Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий

Зайченко, Ольга Владимировна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий"

На правах рукописи

ЗАЙЧЕНКО ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ВОЗДУШНУЮ СРЕДУ НАСЕЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность: 25.00.36 - "Геоэкология"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2005

Работа выполнена в Государственном общеобразовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ»)

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Степанова Ирина Павловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гульков Александр Нефёдович

доктор технических наук, профессор Катин Виктор Дмитриевич

Ведущая организация:

Отдел охраны окружающей среды и природных ресурсов админисл рации г. Комсомольска-на-Амуре.

Защита состоится 1 июля 2005 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.055.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук при Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ имени В. В. Куйбышева) Министерств науки и образования Российской Федерации по адресу 690600, г. Владивосток, ГСП, ул. Алеутская, 39 Институт инженерной и социальной экологии, конференц-за т. Тел./факс: (4232)401 628. E-mail: vakh@fegi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосючно-го государственного технического университета (ДВПИ имени В. В. Куйбышева) по адресу: 690950, г. Владивосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10.

Автореферат разослан » мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.055.03, к.г.-м.н.

6вЪ<3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ Изменение жизнеобеспечивающих ресурсов геосфер-ных оболочек под влиянием природных и антропогенных факторов - основная проблема, исследуемая геоэкологией. Одним из мощных факторов, влияющих на глобальные и локальные изменения окружающей среды, являются лесные пожары (ЛП). Тепловые и дымовые выбросы обширных ЛП меняют динамику атмосферы, процессы циркуляции воздушных масс, и тем самым, погодные условия в отдельных регионах.

В Хабаровском крае крупные ЛП регистрируются каждые 10 лет (1968, 1978, 1988), достигая катастрофических масштабов в среднем один раз в 22 года (1954, 1976, 1998). Особенности рельефа ряда населенных мест края, расположенных в долинах и межгорных котловинах, обуславливают застойные явления воздушных масс, устойчивую направленность ветров, длительные периоды безветрия, что усиливает воздействие интенсивной и длительной задымленности от ЛП, создавая серьезные угрозы для здоровья населения.

При оценке последствий ЛП учитываются масштабы прямого ущерба (повреждение объектов техносферы, потери древесины, снижение уровня биоразнообразия) и масштабы косвенного ущерба, обусловленного ухудшением здоровья населения. Для крупных промышленных центров с высоким индексом загрязнения атмосферы косвенный ущерб от воздействия длительной задымленности приобретает особое значение.

Определение опасности ЛП с учетом всех видов последствий - это многофакторная проблема Только учет всех факторов позволит разработать планы превентивных мероприятий, адекватных размерам возможного прямого и косвенного ущерба. Проведение такого анализа требует разработки эффективных методов и средств оценки характера и уровня воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий с учетом изменения распределения концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в местах пребывания различных групп населения.

Наиболее перспективный подход к решению подобных задач - сочетание методов моделирования распределения загрязнения на всей исследуемой территории и инструментальных измерений концентраций ЗВ в отдельных точках.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методов для анализа и комплексной оценки воздействия ЛП, учитывающих изменение качества воздушной среды населенных мест под влиянием ЛП, и степень опасности ситуации в режиме ретроспективной оценки и прогноза.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены следующие ЗАДАЧИ:

1. Разработать систему показателей, позволяющую повысить адекватность определения уровня опасности ЛП, учитывая воздействие продуктов горе-

ния ка качество воздуха населенных мест и изменение показателей заболеваемости населения.

2 Исследовать ситуацию с ЛП в районе г. Комсомольск-на-Амуре в мае-октябре 1998г. на основе сбора, структурирования и анализа исходной информации о ЛП, данных о замерах концентраций ЗВ и значениях метеорологических показателей на стационарных постах, данных о показателях заболеваемости населения города.

3 Разработать информационную модель для расчета полей концентраций в зоне задымления ЛП на примере пожарной ситуации 1998г. с использованием методик расчета рассеивания ЗВ в атмосфере

4. Разработать математическую модель на основе искусственных нейронных сетей (ИНС), позволяющую исследовать и прогнозировать распределение концентраций ЗВ на местности между заданными контрольными точками и оценивать значимость факторов, влияющих на распределение концентраций на исследуемой территории

5. Разработать метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий, основанный на моделировании распределения ЗВ, и дать качественную и количественную оценку загрязнения воздуха на примере лесопожарного периода 1998 г.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВА1ШЯ. Для решения поставленных задач, в ходе исследований, были использованы методы теории систем, методы математического моделирования и статистического анализа данных, алгоритмы расчета рассеивания вредных веществ в атмосферном воздухе, теория искусственных нейронных сетей, геоинформационные технологии.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА состоит в следующем:

1. Предложена система показателей для определения опасности ЛП, учитывающая прямые и косвенные ущербы от ЛП.

2. Разработан метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий, позволяющий определять уровень загрязнения в режиме ретроспективных оценок и прогноза

3. Разработана нейросетевая модель, сочетающая преимущества методов инструментальных измерений и математического моделирования, позволяющая на основе данных о концентрациях в заданных граничных точках восстанавливать пространственно - временное распределение концентраций ЗВ на исследуемой территории и выполнять прогноз, что существенно расширяет возможности оценки экологической обстановки.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ:

1. Разработана информационная модель пожарной ситуации 1998 г, сформированы базы данных о характеристиках ЛП, уровне загрязнения на территории города, изменении показателей заболеваемости населения, позволяющие выявить картину распределения пожаров, зоны загрязнения на территории города, что является основой для определения групп риска жи-

телей, выработки эффективных превентивных мероприятий по защите населения при возможных чрезвычайных пожарных ситуациях.

2. Разработана и программно реализована нейросетевая модель, позволяющая на основе метрологических данных о значениях концентраций ЗВ в граничных точках территории города восстанавливать поля концентраций с визуальным выделением участков (зон) с опасно высоким уровнем загрязнения. Рекомендуется к использованию в службах мониторинга наряду с метрологическими методами контроля загрязнения воздуха городов в штатных и чрезвычайных ситуациях.

3 Разработан комплекс программ, позволяющий визуализировать процесс развития ЛП, оценить уровень создаваемых им концентраций ЗВ на исследуемой территории в зависимости от изменения метеопараметров Комплекс рекомендуется к использованию в службах авиалесоохраны, службах ГО и ЧС для оперативного определения уровня прямых и косвенных последствий ЛП и как дополнительное средство при прогнозировании последствий ЧС.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные этапы исследований проводились в рамках реализации концепции «Безопасное развитие», заявленной в программе «Наукоград».

Основные теоретические положения и практические результаты использовались в учебном процессе кафедры «Безопасность жизнедеятельности» КнАГТУ при подготовке специалистов по направлению «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», применялись в составе учебного пособия «Экологическая безопасность» и методических указаний по спецкурсам «Безопасность в ЧС» и «Управление здоровьем персонала». Результаты исследования нашли практическое применение в работе отдела природопользования и охраны окружающей среды и отдела по делам ГО и ЧС администрации Комсомольского района, а также рекомендованы в качестве информационного материала для предупреждения населения об экологической опасности ЛП.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту:

1. Система показателей для определения опасности ЛП, учитывающая кроме общепринятых показателей, концентрации продуктов горения в местах пребывания различных групп населения и изменение показателей заболеваемости, позволяет разработать методы для комплексной оценки опасности лесопожарной ситуации.

2. Метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий на основе моделирования пространственно-временного распределения выбросов ЛП, и результат его реализации на примере лесных пожаров 1998 г. в районе г. Комсомольска-на-Амуре.

3. Модель распределения полей концентраций ЗВ на основе нейро-сетевого подхода, интерполирующая значения концентраций на исследуе-

мой площадке при задании значений в контрольных точках в текущий момент времени, позволяет анализировать расположение зон загрязнения и итерационно выполнять прогноз, а также определять значимость влияния входных параметров на изменение распределения ЗВ

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов исследования подтверждается сравнением оценок опасности уровня загрязнения, полученных по результатам моделирования и замеров на постах мониторинга; применением апробированных методик расчета рассеивания примесей в атмосферном воздухе и расчета выбросов ЗВ от ЛП.

АПРОБАЦИЯ Основные результаты докладывались и обсуждались на международных и региональных научно-технических конференциях-Международной научно-технической конф «Приморские зори» (Владивосток, 2001, 2003), Региональной научно-технической конф. «Молодежь и научно-технический прогресс» (Владивосток, 2002); Международной научно-технической конф. «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (Комсомольск-на-Амуре, 2002); Краевом конкурсе-конференции молодых ученых и аспирантов при администрации Хабаровского края (Хабаровск, 2003); Международной научно-технической конф. «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов регионов» (Комсомольск-на-Амуре, 2003); Региональной конф. молодых ученых «Проблемы экологии и рационального природопользования Дальнего Востока» (Владивосток, 2004); Региональной научно-практической конф. «Дальневосточная Весна - 2005»; Ежегодных конференциях Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (Комсомольск-на-Амуре, 2001-2005); научном семинаре Инженерного колледжа Канвонского национального университета (Корея, 2005).

ПУБЛИКАЦИИ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, в том числе свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Автору принадлежат следующие научные и практические результаты: структурирование и анализ исходной информации; разработка системы показателей и метода для оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных мест; разработка информационной модели лесопожарной ситуации 1998 г. в Комсомольском районе; разработка модели распределения концентраций ЗВ на основе ИНС; разработка комплекса программ, реализующего предложенные модели; выполнение качественной и количественной оценки уровня загрязнения в период пожаров 1998 г.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и 4-х приложений. Работа изложена на 198 страницах основного текста, содержит 41 рисунок, 30 таблиц, 60 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы Сформулирована цель и задачи диссертации, представлена структура работы и дана краткая характеристика входящих в нее глав.

В первой главе анализируется ситуация с ЛП в Хабаровском крае и выполняется обзор применяемых на практике методов оценки последствий ЛП

Воздействие ЛП на окружающую среду и человека обуславливаем -экономические, экологические и социальные ущербы (рис 1)

Последствия воздействия лесныч пожаров на окружающую сред> и четовека

Экономические

Потери древесины, в т ч повреждение мо-лодняков, ресурсов побочно? о лесопользования

Расходы на тушение,

расчистку го-рельникови др восстановительные рабо-

Убытки других отраслей прекращение авиа-, ЖД , автоперевозок судоходства и др

Экологические

Загрязнение продуктами горения воздушной среды волной среды, почв

Уничтожение кисло рода

- Тепловое загрязнение Массовый выброс парниковых гаюв

- Изменение микроклимата

- Задымление и загазованность атмосферы

Гибеть животных и растений

Снижение бноразнообразня

Социальные

ГIбеть и травматизм людей, непосредственно в зоне пожара

Ухудшение пенхофи зиологических показателей населения фиш чес» их, эмоциональных, интеллектуальных, репродуктивных наследственности

Рос- заболеваемости населения

Уменьшение про-юлжительно ти жизни

Изменение качества окр>жаюшей срсды качества жизни, эффективности 1ея тельности населения увеличение экономических рисков

Прямое воздействие .......* Косвенное возаействие

Рис } Структура последствий лесных пожаров

Задача оценки опасности отдельных ЛП и пожароопасного сезона в целом согласно методикам, применяемым органами ГО и ЧС, лесного хозяйства, решается на основе определения категории пожара по гипу, площади и интенсивности, а также оценки напряженности пожароопасного периода по количеству возникающих пожаров Но учет всех видов последствий и ущербов от ЛП - это многофакторная проблема, требующая объективной оценки комплекса показателей.

