработан алгоритм эффективной вычислительной реализации данной модели, основанный на мультипликативном представлении функции концентраций и однократном вычислении ее «осевой» составляющей, что позволило значительно сократить объемы вычислений. Предложена математическая модель и алгоритм оценки экологической ситуации при залповых выбросах с учетом неоднородности метеорологических условий, использующие измерительные данные контроля метеопараметров в системе УЭБ. Разработана математическая модель оценки экологической обстановки по данным измерений, выполняемых в подфакельной зоне измерительными средствами системы УЭБ. Построен реализующий данную модель двухэтапный расчетный алгоритм, основанный на оценке мощности источников выбросов по измерительным данным. Поставлена и решена новая задача рационального выбора точек проведения дополнительных измерений, необходимых в системе УЭБ для уточнения расположения зоны повышенных концентраций. Предложенные алгоритмы программно реализованы в составе Геоинформационно-моделирующего комплекса, ориентированного на практическое применение в системах УЭБ предприятий нефтегазового комплекса.

5. Исследованы задачи систем управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса применительно к организации контроля и управления состоянием водной среды в зонах влияния промышленных объектов. Рассмотрены схемы проведения контроля поверхностных водотоков, принимающих стоки промышленных предприятий. Проведен детальный анализ основных процессов и моделей распространения загрязнений в поверхностных водах. Поставлены задачи оценки и прогнозирования качества речных вод в системах УЭБ.

превышают допустимые значения ПДКмр. Очень важно также установить, попадают ли в эти зоны контрольные точки территории 5*, поскольку от этого зависит принятие управленческих решений по обеспечению безопасности населения и персонала (рис. 2).

Пусть на основании результатов измерений, выполненных в ряде пунктов, получено значение оценки Д ± ДР0. Построим с использованием описанных выше моделей «максимальную» и «минимальную» зоны повышенных концентрации = (Д - АР0) И = ^(Д +ДР„). В

случае, показанном на рис 2(а), зона повышенных концентраций даже для максимально возможной оценки Ро не затрагивает контрольную точку В1. Тем самым можно быть уверенным, что в точке В1 экологическая обстановка соответствует нормативам. Иная ситуация представлена на

рис. 2(б): контрольная точка В1 попадает в зону • Поэтому в точке В1

возможно превышение допустимого уровня загрязнения, но возможно также, что область высоких концентраций и не достигнет этой точки. Очевидно, что в данном случае для уточнения оценки обстановки требуется уменьшить путем дополнительных измерений. В реальных

системах УЭБ возможные пункты выполнения таких измерений обычно известны, однако число дополнительных измерений Ь ограничено количеством имеющихся в системе УЭБ измерительных средств, временем отпущенным на проведение измерений, их стоимостью и т.п. Эти ограничивающие факторы можно рассматривать как некоторый ресурс П являющийся функцией набора точек проведения дополнительных измерений. Следует отметить, что П зависит не только от количества точек, но и от их расположения, так как, к примеру, время и стоимость проведения измерений, связанных с выездом на место, зависит от местонахождения точки. Имеющиеся ограничения описываются введением величины - заданного предельного значения ресурса,

который может быть затрачен на дополнительные измерения.

Рассмотрим постановку и алгоритм решения задачи рационального выбора точек дополнительных измерений. Пусть Г - множество возможных точек проведения дополнительных измерений, число таких точек обозначим как Мыт- Среди них необходимо выбрать набор е¥ такой, что погрешность - минимальна, при этом суммарный

ресурс, потраченный на эти измерения, не превышает

Будем предполагать, что затрачиваемый на проведение измерений в точках р',...,!^ ресурсП^1,...,!*1) аддитивен, то есть:

Здесь Г? - ресурс, затрачиваемый на проведение измерения в точке

Для поиска набора точек / предлагается многошаговый алгоритм, на каждом шаге которого, перебираются все допустимые с точки зрения ресурсных возможностей точки дополнительных измерений (/=/,...,А/йед) и выбирается точка, дающая наилучшее значение погрешности ДР0.

