Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка математической модели и методики расчета рассеяния вредного вещества в атмосферном воздухе от подвижных источников железнодорожного транспорта

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Филимонова, Галина Петровна

Введение.

Глава 1. Выбор объекта исследования.

1.1 Введение.

1.2. Обзор источников загрязнения атмосферного воздуха на железнодорожном транспорте.

1.2.1. Некоторые классификационные признаки источников загрязнения.

1.2.2. Стационарные источники загрязнения.

1.2.3. Передвижные источники загрязнения.

1.3. Тепловозная тяга как источник загрязнения атмосферного воздуха.

1.3.1. Масштабность использования тепловозной тяги.

1.3.2. Состав вредных выбросов в отработавших газах дизелей тепловозов.

1.3.3. Количественные характеристики состава вредных выбросов в отработавших газах.

1.3.4. Описание основных элементов вредных выбросов.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка математической модели и методики расчета рассеяния вредного вещества в атмосферном воздухе от подвижных источников железнодорожного транспорта"

2.2. Анализ основных особенностей источников выброса вредных веществ на железнодорожном транспорте и постановка задачи. 43

2.3. Определение средних значений концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе от источников загрязнения, движущихся по магистрали. 47

2.4. Определение средних значений концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе от случайно распределенных на местности транспортных средств. 61

2.5. Выводы по второй главе. 70

Глава 3. Разработка методики расчета рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе от подвижных источников железнодорожного транспорта. 71

3.1. Введение. 71

3.2. Краткий обзор методик расчета рассеяния загрязнений в атмосферном воздухе. 71

3.3. Методика расчета рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе от тепловозов. 74

3.4. Выводы по третьей главе. 83

Глава 4. Применение разработанной методики к задаче экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха, загрязняемого подвижными источниками железнодорожного транспорта. 84

4.1. Описание исходной информации. 84

4.2. Основные принципы представления исходной информации в виде базы данных. 85

4.3. Организация извлечения информации из базы данных кодом программы. 92

4.4. Результаты расчетов полей концентраций и их анализ. 93

4.5. Выводы по четвертой главе. 120

Заключение. 121

Литература. 123

Акт внедрения. 134

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка аналитических методов расчета рассеяния вредного вещества в атмосферном воздухе от подвижных источников железнодорожного транспорта является одной из проблемных задач экологического мониторинга окружающей среды.

Научные основы данного направления были заложены еще в 20-30-х годах XX столетия в работах Дж. Тейлора, A.A. Фридмана, JI.B. Келлера, получившие свое развитие и практическое применение в конце второй мировой войны в связи с научно-техническим прогрессом, обострившим проблему загрязнения окружающей среды в глобальном масштабе.

В этот период различными аспектами названной проблемы за рубежом занимались Бозанке и Пирсон, А. Чемберлен и О. Сеттон, С. Пристли и Ф. Пэсквил и другие. Целая плеяда отечественных ученых также занималась теоретическими и практическими вопросами этого направления -A.M. Обухов, А.Н. Колмогоров, Е.С. Ляпин, М.Е. Берлянд. Позднее A.C. Монин, H.JI. Вызова, Л.Г. Лойцянский, A.M. Яглом, Д.Л. Лайхтман, А.Е. Алоян, Г.И. Марчук и другие.

В настоящее время проблема определения загрязнения атмосферного воздуха выбросами вредных веществ достаточно многосторонне исследована для стационарных источников.

Характер исследований последнего десятилетия определен резким увеличением парка автомобильного транспорта, ставшим основным источником загрязнения атмосферного воздуха в региональном и локальном масштабах. Таким образом наметилось смещение акцента разработок различных методик от стационарных объектов загрязнения к подвижным.

В наше время целые лаборатории, научные центры и институты занимаются созданием имитационных моделей распространения примесей в атмосферном воздухе.

Однако, несмотря на регулярный поток экологической информации, многочисленные научные исследования, а также практические мероприятия в области охраны окружающей среды, ее состояние зачастую продолжает оставаться неудовлетворительным.

В связи с этим наряду с разработкой и внедрением ряда комплексных мер по охране атмосферного воздуха и созданием единой автоматизированной системы контроля качества атмосферного воздуха по России дальнейшие исследования аналитических методов изучения распространения вредных примесей в природных средах остаются, по-прежнему, актуальными.

Обеспечение нормальной экологической обстановки невозможно без наличия своевременной и достоверной информации о состоянии окружающей среды. Последнее возможно благодаря учету всех источников загрязнения.

Известно, что промышленные регионы и большие города представляют собой крупные транспортные узлы, к тому же связанные между собой, как правило, сложной сетью транспортных магистралей. Для них характерно кроме интенсивных автомобильных потоков наличие источников загрязнения и в иных отраслях, в частности, на железнодорожном транспорте. Хотя в целом по стране на сегодняшний день 40 тыс. км железных дорог электрифицировано, но на оставшихся 45 тыс. км магистралей действует тепловозная тяга, представляющая собой магистральные и маневровые тепловозы [1, 2]. Кроме этого на железнодорожных магистралях, вокзалах, сортировочных станциях, территориях заводов и иных объектах имеют место локальные перемещения составов и отдельных вагонов, осуществляемые также посредством маневровых тепловозов. Выбросы вредных веществ от магистральных и маневровых тепловозов по своему составу аналогичны автомобильным, а, следовательно, во многом токсичны. Таким образом подвижные объекты железнодорожного транспорта (тепловозы) оказывают негативное влияние на состояние воздушного бассейна. В связи с этим обоснована постановка вопроса, а каково же конкретно это влияние. Поскольку для железнодорожного транспорта вообще отсутствуют какие-либо (нормативные или научные) методики расчета рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе, то решение такой задачи с целью экологической безопасности особенно важно, перспективно и актуально.