Для комплексной оценки опасности ЛП предлагается рассматривать следующие группы показателей, отражающие изменение во времени:

- источника опасности - характеристики пожаров;

- качества воздушной среды;

- показателей здоровья населения.

Первая группа, включающая набор показателей, принятых в методиках оценки ущербов от ЛП в лесном хозяйстве, дополнена характеристиками расположения очагов ЛП относительно населенных мест, с точки зрения опасности задымления. Вторая группа показателей характеризует изменение качества воздушной среды населенных территорий, с позиций продолжительности, интенсивности и качественного состава загрязнения атмосферы дымами и газами от лесных пожаров, а также сравнения этих значений с характерными (фоновыми) для исследуемой местности в обычные периоды. Третья группа показателей позволяет учесть последствия для здоровья населения, на основе информации о численности пострадавшего населения и показателях заболеваемости различных групп.

Алгоритм процедуры оценки опасности ЛП включает поэтапный анализ названных показателей, при этом переход к следующему блоку (расширение оценки) выполняется в случае определения повышенной опасности на предыдущем уровне.

Сеть стационарных постов замеров концентраций ЗВ в воздухе городов является относительно редкой, так в Комсомольске-на-Амуре с населением около 280 тыс. человек - 4 поста в точках, характеризующих схожие зоны (селитебные зоны города, промышленные районы и транспортные магистрали). Вместе с тем, процессы распространения ЗВ в атмосферном воздухе характеризуются сложной пространственно-временной динамикой уровней ЗВ, вследствие этого, объективную оценку качества воздушной среды можно выполнять, анализируя изменчивость полей концентраций отдельных видов ЗВ и их совокупности на всей территории населенных пунктов.

Увеличение числа замеров потребует значительных финансовых затрат Поэтому для получения наиболее точных значений показателей качества воздуха и прогнозирования уровня возможного загрязнения необходимо комплексное использование как метрологических методов, мониторинговых наблюдений, данных статистики, так и технологий моделирования. Такой подход позволяет разработать метод оценки воздействия ЛГ1 на воздушную среду населенных территорий на основе сравнительного анализа текущего загрязнения воздушной среды под влиянием чрезвычайных природных факторов (в рассматриваемом случае ЛП), ретроспективной оценки фона в обычные периоды и прогнозируемых уровней загрязнения при различных сценариях развития ЧС

Введение третьей группы параметров обусловлено тем, что сушест-

Система показателей для определения опасности лесного пожара

Группа показателей I «Характеристики ЛП» -Характер горения

- Местоположение очага пожара

- Скорость распространения и интенсивность

- Площадь пожара

- Продолжительность

- Отдаленность от населенных пунктов

- Нахождение пожаров в опасных направлениях ветра

Группа показателей II «Качество воздушной среды» -Состав загрязняющих веществ, степень их токсичности

- Продолжительность задымленности

- Интенсивность задымленности (максимальные и средние

значения концентраций)

- Пространственно-временное распределение загрязнения

- Качество воздушной среды в сравнении с фоновым уровнем

Группа показателей III «Реакция населения на ЛП»

- Численность населения в зоне загрязнения

- Изменение показателей заболеваемости (расчет значений

темпа роста и темпа прироста по классам заболеваний)

- Выявление групп риска по силе реакции на воздействие

задымленности

Рис 2 Cxeva проведения анализа возможных последствий ЛП

вующая практика оценки опасности загрязнения, основанная на сравнении концентрации примесей с нормативными регламентами (ПДКм.р, ПДКс.с.), не все-да отражает опасность ситуации как величины риска ухудшения здоровья, связанного с качеством окружающей среды

С целью определения воздействия ЛП на здоровье населения предлагается анализировать стандартные показатели заболеваемости и соотносить их динамик> с данными об уровне загрязнения в местах частого пре бывания значительной части жителей, а также в мес!ах повышенною за грязнения воздушной среды (в рассматриваемом случае - дтительного задымления).

При анализе динамики заболеваемости целесообразно использова;ь статистические показатели, определяющие характер и интенсивное 1ь количественных изменений состояния здоровья населения К этим показателям относятся: абсолютный прирост, темпы роста и прироста

Темп роста использован для оценки ежегодного изменения показа ге ля заболеваемости:

где ПЗ, - показатель заболеваемости за 1-ый год (на 1000 населения соо1-ветсгвующей возрастной группы), /73,/ - показатель заболеваемости за предыдущий год,/ - исследуемый класс болезней.

Темп прироста рассматривается в качестве оценки значимости изменения заболеваемости в период лесных пожаров ( реакция населения нч воздействие):

_ /73, - /73,

ПГ, -

ЛСР,

где ¡а Саэт^ный уровень принимается средний абсолютный прирост А< ^

Средний абсолютный прирост заболеваемости в течение относи¡ечь но стабильного периода может рассматриваться в качестве критерия дл/ сравнения с приростом в период пожаров.

А,.,

где N - число лег стабильного периода, предшествовавшею сильному изменению качества среды,] - исследуемый класс болезней.

Таким образом, для комплексной оценки опасности последствий Л11 по предлагаемой системе показателей актуально решение двух смежных задач: разработки метода оценки загрязнения атмосферного воздуха выбросами ЛП и определения влияния этого загрязнения на состояние здоро вья населения.

Во второй главе выполнен анализ особенностей пожароопасного сезона 1998 г. Рассмотрен комплекс причин, обусловивший чрезвычайно высокие показатели горимости: всего в Хабаровском крае возникло 1279 ЛП, на общей площади 2,1 млн.га.

Разработанная в ходе исследования база данных, на основе отчетов Комсомольского-на-Амуре отделения ДВ базы авиационной охраны лесов и данных лесхозов, включающая характеристики более чем трехсот ЛП в четырех лесхозах: Комсомольском, Уктурском, Гурском и НижнеТамбовском, позволила выполнить анализ пожароопасного сезона по группе показателей «Характеристики ЛП».

При анализе отдаленности очагов ЛП от городской черты из 306-ти рассмотренных пожаров 38% попали в зону ближе 30 км от города Значительное число возгораний в местах доступа населения согласуется с основной причиной возникновения пожаров - по вине человека. Результаты анализа по площади: 47% пожаров площадью от 2 до 200 га (средние) и 17% чрезвычайно крупных пожаров (более 200 га), среди которых 6% - катастрофических (более 2000 га). На долю пожаров из 30-ти километровой зоны от города приходится 35% всех крупных пожаров (площадью более 200 га). При наложении розы ветров в районе г. Комсомольск-на-Амуре (повторяющееся направление по долине Амура) и расположения пожаров относительно города, отмечено преобладание в опасных направлениях пожаров, горевших ближе 30 км от города. За начало отсчета в центре диаграмм выбран центр территории города (рис. 3).

юз

сз

— В

а) процент пожаров по направлениям б) роза ветров в летний период

------от числа всех пожаров

-от числа ближних пожаров

Рис 3 Распределение пожаров по направлениям относительно города

Полученные результаты явились первым этапом проведения ретроспективной оценки пожарной ситуации 1998 г. в районе г. Комсомольска-на-Амуре, учитывающим такие показатели системы оценки как отдаленность очагов горения от населенных территорий и расположение пожаров, способствующее интенсивному задымлению городской территории

Практическая ценность проведенной работы по сбору и структурированию данных о пожарах 1998г. на территориях, прилегающих к городу, заключается в формировании единой базы данных, позволяющей выполнять анализ пожарной обстановки, прогнозировать районы возможных крупных пожаров, а также значительно ускорить и упростить процесс картографирования исследуемого пожароопасного периода.

В третьей главе описан разработанный автором метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий и реализована информационная модель для выполнения расчета загрязнения воздуха г. Комсомольск-на-Амуре в период пожарной ситуации 1998 г.

Метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду предназначен для повышения эффективности решения задач комплексной оценки опасности ЛП и учитывает следующие параметры:

- уровень загрязнения атмосферного воздуха населенного пункта характерный для обычных ситуаций [ретроспективная оценка];

- уровень загрязнения в текущей ситуации (задымленность, либо другая чрезвычайная ситуация) [оперативная оценка];

- прогнозируемый уровень загрязнения [экспресс - прогноз] Реализация метода включает следующие основные этапы:

1) оперативный сбор исходной информации, включающей значения всех рассматриваемых показателей;

2) мониторинговый контроль, проводимый с целью определения уровня загрязнения атмосферного воздуха;

3) систематизация исходной информации (формирование баз данных и табличных материалов);

4) определение предполагаемого состава загрязнения;

5) моделирование распределения загрязнения на исследуемой территории:

- по характеристикам потенциальных источников (ЛП);

- по данным замеров в контрольных точках;

6) количественная оценка уровня загрязнения:

- уточнение состава загрязнения;

- оценка вкладов ЛП в уровень загрязнения (сопоставление с обычным уровнем загрязнения для данного периода);

- анализ поингридиентых показателей загрязнения (абсолютные значения концентраций ЗВ в мг/м3, значения, нормированные на

ПДК, показатели частоты превышений ПДК в процентах от исследуемого периода);

- средняя концентрация примеси в воздухе за период ЧС;

- наибольшая концентрация примеси в воздухе за период ЧС,

- анализ пространственно-временного распределения концентраций;

7) качественная оценка опасности загрязнения, с учетом рисков для здоровья населения;

8) разработка сценария развития ситуации;

9) представления расчетных данных (оценки, прогнозы) в виде удобном для принятия управленческого решения (визуализация и т. д.).

На рисунке 3 представлена схема функционирования системы оценки опасности загрязнения воздуха ЛП, основанная на предлагаемом методе.

Для получения данных о концентрациях и последующего анализа на этапах 5-7 используется моделирование распределения загрязнения. Решаются два типа задач:

- ретроспективная оценка, когда имеется значительный массив данных о характеристиках пожаров и метеорологических параметрах;

- оперативная оценка и прогноз, когда модельные расчеты опираются на данные мониторинга в отдельных точках.