Предложенные алгоритмы программно реализованы в виде соответствующих модулей геоинформационно-моделирующего комплекса, ориентированного на практическое применение в системах УЭБ предприятий нефтегазового комплекса.

область повышенных

Рис 2. Минимальная

к»

концентраций: (а) Контрольная точка В1 не попадает в область

Контрольная точка В1 попадает в область

Третья глава посвящена задачам моделирования распространения промышленных загрязнений в речной сети как непосредственно в местах выпуска сточных вод, так и в окрестностях промышленных объектов. Описываются подходы к решению задач моделирования качества речных вод применительно к системам управления экологической безопасностью. Рассмотрены модели: оценки распространения загрязнений на участке сброса; оценки распространения загрязнений в зоне влияния промышленного объекта при стационарных и залповых сбросах; оценки распространения загрязнений в речной сети.

Для моделирования процессов загрязнения речной сети предложено использовать математический аппарат, учитывающий комплекс техногенных и природных процессов, происходящих при загрязнении водотоков: сбросы сточных вод, их разбавление в реке, заборы вод из

речной сети на технические и бытовые нужды, перемешивание вод рек и впадающих в них притоков, боковой приток в реки воды и загрязнителей, смываемых с поверхности водосбора, перенос загрязняющих веществ с током воды и, наконец, процессы естественного самоочищения речных вод. Эти процессы описываются различными математическими моделями, поэтому для решения задачи оценки и прогноза качества вод в речной сети, подвергающейся техногенному воздействию, необходимо использовать эти модели совместно. Предлагается декомпозиционный подход, в соответствии с которым речная сеть разбивается на участки различных типов, каждый из которых рассматривается отдельно с применением моделей, соответствующих характеру процессов на данном участке, а для обеспечения «стыковки» моделей используются условия баланса воды и переносимых ей загрязняющих веществ на границе участков. Рассматриваются как стационарные источники сбросов, так и залповые, которые характерны для аварийных ситуаций.

Пусть х - расстояние вдоль русла участка реки. Задача декомпозиции речной сети решается с помощью приближенного алгоритма, основным элементом которого является разбиение линейного участка реки (хнт, хкт) на последовательность из двух участков (х„ач, х*), (х отличающихся

однородностью гидрологических характеристик. Критерием качества такого разбиения служит соответствие расчетных уровней концентраций загрязнения экспериментальным данным: измеренным в точках хо-хнач,хь...,хп.1,хя-хкон уровням концентраций Со,С1,...,С„.1,С„ . Если такое соответствие будет обеспечено, то полученное разбиение позволит решать задачи моделирования распространения загрязнений в речной сети с необходимой точностью.

Пусть задан некоторый аддитивный критерий / соответствия расчетных и экспериментальных данных:

/(С0.....С.,/(г, /(г,*,)) = 1/'[С()/(г, *,)]>

где С(х)=/(г,х) - функция концентрации загрязняющего вещества в водах реки, зависящая от неизвестного параметра г.

Пусть - значение наилучшим образом соответствующее

экспериментальнымданным:

г = г'(ха,...,х„) = гxgmnl[Ci,C^...,C„J{r,x0)J{r,x;),...J{r,x,l)\ (4)

Если в качестве возможной точки разбиения выбирать одну из точек , то постановка задачи декомпозиции примет вид:

тт [¿/'(С,, Л'!м,*у))

где Г® - значение г для участка (хд,х); Г^ - для участка (хьх„).

Очевидно, что для решения задачи (5) достаточно на каждом из двух участков (хц,х^ (.х„х,) в качестве г^ и г^ выбрать значения г,"' = .,*,). г« = г\х,,...,хп), полученные из подзадачи (4):

/(дг0,...,х ) + 1(х',...,хп) = +

Тем самым определена оптимальная точка х* разделения участка (х„аЧ1хК0„).

В результате декомпозиции формируется множество участков речной сети, для каждого из которых может быть использована соответствующая модель распространения загрязнений с параметрами, определенными исходя из измерительных данных, полученных системой.

Рассмотрены модели оценки качества речных вод на участках различных типов: на участке сброса сточных вод и на участках их полного перемешивания в зоне влияния промышленного объекта.