Цель работы. Работа имеет две цели. Первая - построение и исследование математической модели распространения вредных примесей в атмосферном воздухе от подвижных средств железнодорожного транспорта. Вторая - создание методики расчета концентрации вредной примеси в атмосферном воздухе.

Достижение поставленных целей требует решения следующих задач:

- проведения анализа существующих методов и методик расчета загрязнения атмосферного воздуха;

- выявления особенностей, присущих железнодорожному транспорту, позволяющих разработать принципиально новый метод;

- обоснования способа решения поставленной задачи по рассеянию вредной примеси в атмосферном воздухе с помощью разработанной модели;

- рассмотрение типовой задачи железнодорожного транспорта, связанной с загрязнением атмосферного воздуха подвижными источниками;

- разработки базы данных и программного продукта обработки исходной информации;

- обоснования адекватности разработанной модели рассеяния вредного вещества в атмосферном воздухе от подвижных средств железнодорожного транспорта реально существующей экологической ситуации.

Объект исследования. В теоретическом плане объектом исследования является моделирование распространения вредных веществ в атмосферном воздухе от подвижных транспортных средств с учетом временных и метеорологических факторов (ветер и характер погоды - ясно, пасмурно).

Числовые значения выбросов, график движения поездов, метеорологические факторы вводятся в ПЭВМ вручную с клавиатуры. Эта информация организуется в базу данных, которая используется совместно с расчетной формулой для решения поставленной задачи.

В практическом плане объектом исследования является тепловозная тяга, загрязняющая токсичными выбросами (сернистый ангидрид, оксид углерода, диоксид азота, сажа) атмосферный воздух и проведение на основе теоретической разработки оценки экологического состояния атмосферного воздуха.

Методы исследования. В диссертации используются методы и результаты теории дифференциальных уравнений в частных производных, теории вероятностей, математической статистики, а также численные методы, методы объектно-ориентированного программирования и методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Впервые построена математическая модель распространения вредного вещества в атмосферном воздухе от подвижных источников загрязнения применительно к объектам железнодорожного транспорта.

2. Создан программный продукт реализации разработанной математической модели на персональном компьютере.

3. Рассмотрены конкретные типовые участки железнодорожной магистрали Луга - Псков с действующими подвижными источниками выброса вредных веществ, для которых проведены расчеты рассеяния всех видов вредных примесей в атмосферном воздухе от выбросов магистральных и маневровых тепловозов в реальных режимах их работы и сделан вывод об экологичности эксплуатируемой тепловозной тяги.

4. Предложена методика расчета рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе от подвижных источников загрязнения(тепловозная тяга).

Практическую ценность работы определяют следующие результаты:

- знание степени загрязненности атмосферного воздуха позволяет принимать различного рода управленческие решения (например, изменение графика движения поездов) с целью обеспечения экологической безопасности;

- расчетная методика позволяет сделать вывод о степени загрязненности как самой территории, где находятся источники выбросов в атмосферный воздух вредных веществ, так и на прилегающей к ней местности;

- разработанная математическая модель может быть использована не только для подвижных источников загрязнения на железнодорожном транспорте, но и для других видов транспорта (автомобильный, сельскохозяйственный, промтранспорт, морской, речной );

- методологический подход, примененный при построении математической модели носит общий характер и может быть использован при решении аналогичных задач и для стационарных источников загрязнения в случаях, когда их расположение на местности неизвестно исследователю и он либо допускает их равномерное распределение, либо проводит подобные исследования предполагая иной закон распределения источников (например, нормальный).

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены:

- в учебном процессе при обучении студенческих групп и на ФПК инженерных кадров в ПГУПС по специальности "Инженерная защита окружающей среды на железнодорожном транспорте".

Подтверждается методическим указанием "Метод прогнозирования загрязнения атмосферы выбросами от мобильных источников загрязнения транспорт) на основе детерминированно-вероятностной модели", СПб, ПГУПС (план изданий Университета путей сообщения 1999 г.)

- в секторе АСУ ГУП "Транссервис" Октябрьской железной дороги.

Выносятся на защиту следующие результаты:

1. Методология получения аналитических выражений для расчета средних значений концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе от выбросов подвижных транспортных средств вне магистрали их движения и от стационарных транспортных объектов вне зоны их случайного расположения с учетом количества источников выброса загрязнений, погодных условий и ветра.

2. Формулы для расчета полей концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе от выбросов передвижных и стационарных объектов железнодорожного транспорта при их случайном расположении на местности с учетом количества источников выброса загрязнений, погодных условий и ветра.

3. Методика расчета рассеяния вредных веществ в атмосферном воздухе выбросов отработавших газов от тепловозной тяги.

4. Организация исходной информации в реляционную базу данных с использованием стандартной CASE - технологии проектирования и программный продукт, пригодные для решения широкого круга аналогичных экологических задач на железнодорожном транспорте.

5. Применение разработанной методики для решения конкретной практической задачи оценки экологического состояния атмосферного воздуха вокруг участка железнодорожной магистрали Луга - Псков.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, разбитых на параграфы, заключения и списка литературы, содержащего 105 наименований. Общий объем работы - 135 страниц. Работа содержит 37 рисунков и 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Филимонова, Галина Петровна

6. Заключение.

С целью оценки экологического состояния воздушного бассейна вокруг участка железнодорожной магистрали полученные по формуле (3.1) средние значения концентраций вредного вещества следует сравнить с их ПДК [13].

Таким образом методика расчета рассеяния вредного вещества в атмосферном воздухе от тепловозов позволяет выявить области вокруг железнодорожной магистрали опасные для здоровья людей.