Режимы анализа и оценки

режим оперативной оценки ситуации

режим ретроспективной оценки

режим получения прогнозных оценок

Уровни детализации результатов

- средний уровень по городу.

по районам города,

- по точкам города,

- моделирование распределения полей концентраций

- получение областей с уровнем I ПДК, 5ПДК , ЮПДК

Рис 4 Схема функционирования системы оценки опасности загрязнения воздуха лесными пожарами

Для выполнения ретроспективной оценки загрязнения воздуха г. Комсомольск-на-Амуре в период пожарной ситуации 1998 г автором разработана информационная модель загрязнения воздушной среды выбросами ЛП.

Особенности разработки информационной модели (рис 5) заключаются в следующем- ЛП рассмотрен как источник загрязнения атмосферы с изменяющимися параметрами, для которого применены стандартные методики расчета рассеивания примесей в атмосферном воздухе В ходе реализации был выполнен переход от источников со статическими параметрами, рассматриваемых в методах расчета рассеивания по модели М Е. Берлянда, к расчету источников с динамическими параметрами, пригодным для ЧС, связанных с продолжительными ЛП.

Рис 5 Этапы реализации информационной модели для определения загрязнения воздушной среды выбросами ЛП

По результатам анализа литературных источников и стандартных методик был составлен список ЗВ, входящих в состав дымов ЛП. Прежде всего, учитывались вещества, токсическое действие которых на организм человека подтверждено. Список веществ представлен в таблице 1, из них-2 - первого класса опасности, 1 - второго, 3 - третьего, 2 - четвертого.

Таблица 1

Список загрязняющих веществ, входящих в состав дымов ЛП

№ Наименование вещества Коэффициент эмиссии (кг/кг;, принятый для расчетов Класс опасности пдк м р , мг/м3 пдк с с, мг/м1

1 Углерода оксид (СО) 0,135 4 5 3

2 Углерода диоксид (СОг) 0,094 - - -

3 Метгн 0,075 4 50 -

4 Дым (ультра дисперсные частицы) 0,069 - - -

5 Сажа (С) 0,0124 3 0,15 0,05

6 Азота оксиды (N0*) 0,000405 3 0,085 0,04

7 Серы диоксид (ЭОг) Ю-6 3 0,5 0,05

№ Наименование вещества Коэффициент эмиссии (кг/кг), принятый для расчетов Класс опасности пдк м.р., мг/м3 пдк с с, чг/м3

8 Сероводород (HjS) Ю*6 2 0,008 -

9 Ванадия оксид (V2O5) 10 12 1 0,002 -

10 Бенз(а)пирен ю-12 1 - 10"6

Расчет выбросов ЗВ выполнялся по обобщенным формулам, основанным на математической модели ЛП A.M. Гришина. Для каждого из веществ использовался соответствующий коэффициент эмиссии. Коэффициент эмиссии выражается как соотношение:

= та / т„

где т, — масса лесных горючих материалов (ЛГМ) на единице площади лесной территории, сгоревшая при ЛП, та — масса а- компонента, образовавшегося при горении ЛГМ на той же территории.

Для каждого ЛП проведен расчет мощности выброса и валового выброса за все время горения пожара по 10-ти веществам. Выполнен анализ валовых выбросов по месяцам и по составу входящих ЗВ.

Формирование информационной модели отразило изменение ситуации во времени с шагом в одни сутки, что обусловлено временной структурой исходной информации о состоянии ЛП. Общая продолжительность моделируемого временного интервала составила полтора месяца (с 16.07.98 по 31.08.98). Всего было построено 46 «ежедневных срезов», отражающих положение источников и их мощности С учетом изменения метеопараметров (замеры производились три раза в день) было построено 67 вариантов наборов исходных данных в форме массива таблиц параметров, отражающего изменение мощности горения и характера распределения пожаров, а так же направления и скорости ветра. Каждый фиксированный во времени пожар рассматривался, как неорганизованный источник площадного типа с заданными координатами расположения и мощностью выброса.

Расчет полей концентраций ЗВ в приземном слое воздуха был произведен с использованием программы «Эколог», для 67 вариантов Расчет реализован для расчетной площадки размерами 62x46 км с шагом в 1 км, включающей как зону горения, так и территорию города. Кроме расчета в узлах заданной расчетной сетки, были выделены расчетные точки на территории города с заданными координатами, четыре из которых соответствовали координатам расположения стационарных постов замеров Остальные точки были введены для установления уровня загрязнения как в мес-

тах наиболее частого пребывания населения, так и в местах повышенного загрязнения от техногенных источников города с известным характером и уровнем загрязнения в штатных ситуациях.

Результаты расчета были представлены в форме таблиц значений концентраций в узлах расчетной сетки, в расчетных точках по 10 веществам, и в форме изолиний рассеивания.

На рис. 6 представлены изолинии рассеивания полей концентраций СО для одного из вариантов расчета, отражающие уровень загрязнения приземного слоя воздуха 27 июля 1998г.

Рис 6 Изолинии концентраций ЗВ по результатам одного из вариантов расчета (СО на 27 07 98, ветер северо-восточный, скорость 3м/с)

Таким образом, разработан метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду населенных территорий на основе моделирования пространственно-временного распределения ЗВ и сформирована информационная модель, отражающая особенности загрязнения воздушной среды в реальной лесополсарной ситуации, для последующей оценки уровня загрязнения.

В четвертой главе выполняется качественная и количественная оценка загрязнения воздуха на исследуемой территории в период пожаров 1998 г, а также анализ статистических показателей заболеваемости населения города с 1994 по 2003 гг. для определения уровня опасности ситуации.

Для верификации результатов моделирования, выполненного ранее, проведено сопоставление с данными замеров. В таблице 2 приведены по-

казатели исследуемого временного интервала по данным замеров и по результатам моделирования

Таблица 2

Уровень загрязнения воздушной среды в период интенсивных ЛП

(результаты замеров и моделирования)

Результаты замеров концентраций ЗВ Вклад городских источников ЗВ (замеры) Вклад ЛП как источника ЗВ (замеры) Результаты моделирования концентраций ЗВ от ЛП Погрешность моделирования

средняя концентрация за исследуемый период в долях ПДКсс (%)

Диоксид азота 1,95 1,11 0,84 0,75 10,7

Оксид углерода 4,52 0,8 3,72 3,7 0,5

Сажа (С) - - - 5,7 -

Дым (твердые дисперсные частицы) - - - 32 -

Взвешенные вещества 9 2,3 6,7

Сопоставлены средние концентрации за период моделирования и среднемесячные уровни (июль, август) по данным замеров на посту №10 службы Росгидромета, данные по СО соответствуют гамерам ГЦСЭН. Вклад ЛП в уровень загрязнения атмосферы был определен как разность значений концентраций, замеренных в период интенсивного юрения лесов, и среднего уровня концентраций, обычно отмечаемых на данном посту в летний период.

Сопоставление показало приемлемый уровень погрешности моделирования для газообразных ЗВ (0,5 - 10,7 %).

Так как при мониторинге городского воздуха не отслеживаются отдельно такие примеси как сажа и дым, судить о концентрациях данных примесей можно только по результатам замеров взвешенных веществ Значительное превышение расчетных концентраций сажи и дыма по сравнению с данными замеров по взвешенным обусловлено рядом причин: 1) использованием в расчетах коэффициента эмиссии Ка для дыма, учитывающего как мелкодисперсные (<10мкм), так и более крупные частицы (>10мкм), которые осаждаются ближе к очагу пожара и не вносит вклад в концентрации на территории города; 2) погрешностью расчетов по использованной модели рассеивания для случая взвешенных частиц.

Соответствие динамики моделируемого и фактического уровня за-1рязнения (для газообразных и взвешенных вешеств) указывает на адек-

ватность модели и позволяет использовать модельные расчеты для определения пиков и спадов концентраций, по взвешенным - с учетом поправочного коэффициента.

Результаты моделирования говорят о том, что концентрации ЗВ превышали установленные нормативы на всей территории города на протяжении 60-77% исследуемого периода. В отдельные дни максимальные концентрации дыма и сажи в атмосфере города превышали ПДК м.р. для взвешенных в 68-70 раз — в точках, соответствующих Ленинскому округу и 84 раза - в пос. Менделеева. По СО максимальные концентрации достигали 40-50 мг/м3 (8-10 ПДК м.р.), а в точке, соответствующей пос. Победа - 64 мг/м3 (12,8 ПДК м.р.).

Уровень концентраций ЗВ указывает на чрезвычайность ситуации, сложившейся летом 1998г. в результате длительного загрязнения атмосферы города выбросами ЛП. Анализ результатов моделирования и фактических концентраций показал, что для оценки опасности лесопожарной ситуации по уровню загрязнения воздушной среды можно ограничиться данными по четырем основным веществам: взвешенные вещества (дисперсные частицы дыма), сажа(С), оксид углерода(СО) и диоксид азота (ЫОг) Концентрации остальных веществ (таблица 1) существенно ниже установленных нормативов.

Выявлена проблема несовпадения зон максимального загрязнения в подобных ситуациях и расположения постов замеров, что усложняет оперативную оценку тяжести обстановки и опасности для населения. Рекомендовано в период пожарной ситуации контролировать концентрации в воздухе веществ, по которым были отмечены превышения нормативов в исследуемый период как по данным моделирования, так и по замерам: взвешенные, сажа, СО, N02 > содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирена). Также опасность представляет попадание в организм токсичных и канцерогенных веществ через пищевые цепи с продуктами хозяйств, расположенных в зоне действия ЛП.

С целью оценки исследуемой ситуации по третьей группе показателей (рис. 2) был выполнен статистический анализ показателей заболеваемости населения города в период с 1994 по 2003 гг., представленных ГЦСЭН.

Из 20-ти исследованных классов болезней для всех групп населения были выделены три класса болезней, характеризующихся наибольшими значениями ежегодного темпа роста (ТР) и темпа прироста (ТПр) показателей заболеваемости: болезни эндокринной системы и обмена веществ (2,19 и 12 - подростки), болезни органов дыхания (1,27 и 14,6 - дети) и болезни крови и кроветворных органов (0,87 и 8,6 - взрослые). Можно говорить о значительном увеличении как случаев заболеваний с впервые установленным диагнозом, так и случаев обострений хронических заболеваний среди

возрастных групп детей и подростков, обладающих более уязвимой иммунной системой.

Таким образом, выполнена ретроспективная оценка пожарной ситуации 1998 г в районе г. Комсомольска-на-Амуре на основе предложенной системы показателей' по всем группам показателей ситуация оценена как чрезвычайная Применение метода оценки воздействия ЛП на воздушную сред) позволило выполнить объективную оценку по группе показателей «Качество воздушной среды», учитывающую как данные мониторинга, так и результаты моделирования.