Предложена модель распространения загрязнений в речной сети. Пусть в результате декомпозиции получено представление речной сети в виде направленного ациклического связного графа (рис. 3). Ребра графа соответствуют участкам сети. Ориентация каждого ребра определяется направлением течения. Узлы графа соответствуют: истокам, стокам, пунктам слияния и разветвления участков реки.

Предположим что: все гидрологические параметры реки в пределах каждого участка однородны; все места сбросов сточных вод, заборов воды, а также контрольные створы размещены в узлах сети; распределение концентрации в любом поперечном сечении рек сети однородно (протяженность зон разбавления сточных вод существенно меньше длины участков сети); в узлах сети происходит мгновенное перемешивание вод.

Введем следующие обозначения: речной сети;

в = ,1 = " множество узлов графа; и = {£/& е Б} -множество

ребер графа (участков рек). Каждый узел 5; характеризуется множеством

Математическое моделирование природных и природно-техногенных процессов, протекающих в окрестностях контролируемых промышленных объектов, является необходимым элементом для решения одной из основных задач обеспечения экологической безопасности - получения своевременной и достоверной информации об экологической обстановке. Основой этих данных являются непосредственные измерения параметров состояния и уровней загрязнения компонентов природной среды, выполненные в отдельных пунктах местности в ходе экологического мониторинга. Особое место математическое моделирование занимает в профилактике и ликвидации аварийных ситуаций. При формировании и анализе возможных сценариев развития аварийных ситуаций важнейшую роль играют модели переноса загрязняющих веществ в различных компонентах природной среды: распространения облаков загрязняющих веществ в атмосфере, нефтяных пятен на поверхности водоемов и т.п.

При возникновении аварийной ситуации на проведение дополнительных измерений и наблюдений может не быть времени, и оценить ее масштаб и возможные последствия, дать объективные прогнозы ее развития можно только на основании математического моделирования исходя из имеющихся данных о случившемся: характере повреждений, возможном химическом составе и количестве попавшего в окружающую среду загрязнителя, метеорологической обстановке и т. п.

Таким образом, эффективное решение стоящих перед системой управления экологической безопасностью оперативных, плановых и перспективных задач невозможно без комплексной обработки априорных и текущих измерительных данных с применением средств математического моделирования экологических процессов.

Теоретические и экспериментальные исследования распространения загрязняющих веществ в атмосфере и поверхностных водотоках проводились для различных типов источников. Результатами этих исследований является ряд формализованных моделей переноса загрязнений в атмосфере - от достаточно простых до весьма сложных, а также набор экспериментально подтвержденных расчетных методов оценки загрязнения речных вод. К основным физическим процессам, которые должны учитываться при моделировании, относятся: перенос загрязняющего вещества воздушным потоком; вертикальный подъем истекающей из источника газовоздушной струи; рассеяние загрязняющего вещества в пограничном слое атмосферы вследствие турбулентной диффузии; выпадение загрязнений на подстилающую поверхность; разбавление и перемешивание сточных вод в реках; самоочищение вод речной сети от загрязнений в результате физико-химических и биохимических процессов и т. д.

Наименование аварии/Объём выброса Факторы Зона воздействия Уровень риска Воздействия на окружающую среду

Аварийное разрушения линеинои части трубопровода/3000 -5000 т образование ударной волны 30 м 0,05 - 1 случай на 1000 км газопровода в год загрязнение воздуха; тепловое воздействие на почву, растительность, животный мир; механическое и тепловое воздействие на водную среду, флору и фауну водоемов (при авариях на переходах через водотоки); нарушение природных ландшафтов.

разлет осколков 30-5 0м

воспламенение и горение газовой струи 300-350м

пожароопасность

Аварийный организованный залповый выброс газа на компрессорной станции/ 80-120 т загазованность атмосферы В пределах санитарно-защитной зоны загрязнение воздуха

Аварийное разрушение трубопроводов компрессорных станций/в зависимости от характера аварии взрыв; возгорание; механические повреждения и разрушения; разлив горючесмазочных материалов В пределах санитарно-защитной зоны Уровень индивидуального риска для технического персонала 10-4 в год загрязнение воздуха; тепловое воздействие; загрязнения почвы и грунтовых вод.