Реализованная нейросетевая модель позволяет интерполировать значения концентрации ЗВ на площадке, заданной контрольными (граничными) точками и представляет собой многослойный персептрон Математический аппарат ИНС адаптирован к решению задач интерполяции и экстраполяции функций. Распределение концентраций интерпретируется как чегаюрая функция, заданная значениями в контрольных точках Поэтому предлагаемая модель не налагает ограничения на фазовое состояние ис-слсд\ечых ЗВ, являясь наиболее адекватной для газов и мелкодисперсных аэрозолей

Методика моделирования распределения полей концентраций ЗВ на основе ИНС включает следующие этапы:

- обучение ИНС достоверно моделировать временные ряды, описывающие концентрации ЗВ в контрольных точках расчетной площадки;

- разработка нейросетевой модели определенной структуры, учшы-нающей связь между значениями концентраций в предыдущий и последующий момент времени (день) в заданной точке местности, что делает такую модель максимально адекватной реальной ситуации;

- моделирование поля распределения концентраций между контрольными точками, в которых значения концентраций известны.

Реализация ИНС такова, что на слой входных нейронов подается вектор Р (рис 7), включающий управляющие параметры модели (координаты точки замеров, скорость ветра, направление ветра и т.д.), 1аким образом, каждый из входных нейронов отвечает за свою характеристику Второй вектор С содержит последовательность значений концентраций в заданной контрольной точке местности в первые к дней. Все входные значения нормированы согласно пороговым значениям [-1;1] функции активации (тангенс гиперболический). При прохождении через скрытые слои

значения входных векторов преобразуются, и на выходе получается ответ, сформированный нейросетью. Число выходов нейросети совпадает с размерностью вектора С, и содержит значения последовательности концентраций, поданные на вход, плюс значение концентрации в следующий момент времени (прогноз на следующий день).

[ - вектор управляющих факторов, С - вектор значений последовательности концентраций в предыдущие к дней;

Рис 7 Схема нейронной сети, моделирующей распределение концентраций ЗВ в зависимости от управляющих параметров В качестве обучающей выборки для каждой контрольной точки местности формируется временной ряд, содержащий значения концентраций и соответствующих метеоусловий, зафиксированных во время пожарного сезона 1998 года, также были использованы данные замеров в обычные периоды (июнь-июль 2003, 2004гт). ИНС обучается итеративно моделировать последовательность концентраций в заданный временной интервал для каждой контрольной точки.

Для обучения сети применяется алгоритм коррекции весов, называемый «обратным распространением ошибки». Для последнего слоя вычисляется ошибка (разница между выходными^ и эталонными /, значениями) и распространяется обратно по сети сквозь веса скрытых нейронов, при этом веса пересчитываются с учетом величины коррекции ошибки и скорости (шага) обучения а ("г).

Для оптимизации процесса обучения был использован метод выбора адаптивного шага обучения, предложенный Головко В А. Главное преимущество данного подхода - это адаптивный шаг, который рассчитывается индивидуально для каждого слоя на каждой итерации, для того чтобы сделать лучший шаг в направлении минимизации ошибки сети:

1де г — число нейронов в слое к, р - число нейронов в предыдущем слое (к -1). В разработанной модели скорость обучения ИНС в случае использования адаптивного шага ускоряет процесс обучения в 12-13 раз по сравнению с к1ассическим алгоритмом обратного распространения

Реализованная итерационная нейросетевая модель имеет ряд особенностей, связанных с тем, что в структуру сети заложена обратная связь выходного значения (это значение текущей концентрации в данной точке расчетной площадки) с подмножеством входов нейронной сети (концентрации на заданное число дней назад в этой точке) Данная особенность архитектуры сети позволяет учесть зависимости концентраций, отмеченных е предыдущие моменты времени и концентраций в последующие дни (рис. 7) Это повышает адекватность и степень соответствия модели для моделирования поля концентраций не только на местности, но и во времени Хранение предыстории входных воздействий в данной нейромодели реализуется с помощью блока входных нейронов (вектор С), в котором содержится к предыдущих отсчетов моделируемой последовательности значений концентраций.

Гам процесс моделирования значений концентраций является итерационным - за одну итерацию моделируется значение концентрации в текущий день (значение Сшц в выходном векторе), на следующей итерации -в следующий день и т.д. В результате обучения нейросеть представляет собой динамическую модель распределения концентраций ЗВ на заданной местности в заданный промежуток времени с возможностью прогноза (рис

Для получения прогноза нужно продолжить итерационный процесс моделирование концентраций в каждой точке на заданное число итераций - тем самым, будут сгенерированы значения концентраций на заданное число дней вперед.

8).

Рис 8 Распределение концентраций между точками замеров на текущий день (где 1 участок повышенной концентрации, 2 ь пределах нормы, 3 низкая концентрация ЗВ)

С целью оптимизации модели была решена задача оценки степени влияния каждого из входных параметров на скорость и корректность обучения ИНС, что дает возможность выявить и исключить те факторы, которые не оказывают существенного влияния при моделировании распределе- * ния концентраций, но используются и усложняют модель. В разработанной модели входными параметрами являются метеорологические факторы -температура окружающей среды, скорость и направление ветра, влажность и т.д.

Выполненная оценка влияния параметров, основана на следующем алгоритме:

- на вход нейромодели, соответствующий оцениваемому фактору, подается нейтральное значение (например, ноль);

- производится обучение нейросети ;

- в процессе обучения циклически подсчитывается невязка между входным вектором, содержащим значения временной последовательности концентраций и выходным вектором, содержащим результат работы ИНС,

тем самым по величине невязки производится оценка того, как нейронная сеть реагирует на отсутствие изменения одного из управляющих входов;

- разница между невязками исходной модели и ее же, но без одного из управляющих факторов является количественной характеристикой степени влияния данного фактора на корректность результата моделирования, а значит и самой картины распределения концентраций.

Анализ полученных результатов показал, что наиболее значимым параметром для скорости обучения сети при моделировании распределения концентраций является сила (скорость) ветра (рис.9). Влияние этого фактора оценивается как 59% (от совокупной значимости вектора F -100%).

Модель на основе ИНС и модуль визуального прогнозирования развития ЛП, реализованы в форме комплекса программ «ForestFire» зарегистрированного автором. Программный комплекс позволяет визуализировать процесс развития ЛП, оценить уровень создаваемых при этом концентраций продуктов горения в зависимости от возможного изменения метеорологических условий. Программная реализация построения полей концентраций по исходным опорным точкам осуществляется в пространстве с использованием аппаратных средств ускорения ЗГЭ-графики OpenGL. Технология OpenGL, используемая в программе, позволяет в реальном времени оперировать при помощи мыши просмотром картины распределения концентраций на местности, вращая карту в пространстве, приближая-удаляя ее, и тем самым визуально оценивать возможный уровень загрязнения на заданной местности. На рис 8 показано распределение концентраций ЗВ над расчетной площадкой на текущий день, последовательно может быть отображена концентрация на следующий день и т.д. Отображаемая область распределения концентраций окрашена разным цветом, соответствующим уровню загрязнения в долях ПДК (градации красного - концентрация выше нормы, градации синего - в пределах нормы, градации зеленого - концентрация ЗВ ниже нормы).

Предложенную методику моделирования распределения ЗВ целесообразно применять для случаев: оценки изменчивости концентраций на местности и во времени, прогнозирования. Основные условия для корректного моделирования: исследуемая местность должна обладать однородными характеристиками рельефа (равнина); источники загрязнения должны на-

температура

I 10%

. направление ветра ! 14% сипа ветра

' 59%

влажность 17%

Рис 9 Значимость факторов при оценке их влияния на скорость обучения ИНС при моделировании

ходиться за пределами исследуемой площадки. Преимущества использования моделирования совместно с мониторингом:

- повышение информативности в плане уточнения пространственно-временной изменчивости концентраций, без проведения дорогостоящих массовых замеров;

- выполнение интерполяции между точками замеров, экстраполяции за пределами зоны охвата сети пунктов (мониторинга) замеров;

- возможность оценки значимости факторов, влияющих на распределение концентраций на исследуемой территории.

Таким образом, реализована нейросетевая модель распределения ЗВ, позволяющая выполнять оперативную оценку загрязнения и прогноз, опираясь на данные мониторинга в отдельных точках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационном исследовании предложены и обоснованы решения актуальной задачи оценки опасности ЛП на основе расширенной системы показателей. Для оценки воздействия ЛГ1 на воздушную среду населенных территорий на базе современных технологий информационного моделирования были разработаны методы и программные средства, позволяющие определять тенденцию изменения уровня загрязнения и степень опасности ситуации.

Основные результаты и выводы:

1. Предложена система показателей для более объективного определения опасности последствий ЛП, включающая три группы, характеристики пожаров, качество воздушной среды, показатели состояния здоровья населения. Для получения наиболее точных качественных и количественных значения показателей обоснована необходимость комплексного использования как метрологических методов, мониторинговых наблюдений, данных стагистики, так и технологий моделирования.

2. Разработан метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду на основе моделирования, учитывающий: уровень загрязнения атмосферного воздуха населенного пункта характерный для обычных ситуаций [ретроспективная оценка]; уровень загрязнения в текущей ситуации (задымлен-ность, либо другая ЧС) [оперативная оценка]; прогнозируемый уровень загрязнения [экспресс - прогноз].

3. Исследована реальная пожарная ситуация (на примере лесопожар-ного периода 1998 г. в окрестностях г. Комсомольска-на-Амуре), выполнен анализ характеристик ЛП, в т. ч. добавлены критерии анализа: отдаленность от населенных пунктов, расположение относительно повторяющихся направлений ветра. Результаты анализа показали, что более 38% пожаров находились ближе 30 км к территории города, также отмечена длительность действия пожаров и увеличение их площади до размеров 200 га и более- 64 %.

4. Разработана информационная модель, позволившая восстановить динамику изменяивости концентраций ЗВ на всей территории города и дать ретроспективную оценку опасности загрязнения в период интенсивной задымленности. По результатам сравнительного анализа расчетных данных и данных замеров на постах города показана достоверность определения динамики загрязнения воздушной среды при моделировании ЛП, как источника выбросов в атмосферу. На основе модельных расчетов выявлены наибольшие превышения ПДКм.р по саже (17-20 ПДК), СО (8-10 ПДК), Ы02 (2-5 ПДК), также на территории города выявлены зоны повышенной задымленности: пос. Победы, пос. Менделеева, Ленинский округ В этих зонах стационарные посты наблюдения отсутствуют Рекомендовано в период пожарной ситуации контролировать концентрации в воздухе веществ, по которым были отмечены превышения нормативов в исследуемый период как по данным моделирования, так и по замерам: взвешенные, сажа, СО, ЫОг, содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирена).

5. Предложено анализировать показатели заболеваемости населения для повышения адекватности оценки ситуации, причем учитывая как периоды до ЧС, так и после. Выполнен анализ статистических данных о заболеваемости, обнаруживший значительный рост показателей )аболевае-мости не только в период ЛП 1998 г., но и в последующие годы у разных возрастных групп. Проблема требует дальнейших глубоких медицинских исследований, но уже результаты анализа статистики показывают резкое ухудшение состояния здоровья населения.

6 Для выполнения оперативных оценок качества воздушной среды разработана методика моделирования пространственно временного распределения загрязнения на конкретной территории на основе аппарата ИНС Реализована нейросетевая модель, в структуру которой заложена взаимосвязь входных параметров (метеорологические показатели, временной интервал, координаты точки на местности) и значений концентрации в данной точке. ИНС моделирует распределение загрязнения в текущий момент времени и выполняет прогноз, интерполируя значения концентраций на расчетной площадке между контрольными точками, чго отвечает условиям загрязнения атмосферы города выбросами крупных ЛП.

7. Выполнен качественный анализ входных параметров, влияющих на распределение загрязнения, что позволило выявить и исключить из ней-росетевой модели факторы, которые не оказывали существенного влияния на моделирование распределения концентраций и усложняли модель, оценить степень влияния каждого из факторов и расставить их по приоритету

8. Разработан программный комплекс, реализующий предложенную нейросетевую модель распределения ЗВ и визуализированный прогноз динамики ЛП, позволяющий на основе исходных данных о характеристиках

ЛП и метеоусловий оценить развитие ЛП и дать экспресс-прогноз уровня возможного задымления близлежащих населенных мест. Рекомендуется его использование в работе органов охраны окружающей среды и лесоох-раны для получения прогнозных оценок при наличии минимального набора исходных данных, что способствует повышению эффективности проводимых мероприятий в периоды ЧС, связанных с ЛП.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Опасность загрязнения воздушной среды населенных территорий, вызванного лесными пожарами / И.П. Степанова, В.В. Анисимов, О.В. Зайченко и др. // Приморские зори-2001: Сбор. докл. междунар научных чтений (24-26 апреля 2001 г.). выпуск II. Владивосток, 2001. С. 180-! 82.

2) Зайченко О.В. Решение задач в области безопасности жизнедеятельности с применением информационных технологий // Сборник трудов региональной научно-технической конференции «Молодежь и научно технический прогресс». Ч. 3. Владивосток, 2002. С. 72-73.

3) Зайченко О.В. Анализ уровня загрязнения воздушной среды города в период чрезвычайной пожарной ситуации лета 1998 года по данным, полученным на расчетных моделях // Нелинейная динамика и прикладная синергетика. Материалы междунар. научной конференции (Комсомольск-на-Амуре, 23- 27 сентября 2002 г.). Ч. 4. Комсомольск-на-Амуре : ГОУВ-ПО «КнАГТУ», 2003. С.71-77.

4) Зайченко О В. Количественный и качественный анализ токсических веществ в воздухе городов в период лесных пожаров. // ЭКОЛОГИЯ -2003. Тезисы молодежной междунар. конференции (17-19 июня 2003 г.). Архангельск: Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 2003. С 258-259.

5) Зайченко О.В. Моделирование лесного пожара для оценки его влияния на загрязнение атмосферы города // Города Дальнего Востока: экология и жизнь человека: материалы конференции Владивосток-Хабаровск: ДВО РАН, 2003. С.48-51.

6) Зайченко О.В. Построение множества поверхностей концентраций для разработки компьютерной модели оценки качества воздуха городов в периоды лесных пожаров // Приморские зори-2003: Сбор. докл. междунар. научных чтений (1-3 октября 2003г.). выпуск II. Владивосток, 2003. С.89-92.

7) Зайченко О. В. Качественный и количественный анализ состава загрязнения воздуха г. Комсомольск-на-Амуре дымами лесных пожаров // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 33-й научно-техн. конф. (Комсомольск-на-Амуре, 1-15 апреля 2003 г.) Ч. 1. Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2003. С.129-132.

8) Зайченко О. В., Куделько Е.А., Степанова И.П., Шаталова И.Г. Анализ зависимости между уровнем действия повышенных средовых на-

грузок в период лесных пожаров и характером реакции человеческой по-тлянии// Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона: Материалы междунар. на-/чно-техн. конф. (Комсомольск-на-Амуре, 23-27 сентября 2003 г.) Ч. 1. Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2003. С.24-30.

9) Зайченко О. В., Степанова И П. Разработка методов и средств для оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий. // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: Материалы 34-й научно-техь. конф. (Комсомольск-на-Амуре, 1-15 апреля 2004 <\) Ч. 1. Комсомольск-ча-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2004. С.171-176.

HJ) Зайченко О.В. Нейросетевое моделирование как способ оптимизации исследования загрязнения воздушной среды// Проблемы экологии и регионального природопользования Дальнего Востока: Материалы региональной конференции молодых ученых (Владивосток, 18-19 ноября 2004 г.) Владивосток: Изд-зо ДВГГУ, 2004. С.148-151.

! 1) Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ (Роспателт, № 2004610692 от 17.04.2004). Визуализированный оперативный про-чоз динамики лесного пожара и моделирование загрязнения атмосферы прилегающих территорий с применением ИНС («ForestFire»).

' 2) Зайченко О.В. Лесные пожары: загрязнение атмосферного воздуха и • аболеваемосгь населения. / Комсомольск-на-Амуре, 2004. 17 с. Деп. в ВИНИТИ 19.11.2004, №1825-В2004.

13) Зайченко О.В. Применение нейронных сетей для моделирования пространственно-временной изменчивости полей концентраций загряз-н ;kil:uix веществ воздушной среды городов в период лесных пожаров. / Комсомзльск-на-Амуре, 2004. 16 с Деп. в ВИНИТИ 19.01.2005, №61-В2005.

14) Зайченко О.В. Особенности изменения показателей заболеваемости населения в случае длительного задымления атмосферы // Безопасность жизнедеятельности. 2005, №1. С. 21-25.

Р10135

Зайченко Ольга Е

РНБ Русский фонд

2006-4 6939

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ОЦсшчи пилдьис I БИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА НА ВОЗДУШНУЮ СРЕДУ НАСЕЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЛР№ 020825 от 21.09.93 Подписано в печать 23.05.05 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,63. Уч. изд. л. 1,57. Тираж 100 экз. Заказ 18890.

Полиграфическая лаборатория ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Зайченко, Ольга Владимировна

Введение.

Глава 1 Актуальность проблемы лесных пожаров.

1.1 Общее описание лесов Хабаровского края.

1.2 Лесные пожары.

1.3 Влияние пожаров на функционирование региона.

1.3.1 Ущерб от лесных пожаров на глобальном и локальном уровне.

1.3.2 Основные подходы к определению ущербов от лесных пожаров.

1.4 Система показателей для комплексной оценки опасности лесных пожаров .21 Выводы.

Глава 2 Пожарная ситуация 1998 года в Хабаровском крае.

2.1 Актуальность данных о ситуации 1998 года для исследования.

2.2 Характеристика пожароопасного периода.

2.3 Структурирование и преобразование данных о лесных пожарах.

2.4 Статистический анализ характеристик лесных пожаров 1998 года.

2.4.1 Расстояние от городской территории.

2.4.2 Анализ расположения пожаров относительно розы ветров.

2.4.3 Анализ распределения пожаров по площади.

2.4.4 Анализ распределения пожаров по месяцам пожароопасного периода.43 Выводы.

Глава 3 Метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий и его реализация на примере лесных пожаров 1998 года.

3.1 Метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий.

3.2 Основные элементы моделирования.

3.3 Описание реализации модели загрязнения воздушной среды выбросами лесных пожаров.

3.3.1 Первый этап-анализ состава выбросов лесного пожара.

3.3.2 Второй этап-определение параметров источников.

3.3.3 Третий этап-формирование таблиц параметров.

3.3.4 Четвертый этап-расчет полей концентраций загрязняющих веществ на исследуемой территории.

Выводы.

Глава 4 Качественная и количественная оценка загрязнения воздушной среды населенных территорий в период лесных пожаров.

4.1 Анализ загрязнения по данным замеров.

4.2 Анализ загрязнения по данным моделирования.

4.2.1 Сопоставление данных замеров и моделирования.

4.2.2 Анализ загрязнения по исследуемым веществам.

4.2.3 Анализ по территориальному распределению загрязнения.

4.2.4 Анализ вкладов источников.

4.3 Количественная оценка уровня загрязнения в период лесных пожаров.

4.4 Качественная оценка опасности загрязнения воздуха на основе анализа заболеваемости населения до и после 1998 года.

Выводы.

Глава 5 Нейросетевое моделирование распределения загрязняющих веществ в воздушной среде и его применение в экологическом мониторинге.

5.1 Этапы экологического мониторинга.

5.2 Реализация модуля для визуализации пожарной ситуации.

5.3 Моделирование распределения полей концентраций загрязняющих веществ на основе искусственных нейронных сетей.

5.3.1 Основные элементы искусственных нейронных сетей.

5.3.2 Построение нейросетевой модели распределения полей концентраций.

5.3.3 Обучение нейросетевой модели.

5.3.4 Моделирование значений концентраций между контрольными точками и получение прогнозных оценок.

5.3.5 Определение степени влияния входных параметров на моделирование распределения концентраций.

5.3.6 Программная реализация нейросетевой модели.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий"

Проблема негативных воздействий человека на окружающую природную среду, ее деградации, защиты от загрязнений является одной из глобальных проблем современности. Лесные пожары, оставаясь одним из мощных природных факторов, влияющих на глобальные изменения окружающей среды, сегодня в большинстве случаев возникают по вине человека. Следы этого явления можно найти на каждом континенте. Хорошо известны своими катастрофическими последствиями пожары последних лет в США, Мексике, Австралии, России. В Хабаровском крае крупные лесные пожары регистрируются каждые 10 лет (1968, 1978, 1988 гг.), а катастрофических масштабов достигают в среднем раз в 22 года (1954,1976,1998 гг.).

Тепловые и дымовые выбросы обширных лесных пожаров меняют динамику атмосферы, процессы циркуляции воздушных масс, и тем самым, погодные условия в отдельных регионах. Особенности рельефа ряда населенных мест края, расположенных в долинах и межгорных котловинах, обуславливают застойные явления воздушных масс, устойчивую направленность ветров, длительные периоды безветрия, что усиливает воздействие интенсивной и длительной задымленности от лесных пожаров, создавая серьезные угрозы для здоровья населения.