Наименование аварии Взаимодействие на окружающую среду

Выбросы из скважин при производстве буровых работ и при эксплуатации скважин загрязнение атмосферы; загрязнение почвы; загрязнение поверхностных и грунтовых вод; тепловое воздействие (при пожарах); воздействие на растительный и животный мир.

Разливы из сухопутных трубопроводов

Разливы из резервуаров и емкостей хранения нефти и нефтепродуктов

Разливы из трубопроводов на море загрязнение морской водной среды; загрязнение береговой зоны; загрязнение атмосферы и тепловое воздействие (при пожарах); воздействие на растительный мир.

Проводится детальный анализ основных угроз и их источников, существенно влияющих на экологическую безопасность предприятий нефтегазового комплекса и прилегающих территорий. С их учетом рассматриваются задачи управления экологической безопасностью предприятий. Рассматриваются основные проблемы и особенности математических моделей распространения загрязняющих веществ различного типа и процессов их трансформации. Основное внимание уделяется моделям распространения загрязнений в атмосферном воздухе и поверхностных водах.

Во второй главе рассматриваются задачи моделирования переноса загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Представлены модели и алгоритмы решения следующих задач: моделирование распространения облака загрязняющего вещества в атмосфере от залпового источника при стационарных однородных и неоднородных метеоусловиях; восстановление поля концентрации загрязняющего вещества по данным подфакельных измерений; выбор точек дополнительных измерений для

уточнения размеров зон повышенных концентраций загрязняющего вещества.

При использовании данных моделей учитываются следующие основные предположения:

- метеоусловия и характеристики поверхности, определяющие распространение загрязнения, постоянны во времени;

- концентрация загрязняющего вещества вследствие влияния турбулентной диффузии распределяется в горизонтальном и вертикальном направлениях по гауссовскому закону с дисперсиями, зависящими от расстояния вдоль по ветру от источника, состояния устойчивости атмосферы и характера ландшафта территории;

- выбрасываемое источником вещество консервативно, т.е. не подвержено распаду и не вступает в химические реакции.

В качестве базовой модели для решения задач оценки и прогноза экологической обстановки используется Гауссовская модель распространения загрязнений в атмосфере.

Введем обозначения: G - рассматриваемая область; t- время; R=R(x,y,z) е G - произвольная точка с координатами (х, у, z) ; C(R,t) -концентрация загрязнения в точке R в момент времени t; S = (Sl,...,S>',...,if) - точки размещения источников загрязнения атмосферы

координаты n-ого источника; P(t) =(Pi(t),.., P„(t),..., Pn(t)) - мощности источников загрязнения атмосферы. Каждый источник характеризуется высотой Я и диаметром сопла (устья) Д Пусть на территории развернута измерительная сеть системы УЭБ, для которой Л=(А ,...,Ат,...,Ам) - точки размещения пунктов измерения, Ат е G; (х",у*,z") - координаты ш-ого пункта; В=(В',.В11) - контрольные точки территории, в которых необходимо оценить уровень загрязнения, 5*eG; W- метеоусловия.

Используемая координатная система (X,Y,Z) ориентируется осью X по направлению ветра. Будем обозначать координаты в такой системе, как X,y,"z. Тогда концентрация загрязнения C(R), создаваемая в точке R(X,y,Z) постоянно действующим точечным источником мощности Р, находящимся в начале координат, описывается соотношением:

-)+ехр(- 5 ; )

Здесь сгУ| завиоййре <|>т Хдисйерсии рассеяния2<^11рязфющего вещества в вдоль осей У и 7.Vй- скорость ветра на высоте источника Я.