При оценке последствий лесных пожаров учитываются, прежде всего, масштабы прямого ущерба: непосредственная угроза жизни людей, объектам техносферы, природным объектам, находящимся в зоне пожара, ценность и объемы поврежденной древесины, угроза сохранению биоразнообразия. В то же время косвенный ущерб от пожара, обусловленный ухудшением состояния здоровья населения, вызванного длительной задымленностью, и снижающий эффективность деятельности всех отраслей промышленности, может оказаться больше по своей величине и значимости. Для крупных промышленных центров с высоким индексом загрязнения атмосферы косвенный ущерб от воздействия длительной задымленности приобретает особое значение.

Учет таких ущербов затруднен отсутствием приемлемых методов и средств для оценки воздействия лесного пожара на уровень загрязнения атмосферы населенных территорий.

По сравнению с другими компонентами геосферы атмосфера имеет ряд присущих только ей особенностей - высокую подвижность, изменчивость составляющих ее элементов и своеобразие молекулярных реакций. Загрязнение атмосферного воздуха — это постоянно действующий общепризнанный фактор, оказывающий отрицательное воздействие на здоровье горожан. Для определения соответствия качества воздушной среды городов установленным нормативам используются методы измерений и расчетов.

Измерения позволяют дать оценку уровня загрязнения применительно к здоровью человека путем сопоставления с санитарно-гигиеническими нормативами (для атмосферного воздуха - это предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ). Наблюдение за состоянием воздушной среды ведет служба Росгидромета на стационарных постах, соответствующих характерным точкам города. Такие точки отражают ситуацию в районах города со сходными источниками загрязнения (зона влияния предприятий, зона влияния автомагистралей и т.д.).

Расчетные методы дают представление о значениях концентраций в зоне влияния промышленных предприятий, при соблюдении ими нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ) и возникновении неблагоприятных для рассеивания примесей в атмосфере погодных условий в рассматриваемом районе города.

В случае задымленности воздушной среды города, вызванной выбросами от лесных пожаров метрологические и расчетные методы оценки уровня загрязнения, разработанные для стандартных городских источников загрязнения, становятся неприемлемыми. Это обусловлено постоянным изменением во времени параметров исследуемого источника, наличием различных вероятностей скорости распространения, направления развития и масштаба лесного пожара, а значит постоянным изменением во времени и в пространстве распределения концентраций загрязняющих веществ. В таких условиях затруднительно выделить характерные зоны или точки со сходными условиями, поэтому данные замеров на стационарных постах становятся малоинформативными. Для г. Комсомольска-на-Амуре с населением около 286 тысяч человек ситуация осложнена еще и тем, что все посты наблюдений размещены лишь в одном из двух, практических равных по населенности округов города. Расчетные данные в зоне влияния предприятий могут быть использованы только как данные о фоновом загрязнении в соответствующих районах.

Для разработки планов превентивных мероприятий, адекватных размерам возможного прямого и косвенного ущерба, требуется наличие эффективных методов и средств оценки характера и уровня воздействия лесных пожаров на воздушную среду населенных территорий с учетом изменения распределения концентраций загрязняющих веществ в местах пребывания различных групп населения.

Наиболее перспективный подход к решению подобных задач - сочетание инструментальных измерений концентраций загрязняющих веществ в отдельных точках и методов моделирования распределения загрязнения на всей исследуемой территории. Такой подход позволит определять тенденцию изменения уровня загрязнения и степень опасности ситуации в режиме краткосрочных и среднесрочных прогнозов. Применение теории искусственных нейронных сетей в качестве математического аппарата для моделирования даст возможность реализовать модель распределения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, использующую данные замеров (мониторинговых наблюдений) в определенных точках для восстановления значений концентраций на площадке, ограниченной этими точками.

Для оценки уровня загрязнения, сформированного выбросами лесных пожаров необходима разработка применимых на практике методов и средств, которые бы позволяли:

- получать распределение концентраций на территории города с учетом их изменения во времени;

- оценивать эквивалентные уровни загрязнения;

- определять тенденцию возможного изменения уровня загрязнения в ближайшее время.

Наличие таких оценок даст возможность выполнения всестороннего и многофакторного анализа всех аспектов зависимости между количественными и качественными характеристиками задымленности, с одной стороны, и видом и скоростью ответной реакции населения на предъявленное воздействие, с другой. А также позволит определять размеры косвенных ущербов от лесных пожаров, обусловленных ухудшением здоровья населения и повысить эффективность мероприятий по борьбе с пожарами и защите населения.

Целью работы является разработка методов для анализа и комплексной оценки воздействия лесного пожара, учитывающих изменение качества воздушной среды населенных мест под влиянием лесных пожаров, и степень опасности ситуации в режиме ретроспективной оценки и прогноза.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе определены следующие задачи:

1. Разработать систему показателей, позволяющую повысить адекватность определения уровня опасности лесных пожаров, учитывая воздействие продуктов горения на качество воздуха населенных мест и изменение показателей заболеваемости населения.

2. Исследовать ситуацию с лесными пожарами в районе г. Комсомольск-на-Амуре в мае-октябре 1998г. на основе сбора, структурирования и анализа исходной информации о пожарах, данных о замерах концентраций загрязняющих веществ и значениях метеорологических показателей на стационарных постах, данных о показателях заболеваемости населения города.

3. Разработать информационную модель для расчета полей концентраций в зоне задымления лесного пожара на примере пожарной ситуации 1998г. с использованием методик расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

4. Разработать математическую модель на основе искусственных нейронных сетей (ИНС), позволяющую исследовать и прогнозировать распределение концентраций загрязняющих веществ на местности между заданными контрольными точками и оценивать значимость факторов, влияющих на распределение концентраций на исследуемой территории.

5. Разработать метод оценки воздействия лесных пожаров на воздушную среду населенных территорий, основанный на моделировании распределения загрязняющих веществ, и дать качественную и количественную оценку загрязнения воздуха на примере лесопожарно-го периода 1998 г.

Основное содержание диссертационной работы, посвященное описанию решения поставленных задач, изложено в пяти главах. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

В первой главе дано общее описание лесов Хабаровского края и их роли в функционировании региона. Приводится характеристика лесного фонда края, и в частности Комсомольского района по видам древесных пород и запасам древесины, а также другим видам растительных и животных ресурсов дальневосточных лесов. Лесные ресурсы региона широко используются, на их добыче и переработке базируется лесной комплекс, который традиционно является одним из ключевых для экономики Хабаровского края. Анализируется ситуации с лесными пожарами в Хабаровском крае. «Годы пожаров» имеют определенную периодичность: лесные пожары достигают катастрофических масштабов (300 - 400 тысяч га) раз в 22 года, а пожары уровнем ниже возникают каждые 10 лет. Рассмотрены основные причины выхода пожарной ситуации из-под контроля (несвоевременные или недостаточные меры тушения пожаров, позднее обнаружение, отсутствие современных технологий и достаточных средств для их ликвидации и т. п.). Последняя часть главы посвящена вопросам влияния пожаров на функционирование региона, включающим как локальные и глобальные ущербы, так и экономические проблемы, последствия, порождаемые лесными пожарами.

Во второй главе дана характеристика пожароопасного сезона 1998 г. в Хабаровском крае. Рассмотрен комплекс причин, сформировавший чрезвычайно высокие показатели го-римости: всего в крае возникло 1279 лесных пожаров, на общей площади 2,1 млн.га. Описана сформированная база данных, содержащая информацию о более чем 300-ах лесных пожарах в четырех лесхозах: Комсомольском, Уктурском, Гурском и Нижне-Тамбовском, на основе данных отчета Комсомольского-на-Амуре авиаотделения Дальневосточной базы авиалесоох-раны. Выполнен статистический анализ характеристик лесных пожаров по следующим параметрам: расстояние от городской черты, расположение относительно розы ветров, распределение по величине площади пожара, распределение по времени горения.

В третьей главе предлагается метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий.

Описано построение предлагаемой автором информационной модели пожарной ситуации 1998 г. для исследования загрязнения воздуха г. Комсомольск-на-Амуре. Лесной пожар рассмотрен как источник загрязнения атмосферы с изменяющимися параметрами. Основное внимание уделено вопросам конкретной реализации предложенных идей. Описан принцип перехода от статических моделей, описанных в традиционных методах расчета рассеивания и реализованных в стандартизованных программных продуктах, к динамическим моделям, пригодным для описания чрезвычайных ситуаций, связанных с продолжительными лесными пожарами. Анализируется состав дымов и газов лесных пожаров. Приводятся результаты расчета для каждого лесного пожара мощностей выброса ко всей продолжительности горения пожара по расширенному списку из 11 веществ, также был рассчитан общий валовый выброс всех источников и выполнен анализ валового выброса по месяцам и по составу, входящих загрязняющих веществ. Рассмотрено формирование таблиц параметров, отражающих изменение моделируемой ситуации во времени и пространстве. Всего было заполнено 67 вариантов исходных статических моделей для расчета. Выполнен расчет полей концентраций выбросов лесных пожаров.

В четвертой главе дана количественная и качественная оценка уровня загрязнения. Дано обоснование достоверности полученных результатов путем сравнения с данными замеров на городских постах Росгидромета в рассматриваемый период июль-август 1998 г. В четвертой части выполнен анализ полученных результатов в 67-ми вариантах расчета, каждый из которых представлял собой поверхность, состоящую из совокупности точек в узлах расчетной площадки 64 на 46 км с шагом 1 км, покрывающей территорию города и ближайших окрестностей, отражающих характер загрязнения на территории г. Комсомольск-на-Амуре по 11-ти веществам в исследуемый момент времени. Анализ выполнен по отдельным веществам, по территориальному распределению загрязнения, по вкладам источников, выявлены районы города, где концентрация достигала наибольших значений чаще всего. Дана оценка уровня загрязнения, которая соотнесена с анализом заболеваемости населения города в период с 1994 — 2003 гг. Основное внимание уделено динамике показателей заболеваемости различных групп населения, что позволяет сделать выводы о сроках проявления влиянии задымленности на здоровье.

В пятой главе выполнено моделирование распределения полей концентраций ЗВ на основе нейросетевого подхода, позволяющей применять разработанный метод оценки воздействия ЛП на воздушную среду и решать задачи прогнозирования в условиях неполноты и неточности информации. Анализируются преимущества и недостатки, ограничения использования предложенных подходов к анализу загрязнения атмосферы над населенными территориями лесными пожарами. На основе анализа рекомендуются области наиболее эффективного применения рассматриваемых моделей.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Зайченко, Ольга Владимировна

Основные выводы по работе:

1. Предложена система показателей для более объективного определения опасности последствий лесного пожара, включающая три группы: характеристики пожаров, качество воздушной среды, показатели состояния здоровья населения. Для получения наиболее точных качественных и количественных значений показателей обоснована необходимость комплексного использования как метрологических методов, мониторинговых наблюдений, данных статистики, так и технологий моделирования.

2. Разработан метод оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду на основе моделирования, учитывающий: уровень загрязнения атмосферного воздуха населенного пункта характерный для обычных ситуаций [ретроспективная оценка]; уровень загрязнения в текущей ситуации (задымленность, либо другая ЧС) [оперативная оценка]; прогнозируемый уровень загрязнения [экспресс - прогноз].

3. Исследована реальная пожарная ситуация (на примере лесопожарного периода 1998 г. в окрестностях г. Комсомольска-на-Амуре), выполнен анализ характеристик лесных пожаров, в т. ч. добавлены критерии анализа: отдаленность от населенных пунктов, расположение относительно повторяющихся направлений ветра. Результаты анализа показали, что более 38% пожаров находились ближе 30 км к территории города, также отмечена длительность действия пожаров и увеличение их площади до размеров 200 га и более- 64 %.

4. Разработана информационная модель, позволившая восстановить динамику изменчивости концентраций загрязняющих веществ на всей территории города и дать ретроспективную оценку опасности загрязнения в период интенсивной задымленности. По результатам сравнительного анализа расчетных данных и данных замеров на постах города показана достоверность определения динамики загрязнения воздушной среды при моделировании лесного пожара, как источника выбросов в атмосферу. На основе модельных расчетов выявлены наибольшие превышения ПДКм.р. по саже (17-20 ПДК), СО (8-10 ПДК), NO2 (2-5 ПДК), также на территории города выявлены зоны повышенной задымленности: пос. Победы, пос. Менделеева, Ленинский округ. В этих зонах стационарные посты наблюдения отсутствуют. Рекомендовано в период пожарной ситуации контролировать концентрации в воздухе веществ, по которым были отмечены превышения нормативов в исследуемый период как по данным моделирования, так и по замерам: взвешенные, сажа, СО, NO2 , содержание канцерогенных веществ (бенз(а)пирена).

5. Предложено анализировать показатели заболеваемости населения для повышения адекватности оценки ситуации, причем учитывая как периоды до ЧС, так и после. Выполнен анализ статистических данных о заболеваемости, обнаруживший значительный рост показателей заболеваемости не только в период пожаров 1998 г., но и в последующие годы у разных возрастных групп. Проблема требует дальнейших глубоких медицинских исследований, но уже результаты анализа статистики показывают резкое ухудшение состояния здоровья населения.

6. Для выполнения оперативных оценок качества воздушной среды разработана методика моделирования пространственно-временного распределения загрязнения на конкретной территории на основе аппарата ИНС. Реализована нейросетевая модель, в структуру которой заложена взаимосвязь входных параметров (метеорологические показатели, временной интервал, координаты точки на местности) и значений концентрации в данной точке. ИНС моделирует распределение загрязнения в текущий момент времени и выполняет прогноз, интерполируя значения концентраций на расчетной площадке между контрольными точками, что отвечает условиям загрязнения атмосферы города выбросами крупных лесных пожаров.

7. Выполнен качественный анализ входных параметров, влияющих на распределение загрязнения, что позволило выявить и исключить из нейросетевой модели факторы, которые не оказывали существенного влияния на моделирование распределения концентраций и усложняли модель, оценить степень влияния каждого из факторов и расставить их по приоритету.

8. Разработан программный комплекс, реализующий предложенную нейросетевую модель распределения загрязняющих веществ и визуализированный прогноз динамики пожара, позволяющий на основе исходных данных о характеристиках лесных пожаров и метеоусловий оценить развитие пожара и дать экспресс-прогноз уровня возможного задымления близлежащих населенных мест. Рекомендуется его использование в работе органов охраны окружающей среды и лесоохраны для получения прогнозных оценок при наличии минимального набора исходных данных, что способствует повышению эффективности проводимых мероприятий в периоды ЧС, связанных с лесными пожарами.

Таким образом, использование результатов данной работы позволяет количественно оценить социально-экологические ущербы от действия дыма лесных пожаров, что дает дополнительное обоснование приоритетности повышения эффективность мероприятий по предотвращению и своевременной ликвидации пожаров как одного из факторов, негативно влияющих на здоровья населения Приамурья. Постоянный мониторинг, как здоровья населения, так и качества среды, корреляция этих данных на базе единого для исследуемой территории банка данных и применение информационных моделей для прогнозирования позволят определить вероятность и характер проявления специфических реакций в отдаленные периоды, выполнить прогнозные оценки различных вариантов развития ситуаций.

Дальнейшее исследование по теме диссертационной работы целесообразно вести как в направлении комплексного исследования проблемы влияния длительной задымленности на здоровье населения, включающего медико-демографический и социально-экономический анализ, так и в направлении моделирования полей концентраций на основе ИНС и усовершенствования моделей прогноза загрязнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последние десятилетия очевидна тенденция значительного увеличения числа лесных пожаров антропогенного происхождения, принимающих характер стихийного бедствия. Данное явление, характерное для всех «лесных» стран, на Дальнем Востоке усугубляется недостаточным и несвоевременным финансированием лесоохранных работ, что приводит к разрастанию пожаров до катастрофических размеров. Пример тому — ситуация с лесными пожарами в Хабаровском крае 1998 г., которая экспертно-координационной группой ООН признана крупномасштабной чрезвычайной ситуацией международного значения.

Кроме учитываемых в настоящее время прямых ущербов от лесных пожаров: непосредственная угроза жизни людей, объектам техносферы, природным объектам, угроза сохранению биоразнообразия, необходимо выявление и оценка косвенного ущерба, обусловленного ухудшением состояния здоровья населения, вызванного длительной задымленностью. Проблема получения указанных оценок может быть решена при использовании методов и средств, позволяющих:

- получать распределение концентраций на территории города с учетом их изменения во времени;

- оценивать эквивалентные уровни загрязнения;

- определять тенденцию возможного изменения уровня загрязнения в ближайшее время.

Стандартные методики измерений и расчетов для определения соответствия качества воздушной среды городов установленным нормативам в случае задымленности, вызванной выбросами от лесных пожаров неприемлемы. Это обусловлено постоянным изменением во времени параметров исследуемого источника, наличием различных вероятностей скорости распространения, направления развития и масштаба лесного пожара, а значит постоянным изменением во времени и в пространстве распределения концентраций загрязняющих веществ. В таких условиях затруднительно выделить характерные зоны или точки со сходными условиями, поэтому данные замеров на стационарных постах становятся малоинформативными. Расчетные данные в зоне влияния предприятий могут быть использованы только как данные о фоновом загрязнении в соответствующих районах.

Названные причины делают актуальным решение поставленной в работе задачи уточнения оценок уровня загрязнения, сформированного выбросами лесных пожаров, необходимого для повышения эффективности принимаемых мер для защиты и реабилитации населения от воздействия задымленности. Наличие таких оценок дает возможность выполнения всестороннего и многофакторного анализа всех аспектов зависимости между

128 количественными и качественными характеристиками задымленности, с одной стороны, и видом и скоростью ответной реакции населения на предъявленное воздействие, с другой.

Автором предложены и реализованы модели для анализа воздействия лесного пожара на атмосферу населенных территорий, позволяющих определять распределение полей концентраций, сформированных выбросами пожаров, их динамику и давать количественные оценки опасности ситуации, с использованием современных методов информационного моделирования.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Предложена система показателей для определения опасности лесного пожара, учитывающая прямые и косвенные ущербы от лесных пожаров.

2. Разработан метод оценки воздействия лесных пожаров на воздушную среду населенных территорий, позволяющий определять уровень загрязнения в режиме ретроспективных оценок и прогноза

3. Разработана нейросетевая модель, сочетающая преимущества методов инструментальных измерений и математического моделирования, позволяющая на основе данных о концентрациях в заданных граничных точках восстанавливать пространственно — временное распределение концентраций загрязняющих веществ на исследуемой территории и выполнять прогноз, что существенно расширяет возможности оценки экологической обстановки.

Практическое значение:

1. Разработана информационная модель пожарной ситуации 1998 г., сформированы базы данных о характеристиках лесных пожаров, уровне загрязнения на территории города, изменении показателей заболеваемости населения, позволяющие выявить картину распределения пожаров, зоны загрязнения на территории города, что является основой для определения групп риска жителей, выработки эффективных превентивных мероприятий по защите населения при возможных чрезвычайных пожарных ситуациях.

2. Разработана и программно реализована нейросетевая модель, позволяющая на основе метрологических данных о значениях концентраций загрязняющих веществ в граничных точках территории города восстанавливать поля концентраций с визуальным выделением участков (зон) с опасно высоким уровнем загрязнения. Рекомендуется к использованию в службах мониторинга наряду с метрологическими методами контроля загрязнения воздуха городов в штатных и чрезвычайных ситуациях.

3. Разработан комплекс программ, позволяющий визуализировать процесс развития лесного пожара, оценить уровень создаваемых им концентраций загрязняющих веществ на исследуемой территории в зависимости от изменения метеопараметров. Комплекс рекомендуется к использованию в службах авиалесоохраны, службах ГО и ЧС для оперативного определения уровня прямых и косвенных последствий лесных пожаров и как дополнительное средство при прогнозировании последствий ЧС.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Зайченко, Ольга Владимировна, Владивосток

1. Авалиани C.JL Андрианова М.М., Печенникова Е.В., Пономарева О.В. Окружающая среда. Оценка риска для здоровья (мировой опыт). М., 1997.159 с.

2. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ, 1998. 454 с.

3. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. Учебник. М.: Логос, 2000. 627 с.

4. Арский Ю.М., Данилов-Данильян В.И., Залиханов М.Ч., Кондратьев К.Я. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать? Учебное пособие. М.: МНЭПУ, 1997.330 с.

5. Афанасьев Ю.А. Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. Учебное пособие: Ч. 1. Общая. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998. 208 с.

6. Бабурин А.А. Биоразнообразие лесных формаций Хабаровского края. Научное издание. ИВЭП ДВО РАН, Хабаровск, 2002. 49 с.

7. Балацкий О.В., Мельник Л.Г. Теоретические и практические вопросы определения экологического ущерба от загрязнения окружающей среды. Киев: Знание, 1982. 15 с.

8. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-практические аспекты защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. М.:МГФ, Знание, 1999. 592 с.

9. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и природоохранные проблемы. М.: МГФ, Знание, 1999. 704 с.

10. Ю.Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. пособие. М.: «Академия», 2003. 512 с.

11. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л.: Гидроме-теоиздат, 1985.272 с.

12. Боголюбов С.А. Комментарий к Лесному кодексу РФ. М.: ИНФРА, 1997. 384 с.