05JZ-O5J3

/ 111 \ 16 Ш 2005 f ífb i "

1158

Введение

Глава 1 Задачи моделирования и управления экологической безопасностью

1.1 Предприятия нефтегазового комплекса и их воздействие на 12 окружающую среду

1.2 Проблемы управления экологической безопасностью предприятий 21 нефтегазового комплекса

1.3 Задачи математического моделирования в системах управления 32 экологической безопасностью

1.4 Проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и 41 управления экологической безопасностью

Краткие выводы

Глава 2 Задачи моделирования распространения загрязнений в атмосфере

2.1 Базовая модель

2.2 Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах для 62 однородных метеоусловий

2.3 Оценка и прогноз экологической ситуации при залповых выбросах с 76 учетом неоднородности метеоусловий

2.4 Оценка экологической ситуации на территории по данным измерений в 82 подфакельной зоне

Краткие выводы

Глава 3 Задачи контроля и оценки качества вод в речной сети, принимающей стоки промышленных предприятий

3.1 Особенности производственного экологического контроля водных 102 объектов

3.2 Основные процессы распространения загрязнений при сбросе сточных 106 вод в водотоки

3.3 Декомпозиция задачи оценки качества вод в речной сети, принимающей 112 стоки промышленных объектов

3.4 Задачи оценки качества речных вод на участке сброса промышленных 120 стоков

3.5 Задачи оценки качества поверхностных вод в зоне влияния 132 промышленного объекта

3.6 Моделирование распространения загрязнений в речной сети

Краткие выводы

Глава 4 Системы управления экологической безопасностью 149 предприятий нефтегазового комплекса

4.1 Назначение и структура систем управления экологической 150 безопасностью

4.2 Информационно-измерительная сеть

4.3 Структура Информационно-управляющей подсистемы

4.4 Особенности реализации геоинформационно-моделирующего комплекса, 187 в составе информационно-управляющей подсистемы

Краткие выводы

Стремительное развитие технологий в последние десятилетия привело к качественному изменению характера воздействия человеческой деятельности на среду обитания. Негативные последствия вмешательства человека в окружающую среду проявляются во всех ее компонентах. Серьезному разрушению подвергается как живая, так и неживая природа. Самим ярким примером последнего времени является экологическая катастрофа на Аральском море. В настоящее время речь идет уже о глобальных изменениях окружающей среды, возможные последствия которых представляют серьезную угрозу будущему человечества.

Поскольку все природные компоненты связаны между собой в единой экосистеме, нарушения любого из них приводят к цепной реакции, и в результате зачастую происходит необратимая деградация среды обитания. Это, в свою очередь, самым негативным образом влияет на здоровье людей.

Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывают такие отрасли, как топливно-энергетический комплекс, горнодобывающая промышленность, металлургия, химическая промышленность.

Серьезные усилия в области охраны окружающей среды на государственном и межгосударственном уровне начали предприниматься с 5060 гг. XX века, когда была осознана серьезность проблемы и необратимость многих негативных процессов. В связи с этим во всех развитых странах была создана и продолжает совершенствоваться широкая нормативная база природоохранной деятельности, например, в США за последние 50 лет было принято более 30 федеральных законов в этой области. Часть этих законов непосредственно регулирует вопросы, связанные с деятельность нефтегазового комплекса [15].

Основные принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей среды [2] изложены в «Декларации по окружающей среде и развитию», которая была принята участниками конференции ООН, состоявшейся в июне 1992г. в Рио-Де-Жанейро. На этой конференции также была подписана «Рамочная конвенция ООН об изменении климата», на ее основании в 1997 г. был принят Киотский протокол, направленный на сокращение выбросов в атмосферу так называемых «парниковых газов», в первую очередь СОг и метана. По мнению большинства специалистов, повышением концентрации этих газов в атмосфере вызваны глобальные изменения климата и связанный с ним рост частоты природных катаклизмов -наводнений, засух, ураганов, селей.

В Российской Федерации основой законодательства в области охраны окружающей среды являются:

Закон РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002; Федеральный Закон «Об охране атмосферного воздуха» от 04.05.1999; Федеральный Закон «О санитарно-эпидимиологическом благополучии населения» от 30.03.1999;

Федеральный Закон «Водный кодекс РФ» от 16.11.1999;

Федеральный Закон «Об отходах производства и потребления от 24.06.1998.

В данных законах определены основные задачи и механизмы проведения природоохранной деятельности на территории РФ.

Основными направлениями деятельности по охране окружающей среды являются: разработка и внедрение новых технологий, снижающих уровень негативного воздействия человеческой деятельности на окружающую среду; создание средств очистки промышленных и коммунальных выбросов; создание технологий восстановления нарушенных компонентов природной среды; разработка и проведение мероприятий по комплексному контролю источников воздействия и состояния окружающей среды, включая сбор, обработку и анализ результатов такого контроля. Обеспечение экологической безопасности функционирования промышленных предприятий решается в России, как на государственном уровне[19], так и на уровне предприятий-природопользователей.

В задачи государства входит комплексный контроль природоохранной деятельности предприятий и их негативного воздействия на окружающую среду, а также - государственный экологический мониторинг: система наблюдений оценки и прогноза состояния окружающей среды.

Государственный экологический мониторинг в Российской Федерации проводится силами Росгидромета, Министерства природных ресурсов, Госсанэпиднадзора, а также органов местной исполнительной власти.

В задачи предприятий-природопользователей входит проведение производственного экологического контроля, включающего полный комплекс работ по обеспечению экологической безопасности предприятия, в том числе контроль источников негативного воздействи на окружающую среду, а также -контроль состояния компонентов природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвенного и растительного покрова и пр.) в зонах влияния промышленных объектов.

Обязательность производственного экологического контроля, изучаемого в настоящей диссертации, декларируется статьями 64 и 67 закона РФ «Об охране окружающей среды».

Таким образом, создание на предприятиях современных систем управления экологической безопасностью является актуальной научно-технической задачей.

Актуальность

Предприятия нефтегазового комплекса отличаются масштабностью воздействия на окружающую среду. Все стадии обработки углеводородного сырья - его добыча, транспортировка и переработка характеризуются неизбежными плановыми выбросами и сбросами загрязняющих веществ, а также опасностью аварийных выбросов в атмосферу и утечек в водную среду. Кроме того, объекты нефтегазового комплекса отличаются высокой пожаро- и взрывоопасностью. Последствия аварий на таких объектах могут быть очень тяжелыми. В такой ситуации комплексный контроль и управление экологической безопасностью предприятий и промышленных объектов становится насущной необходимостью.

Задачи контроля источников загрязнения окружающей среды, ее состояния, оценки и прогноза развития экологической обстановки в окрестностях промышленных объектов возлагаются на системы управления экологической безопасностью предприятий.

Необходимым элементом этих систем является информационное и программное обеспечение, позволяющее оперативно оценивать экологическую ситуацию на предприятии и прилегающей территории исходя из текущих результатов измерений и уровней загрязнения природной среды. Важнейшим инструментом решения стоящих перед данными системами задач является математическое моделирование развития экологических процессов. При этом вычислительная реализация моделей требует использования аппарата современных геоинформационных систем. Таким образом, разработка математических моделей и алгоритмов оценки и прогнозирования экологической ситуации применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, а также создание необходимых для работы этих моделей информационных технологий и программных средств является актуальной научной задачей. Диссертация посвящена вопросам информационной поддержки принятия управленческих решений по обеспечению экологической безопасности предприятий нефтегазового комплекса, разработке методов и алгоритмов, математического и программного обеспечения контроля и управления экологической обстановкой. Диссертационная работа выполнена в соответствии с исследованиями в рамках проблем РАН 2.4.5. «Сложные технические системы и информационно-управляющие комплексы», 3.3 «Системы автоматические, математические методы, исследования сложных управляющих систем и процессов, САЬЗ-технологии», а также Программ №14 и №16 отделения ЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза модульных интегрированных технических и социальных систем управления».

Целями работы являются разработка и исследование информационных технологий решения задач оценки и прогнозирования экологической обстановки в системах управления экологической безопасностью; исследование, разработка, алгоритмическая и программная реализация моделей распространения промышленных загрязнений в воздушной и водной среде; создание моделирующих программных комплексов, обеспечивающих решение этих задач с применением унифицированных средств геоинформационной поддержки; практическое внедрение созданных программных средств в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса. Научная новизна

В работе получены следующие новые научные результаты: проанализированы модели переноса загрязнений в атмосфере, разработаны новые модели данного класса применительно к задачам систем управления экологической безопасностью, в частности - модель распространения загрязнений после залпового выброса и модель оценки полей загрязнений по данным измерений в подфакельной зоне, модель рационального выбора точек проведения дополнительных измерений для уточнения экологической обстановки; исследованы задачи систем управления экологической безопасностью применительно к организации контроля и оценки состояния водных объектов в зонах влияния промышленных объектов. Предложен алгоритм декомпозиции речной сети, принимающей промышленные стоки, а также модели оценки и прогноза качества речных вод при стационарных залповых сбросах на основании измерительных данных; разработаны принципы построения, архитектура и технология функционирования геоинформационно-моделирующих комплексов (ГМК) в составе систем управления экологической безопасностью, разработаны алгоритмы программной реализации предложенных моделей в составе ГМК. Практическая значимость

Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программы оцеыки и прогноза экологической обстановки и созданный для их реализации ГМК ориентированы на практическое применение в системах управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

Разработанный ГМК и его модельное наполнение функционируют в режиме промышленной эксплуатации в составе системы управления экологической безопасностью Астраханского газохимического комплекса ООО «Астраханьгазпром», системы производственного экологического мониторинга экспортного газопровода Россия-Турция «Голубой поток», системы производственно-экологической безопасности Оренбургского газохимического комплекса ООО «Оренбурггазпром». В данных системах внедрены следующие результаты диссертационной работы: комплекс математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере применительно к задачам, решаемым в системе управления экологической безопасностью; математические модели и алгоритм расчета распределений концентрации загрязнений в речной сети; разработана архитектура, технология функционирования и алгоритм работы ГМК как элемента системы управления экологической безопасностью; информационное и программное обеспечение ГМК на базе современных ГИС-технологий.

Апробация

Результаты работы докладывались и обсуждались на:

V Международной научно-практической конференции «Проблемы управления качеством окружающей среды» (Москва, 2001); 11 -Международной деловой встрече «Диагностика 2001». (Тунис, 2001); Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (Пенза, 2001); 4-Международном рабочем совещании «Роль геодинамики в решении экологических проблем развития нефтегазового комплекса» (С.-Петербург. 2003);

Международной научно-практической конференции «Теория активных систем » (Москва, 2003);

Материалы международной научной конференции «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, 2004); 11 и 12 Международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (Москва. 2003-2004). Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Приложения.

Заключение

Диссертационная работа посвящена решению задач контроля и оценки экологической обстановки в системах управления экологической безопасностью промышленных объектов применительно к предприятиям нефтегазового комплекса РФ. В работе получены следующие основные результаты:

1. На основании анализа задач, стоящих перед системами управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса, сформулированы основные требования к математическим моделям оценки и прогнозирования экологической ситуации на промышленных объектах и в зонах их влияния, а также - к средствам их реализации. Рассмотрены основные проблемы и особенности математических моделей распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и поверхностных водах. Поставлены проблемы и задачи повышения эффективности моделирования и управления экологической безопасностью предприятий нефтегазового комплекса.

2. Изучены задачи систем управления экологической безопасностью, связанные с контролем, оценкой и прогнозированием экологической обстановки в воздушном бассейне в окрестностях промышленных объектов. Предложены модели и алгоритмы оценки распространения загрязнений в атмосферном воздухе: модели и алгоритмы оценки экологической ситуации при залповых выбросах загрязняющих веществ в атмосферу в предположении об однородных метеоусловиях и с учетом неоднородности метеорологических условий; методика и алгоритм оценки экологической обстановки по данным измерений уровней загрязнения и метеорологических параметров, выполняемых в подфакельной зоне измерительными средствами системы управления экологической безопасностью ; методика выбора точек дополнительных измерений с целыо уточнения экологической обстановки на территории. Выполнена программная реализация предложенных алгоритмов в составе геоинформационно-моделирующего комплекса.

3. Исследованы методы контроля и управления состоянием водной среды в зонах влияния промышленных объектов. Рассмотрены основные процессы и модели распространения загрязнений в поверхностных водах. Поставлены задачи оценки и прогнозирования качества речных вод в системах управления экологической безопасностью . Построены методики и алгоритмы оценки распространения загрязнений в поверхностных водах: модели и алгоритмы оценки прогноза качества вод в речной сети, принимающей промышленные стоки, на участке сброса и в зоне влияния предприятия на основании данных производственного экологического контроля сточных и поверхностных вод; математическая модель и алгоритм оценки экологических последствий залповых сбросов загрязняющих веществ в речную сеть вследствие аварийных ситуаций; математическая модель и алгоритм оценки распространения загрязнений в речной сети в зонах множественных сбросов промышленных сточных вод. Разработаны программные модули геоинформационо-моделирующего комплекса, реализующие предложенные модели.

4. Разработана архитектура геоинформационно-моделирующего комплекса, решающего в системе управления экологической безопасностью задачи математического моделирования экологических процессов на картографической основе. Выполнена программная реализация геоинформационно-моделирующего комплекса и интеграция в него созданных в работе программ оценки и прогноза экологической ситуации.

5. Изучена общая структура систем управления экологической безопасностью, включающая информационно-измерительную сеть, выполняющую измерения и наблюдения за параметрами экологической обстановки, подсистему передачи данных и информационно-управляющую подсистему, обеспечивающую накопление, хранение, комплексную обработку и представление данных. Рассмотрена структура информационного ядра системы - Центра производственно-экологической безопасности промышленного предприятия. Предложена технология решения задач математического моделирования в системе управления экологической безопасностью.

6. Разработанные в диссертации модели и алгоритмы оценки и прогнозирования экологической обстановки, а также — программные средства и информационные технологии внедрены и успешно функционируют в системах управления экологической безопасностью крупнейших газоперерабатывающих предприятий России - Астраханского и Оренбургского газохимимческих комплексов а также - уникального экспортного газопровода Россия -Турция "Голубой поток".

1. Архипова Н.И., Кульба В.В. Управление в чрезвычайных ситуациях М., 1998.

2. Балашенко С.А. Международно-правовые принципы охраны окружающей среды и права человека. Белорусский журнал международного права и международных отношений.-1998. №5.

3. Белинский Б.И., Гераськин В.И., Коломоец В.Н и др. Опыт разработки внедрения и эксплуатации системы производственно-экологической безопасности ООО «Астраханьгазпром». // Сборник докладов 11-ой Международной деловой встречи «Диагностика 2001», М., 2001.

4. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1982.

5. Березняков А.И., Грива Г.Н. Внедрение экспериментального комплекса системы производственного экологического мониторинга ООО «Надымгазпром». // Сборник докладов 11-международной деловой встречи «Диагностика 20011», -М., 2001.

6. Бесценная М.А Усовершенствование экспресс-метода расчета разбавления сточных вод в реках // Труды ГГИ,- 1972. Вып 191.

7. Босняцкий Г.П. Природный газ и сероводород. Справочное пособие. М: Газоил-пресс, 1998.

8. Вызова H.J1., Гаргер Е.К, Иванов В.Н. Турбулентность в пограничном слое атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.Г

9. Вызова Н.Л., Гаргер Е.К. Экспериментальные и теоретические исследования распространения загрязнений в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 2001.

10. Вопросы ядерной метеорологии. Под ред. Кароля И.Л., Малахова С.Г. -Госатомиздат, 1962.

11. Гаврилов В.П., Костиков A.A. Рассеяние и перенос облака примеси в тропосфере. Метеорология и гидрология, 1981, №10.

12. Гандин Л.С Объективный анализ метеополей. Л.: Гидрометеоиздат, 1964.

13. Гаргер Е.К. и др. Лагранжева модель регионального переноса и рассеяния полидисперсной примеси в нижних слоях тропосферы. //Труды ИЭМ, 1986 вып. 14(129).