13. Боголюбов С.А. Экологическое право: Учебник для вузов. М.: Инфра-М-Норма, 1998. 448 с.

14. И.Бурдин Н., Мыллынен А., Страхов В., Йонсуу. Российский лесопромышленный комплекс: Тенденции и перспективы. Финляндия, 1998. С.56.

15. Бурканов А.К., Егоров И.Г., Волохов В.В. Пожары: влияние на окружающую среду: Обзорная информация. М.: ВНИИПО, 1992. 16 с.

16. Владимиров В. В. Урбоэкология. М.: Изд-во МНЭПУ, 1998. 204с.

17. Воздействие на организм человека опасных и вредных экологических факторов. Метеорологические аспекты. В 2-х томах. Том 1. Под ред.Л.К.Исаева. М.: ПАИС, 1997. 512 с.

18. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V—VIII групп: Справ, изд. /А. Л. Бандман, Н. В. Волкова, Т. Д. Грехова и др.; Под ред. В. А. Филова и др. Л.: Химия, 1989.592 с.

19. Вредные химические вещества. Углеводороды. Галогенпроизводные углеводородов. Справ, изд. / А. Л. Бандман, Г. А. Войтенко, Н. В. Волкова и др.; Под ред. В. А. Филова и др. Л.: Химия, 1990. 732 с.

20. Гирусов Э.В., Бобылев С.Н., Новоселов А.Л., Чепурных Н.В. Экология и экономика природопользования. Учебник для вузов. Ред.: Э.В. Гирусов. М.: Закон и право, ЮНИТИ, 1998. 455 с.

21. Глобальные и региональные изменения климата и их природные и социально-экономические последствия. Отв.ред. В.М.Котляков. М.: ГЕОС. 2000. 263 с.

22. Глобальные экологические проблемы на пороге XXI века. М.:Наука, 1998. 301 с.

23. Головко В.А. Нейроинтеллект: теория и применение. Книга 1: Организация и обучение нейронных сетей с прямыми и обратными связями. Брест: БПИ, 1999. 264 с.

24. Головко В.А. Нейроинтеллект: Теория и применения. Книга 2. Самоорганизация, отказоустойчивость и применение нейронных сетей Брест: БПИ, 1999. 228 с.

25. Голуб А.А., Струкова Е.Б. Экономика природных ресурсов. Учебник для вузов. М.: Аспект-пресс, 1998. 319 с.

26. Гришин A.M. Физика лесных пожаров. Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та, 1994. 218 с.

27. Гришин A.M., Плюхин В.В. Экспериментальной исследование структуры фронта верхового лесного пожара// Физика горения и взрыва. 1985. №1. С.21-26.

28. Гришин A.M., Голованов А.Н., Смирнов В.Г. О методике экспериментального определения параметров в зоне лесного пожара // Физика горения и взрыва. 1995. №3. С.3-9.

29. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. М.: Прогресс-Традиция, 2000. 416 с.

30. Денисов В.В., Денисова И.А., Гутенев В.В., Монтвила О.И. Безопасность жизнедеятельности. Защита населения и территорий при чрезвычайных ситуациях: Учеб. пособие. М.: ИКЦ «МарТ», 2003. 608 с.

31. Исаев А.С., Коровин Г.Н., Сухих В.И., Титов С.П. и др. Экологические проблемы поглощения углекислого газа посредством лесовосстановления и лесоразведения в России (Аналитический обзор). М.: ЦЭПР, 1995. 156 с.

32. Келлер А.А., Кувакин В.И. Медицинская экология. СПб.: Петроградский и К, 1998.256 с.

33. Клюев Н.Н. Эколого-географическое положение России и ее регионов. М.: ИГАН, 1996. 161 с.

34. Кнакин В. Экология и охрана природы. Словарь-справочник. М.: Academia, 2000. 384 с.

35. Колдоба А.В., Повещенко Ю.А., Самарская Е.А., Тишкин В.Ф. Методы математического моделирования окружающей среды. М.: Наука, 2000. 254 с.

36. Колесников Б.П. Очерк растительности Дальнего Востока. Хабаровск: Хабар, кн. изд-во, 1955.104 с.

37. Колесников Б.П. Кедровые леса Дальнего востока. M.-JI.: изд-во АН СССР, 1956. 262 с.

38. Курляндский Б.А., Новиков С.М. О классифицировании опасности химических канцерогенов// Токсикологический вестник. 1998. № 1. С. 2-6.

39. Лесной кодекс РФ. М., 1997. 65 с.

40. Лесные пожары на острове Сахалин и в Хабаровском крае. Отчет о работе миссии /Отчет о работе экспертно-коорлинационной группы ООН по чрезвычайным ситуациям(ЦЫВАС). Сентябрь-октябрь 1998 г. 34 с.

41. Медико-экологические информационные технологии-98 //Сборник материалов междунар. технич. конференции. Курск, 1998. 154с.

42. Методика выявления лесных пожаров с использованием данных космической съемки. М., ВНИИ ГОЧС, 2001.

43. Методика оперативной оценки последствий лесных пожаров. М., ВНИИ ГОЧС, 2001.

44. Методика определения и расчета выбросов загрязняющих веществ от лесных пожаров. М., Государственный комитет РФ по охране окружающей среды, 1998. 25 с.

45. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 70 с.

46. Методика экспресс оценки ущерба от лесных пожаров с использованием данных космической съемки. М., ВНИИ ГОЧС, 2001

47. Минский М., Пейперт С. Персептроны. М.: Мир, 1971. 204 с.

48. Мониторинг качества атмосферного воздуха для оценки воздействия на здоровье человека. / Региональные публикации ВОЗ, Европейская серия, № 85, 2001 г. 320 с.

49. Обзор загрязнения окружающей природной среды в Российской Федерации за 1998 г. М.: Росгидромет, 1999.бЗ.Одум Ю. Экология: В 2 т. М.: Мир, 1986.

50. Основы промышленной экологии: Учебн. пособие /А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко. Минск: Выш.шк., 2001. 343 с.65.0стромогильский А. X. и др. Микроэлементы в атмосфере фоновых районов суши и океана. Обнинск, 1981. 30 с.

51. Отчеты Комсомольского-на-Амуре авиаотделения Дальневосточной базы авиационной охраны лесов

52. Охрана лесов от пожаров в современных условиях: Материалы международной научно-практической конференции. Хабаровск: Изд-во КПБ, 2002. 341 с.

53. Петров К. М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы. СПб.: Химия, 1998.352с.

54. Природопользование Российского Дальнего Востока и Северо-Восточной Азии / Под ред. А.С. Шейнгауза. Хабаровск: РИОТИП, 1997. 250 с.

55. Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия: Материалы 5-й международной конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003.328 с.

56. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 639 с.

57. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания: В 4-х книгах. Кн. 4. Здоровье и среда, в котрой мы живем: пер с англ. М.: Мир, 1995. 191 с.

58. Соловьев B.C., Лиходед А.Н. Экологический мониторинг окружающей среды по спутниковым данным // Наука и образование. Якутск, 2000. №1(17) . С.100-103.

59. Соловьев B.C., Васильев Е.К. Спутниковый мониторинг лесных пожаров на территории Якутии и оценка их последствий. // Наука и образование. Якутск, 2000. №4.

60. Состояние природной среды и природоохранная деятельность в Хабаровском крае в 1998 году: Государственный доклад / Госкомитет по охране окружающей среды Хабаровского края; Под редакцией В.М. Болтрушко. Хабаровск, 1999. 140 с.

61. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на — Амуре в 1993 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск — на Амуре / Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск-на-Амуре, 1994. 105 с.

62. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на — Амуре в 1994 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск — на Амуре / Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск-на-Амуре, 1995.105 с.

63. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на Амуре в 1995 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск — на - Амуре / Под ред. Г. Г. Дреганова. - Комсомольск-на-Амуре, 1996. 120 с.

64. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на — Амуре в 1996 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск — на Амуре / Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск-на-Амуре, 1997.177 с.

65. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на Амуре в 1997 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск на - Амуре / Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск-на-Амуре, 1998. 182 с.

66. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на — Амуре в 1998 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск на - Амуре /Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск-на-Амуре, 1999.189 с.

67. Состояние природной среды и природоохранной деятельности в г. Комсомольске- на — Амуре в 1999 году. Доклад комитета охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Комсомольск на - Амуре /Под ред. Г. Г. Дреганова. Комсомольск - на - Амуре, 2000. 182 с.

68. Споры о будущем: Окружающая среда. /Под ред. A.M. Рябчикова. М.: Мысль, 1983. 175 с.

69. Тимофеева С.С., Гармышев В.В. Эколого-экономические и социальные последствия пожаров. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999. 135 с.

70. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практика. М.: Мир, 1992. 240 с.

71. Условия и перспективные направления формирования техноэкополиса в районе Комсомольска-Амурска-Солнечного, научно-исследовательский отчет, Хабаровск, Комсомольск-на- Амуре, 1994. 233 с.

72. Хант Э. Искусственный интеллект. М.: Мир, 1978. 560 с.

73. Экология и экономика природопользования: Учебник для вузов /Под ред. Э.В. Гирусова. М.: ЮНИТИ, 2000. 455 с.

74. Descotes I. Immunotoxicology of Drugs and Chemicals. Amsterdam etc. 1986.1. X 400 p.

75. Efremov D. F., Sheshukov M. A. Ecological and Economic Evaluation of the Consequences of Catastrophic Fires in the Russian Far East: The Khabarovsk Territory Example of 1998 //IFFN (International Forest Fire News) No. 22 April 2000, P. 53-62.

76. Global Biomass Burning: Atmospheric, Climatic, and Biospheric Implications/ Ed. by Levine J. S. The MIT Press, Inc., 1991. 569 p.

77. Goldammer J. G. The wildland fire season 2002 in the Russian Federation: an assessment by the Global Fire monitoring Center (GFMC) // IFFN (International Forest Fire News) No. 28, January 2003, P. 2-14.

78. Handbook on the toxicology of metals /Ed. by Friberg L. et al. Amsterdam etc., 1980. 709 p.

79. Levine J. S., Cofer W. R., Cahoon D. R., Winstead E. L. Biomass Burning: A Driver for Global Change // Environmental Science and Technology, 1995. Vol.29. N. 3. P. 120A-125A.

80. Merian E., Zander M. The Handbook of Environmental Chemistry. Berlin etc. 1982. Vol 3, part B. P. 117-161.

Информация о работе

Зайченко, Ольга Владимировна
кандидата технических наук
Владивосток, 2005
ВАК 25.00.36

Диссертация

Разработка методов оценки воздействия лесного пожара на воздушную среду населенных территорий - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы