Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов

Пушилина, Юлия Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов"

ПУШИЛИНА Юлия Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-лерерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

з О ИЮН 2011

Тула 2011

4851103

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Панарин Владимир Михайлович.

доктор технических наук, доцент Копылов Андрей Борисович,

кандидат технических наук Саломыков Виктор Иванович.

Московский государственный горный университет.

Защита диссертации состоится «4» июля 2011 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.09 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет», 300012, г. Тула, проспект Ленина, 90, ауд. 220,6-й уч. корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «3» июня 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.Э. Шейнкман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Результаты геоэкологических исследований однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземного слоя атмосферы - самый мощный, постоянно действующий фактор влияния на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

Тульская область - один из самых развитых горнопромышленных регионов Центрального федерального округа России. Большое развитие на территории области получила добыча бурого угля. В Тульской области добывалась большая часть разрабатываемых бурых углей Подмосковного угольного бассейна. В области разведано более 160 месторождений различного сырья для производства строительных материалов, из которых в промышленное освоение вовлечено 60. Тульский регион занимает первое место в Центральном экономическом районе России по ресурсам строительного камня, гипса, имеются значительные запасы сырья для производства цемента и стеновых материалов. В настоящее время действующих шахт на территории области практически нет. Однако, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождения, до сих пор актуальны и останутся таковыми еще на много лет. Кроме горнодобывающей промышленности основными видами производства являются машиностроение (включая оборонный комплекс), химическое производство, черная металлургия, производство стройматериалов, производство пищевых продуктов, энергетика, радиоэлектроника, приборостроение. Увеличение объема производства в условиях рынка приводит к существенному повышению пылегазовых выбросов в атмосферу.

Кроме объектов промышленности в Тульской области на загрязнение окружающей природной среды влияют и другие факторы. Во-первых, значительное влияние оказывают трансграничные переносы загрязняющих веществ из стран, соседствующих с Россией. Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются: Западная и Восточная Европа (особенно Германия и Польша), Северо-восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев), Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в центральной части, в Харьковской, Мариупольской областях и Донбассе), Северо-западный Китай (радиоактивное загрязнение), Северная Монголия (горнопромышленные районы).

Во-вторых, несмотря на то, что в настоящее время действующих шахт на территории области практически не осталось, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождений, до сих пор актуальны. А именно, влияние оказывают следы хозяйственной деятельности - отвалы, терриконы, хвостохранилища. Ежегодно в отвалы поступает до 5 млрд т вскрышных пород. Отходы горного производства занимают более 1 млн га плодородных земель РФ. На долю отвалов приходится до 65 % площади земельного отвода горного предприятия. Поэтому отвалы горных пород и некондиционных полезных ископаемых служат представительными объектами для исследования процесса образования пыли.

В существующих методиках и моделях расчета загрязнения атмосферы не учитываются трансграничные переносы и эмиссия пыли с горных отвалов. В связи с этим, в настоящее время появилась необходимость в разработке технических средств контроля и мониторинга состояния окружающей среды, а именно, в разработке на примере Тульской области эффективной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона, используя системный геоэкологический подход, обобщающий накопленные знания в области экологии, охраны окружающей среды и геотехнологий, открывающиеся структурно-управленческие и экономические возможности.

Моделирование процессов загрязнения атмосферы снимает ряд неточностей и решает такие задачи как прогнозирование, размещение постов мониторинга (стационарных и мобильных), вклад конкретного промышленного объекта в общее загрязнение воздуха в реальном времени с целью принятия управленческих мер по нормированию выбросов.

В России большой вклад в разработку математических моделей внесли работы школы академика Г.И.Марчука, ААБеккера, П.Н. Белова, фундаментальные аспекты математического моделирования загрязнения воздуха сформулированы в работах М.Е. Берлянда, Е.Л. Генихович, Р.И. Оникула, Н.Л. Бызовой, Ю.А. Анохиной, А.Х. Остромо-гильского (Лаборатория моделирования и прогноза загрязнения атмосферы); академика С.А. Солодкова (Институт прикладной геофизики им. академ. Е.К. Федорова) и др.

Работы по созданию автоматизированных систем мониторинга атмосферы ведутся в Тульской области с 1994 года в рамках реализации ФЦП «Оздоровление экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области» и до настоящего времени. Построением автоматизированных систем экологического мониторинга в нашей стране занимаются проф. Г.В. Аверин, A.A. Любимов, В.Ю. Волков, Ю.Д. Эдель-штейн, В.В. Бугровский, A.M. Погорелов, A.B. Бизикин и др.

Существующие технические средства контроля и мониторинга за состоянием атмосферного воздуха не всегда отвечают современным требованиям, имеют большую погрешность измерений и не дают достаточной картины для принятия управленческих решений по данному направлению охраны окружающей среды. В связи с этим необходимой является адаптация существующих систем к определенным условиям конкретного промышленного региона. Для этого предлагается учитывать климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения объектов горно-перерабатывающей промышленности, а также объемы и состав выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Перечисленные обстоятельства делают актуальной задачу прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

Целью работы является оценка состояния и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха на основе проведения экологического мониторинга и моделирования процессов рассеивания пылегазовых веществ в атмосфере горнопромышленного региона посредством разработки автоматизированной системы мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обобщение и проанализировать материалы исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного региона;

2. Установить величину эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов, предприятий машиностроения, химических производств, черной металлургии, энергетики, радиоэлектроники, приборостроения Тульского региона и г. Тулы;

3. На основе проведенных исследований дать теоретическое обоснование выбора методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов;

4. Провести оценку закономерностей распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

5. Усовершенствовать математическую модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

6. Разработать метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

7. Провести моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха г. Тулы.

8. Обосновать метод определения расположения станций экологического контроля качества среды промышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ пылегазовыми выбросами.

9. Разработать оригинальную многоуровневую структуру автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха с применением искусственных нейронных сетей.

10. Провести техническую реализацию автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Идея работы состоит в создании комплексной методики определения пылегазо-вых веществ в приземном слое горнопромышленного региона.

Объектом исследования является загрязнение приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

Предметом исследования являются методы и модели, описывающие процессы загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона пылегазовыми веществами с разработкой автоматизированной системы мониторинга состояния атмосферы.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы математического моделирования, нейронных сетей, математической статистики, принятия решений, численный эксперимент, методы статистической обработки данных с применением ЭВМ.

Научная новизна работы:

- разработан метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона;

- усовершенствованы структурные и функциональные схемы автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха применительно к условиям Тульской области;

- уточнены закономерности многоуровневой структуры автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

- проведена инвентаризация источников загрязнения атмосферы промышленных предприятий города Тулы и гсрно-перерабатывающих предприятий Тульской области, позволившая получить карты рассеивания по основным загрязнителям.

Основные положения, выносимые на защиту:

- метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона применительно к автоматизированной системе экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха, который основан на интегральной оценке рассогласования полученных значений концентраций экспериментальным путем и путем моделирования процессов, происходящих в атмосфере горнопромышленного региона;

- моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона;

- метод определения расположения станций экологического контроля качества среды горнопромышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ;

- оригинальная многоуровневая структура автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, ко-

торая позволяет последовательно проводить расчет характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне горнопромышленных регионов.

Диссертационная работа соответствует пп. 3.1, 3.4, 3.10 паспорта специальности 25.00.36 Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности).

Достоверность результатов обеспечивается обоснованностью использованных теоретических зависимостей, корректностью постановки задач, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным совпадением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая значимость работы состоит в прикладной направленности разработанного теоретико-экспериментального метода оценки загрязнения воздуха и математической модели формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона. На основе выполненных теоретических исследований разработана автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, которая позволяет осуществлять сбор и анализ экологической информации о загрязнении атмосферы промышленными предприятиями и предприятиями горной отрасли с представлением результатов на электронных картах местности и повысить эффективность принятия управленческих решений в области охраны атмосферного воздуха.

Практическая ценность подтверждена актами внедрения системы в практическую деятельность Администрации города Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов», ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.

Апробация. Основные положения и разделы работы докладывались и получили одобрение на Международных конференциях по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2007-2011), Международном научно-практическом симпозиуме «Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты» (Египет, 2007,2009), Международном научно-практическом семинаре «Экологически устойчивое развитие. Рациональное использование природных ресурсов» (Тупа, 2009-2010), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Москва-Тула, 2006-2010), 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (Тула, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Экология, образование и здоровый образ жизни» (Тула, 2009), 5-й региональной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования в Тульской области» (Тула, 2006), Научно-практическом форуме «Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа» (Тула, 2008), научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» Тульского государственного университета (2008-2011).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 26 печатных работ, из них 6 статей в журналах и изданиях рекомендованных ВАК, получены 1 патент на изобретение и 4 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трёх приложений, изложенных на 156 страницах машинописного текста, включая 37 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 112 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна, практическая значимость. Сформулированы цель, задачи работы, основные направления исследований, результаты реализации.

В первой главе приведены результаты исследований приземных концентраций газов и пыли, выделяющихся в атмосферу горнопромышленного региона из различных источников, на основе которого осуществлена классификация методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха, обоснование выбора метода, определены области применения кагедой модели, отмечены достоинства и недостатки.

Основой модели расчета приземных концентраций в большинстве существующих систем является «Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86), позволяющая получить приближенную оценку максимальной концентрации выбросов в атмосфере на удалении до 10 км от источника. Недостатком методики является низкая точность, получаемые оценки средней концентрации выбросов сильно завышены, что говорит о необходимости проведения дополнительных научных исследований при оценке качества атмосферы.

Математические модели также используются как основной инструмент, при прогнозе загрязнения атмосферы. С этой целью в нашей стране широко применяются физико-статистические модели и широко внедряются в оперативную практику. Однако, в этих исследованиях, практически не затрагивается такой важный вопрос, как изучение закономерностей техногенных трансграничных эмиссий загрязнителей в атмосферу и эмиссия пылевых выбросов с отвалов шахт горно-перерабатывающих предприятий.

Проблема эмиссии пылевых выбросов с отвалов шахт горно-перерабатывающих предприятий изучались Институтом горного дела им. A.A. Скочинского, а также другими академическими и отраслевыми научными учреждениями. Обобщение теорий разрушения горных пород выполнено в работах Р.А.Родина, A.B. Волкова, Н.Д. Левкина и др.

Неравномерность эмиссии загрязняющих веществ определяется рядом факторов: климатическими условиями, режимом работы предприятий, характеристикой оборудования и т. п. В большинстве случаев теоретический учет влияния отдельных факторов на неравномерность эмиссии оказывается невозможным. Наиболее достоверный путь-это накопление и систематизация опытных данных в течение длительного времени. Только при достаточном количестве экспериментального материала можно говорить о надежных сведениях по режимам эмиссии, так как неравномерность поступления вредных веществ в атмосферу оказывает большое влияние на концентрацию загрязняющих веществ.

В приземном слое атмосферы как г. Тулы, так и прилегающей области присутствуют вредные пылевые и газовые выбросы действующих горных предприятий и тех, добычные работы на которых завершены, но остались отвалы, терриконы, нарушенные горными работами поверхности и золохранилища электростанций, работающих на угле. За счет атмосферного переноса этих вредностей их концентрации в приземных зонах

весьма существенны. Приводится геоэкологическая характеристика Тульской области. Рассмотрены основные источники загрязнения, приведена карта-схема месторождений полезных ископаемых Тульской области (рис.1), описано воздействие объектов горно-перерабатывающей, химической промышленности, машиностроения, черной металлургии, электроэнергетики и др.

Также в главе приведен анализ современных компьютерных технологий для решения задач моделирования и оценки загрязнения атмосферы, которые имеют определенные недостатки. К ним относится отсутствие подсистем моделирования процессов рассеивания загрязняющих веществ, подсистем поддержки принятия решений по снижению выбросов на основе получаемых данных, системы адаптации к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона.

гакеин А,

оковок^

1 Кимовск

в Я V

"¡&Ч

Белек

., ' Имя,

ойллоа Воаово®^

■Чернь о

огнеупорные глины Керамзитовые глины Курпично-черепичнос сыры

песку, сщюитгю-.ные кумснъ строительный гипс

1СНШЯ соль

в И С2Э

А.

дюрижы _ минеральные еоды Шульс^ал цепести-новая провинция

'сЛ бурый уголь

О цглестинсвые руды

— — границы пласта калит. соли

м. границы пласта гипсое

Рис.1. Карта-схема месторождений полезных ископаемых Тульской области

Проведенный анализ материалов исследования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона позволил сформулировать основные задачи исследования.

Во второй главе разработаны математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения атмосферы и метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

Моделирование распространения примесей в атмосферном воздухе горнопромышленного города требует комплексного учета многих факторов, влияющих на качество атмосферы. Каждый из этих факторов имеет свои специфические особенности, что приводит к необходимости использования разных математических моделей и баз

данных. Предлагаемый метод основан на интегральной оценке рассогласования полученных значений концентраций экспериментальным путем и путем моделирования процессов, происходящих в атмосфере горнопромышленного региона. Метод учитывает следующие виды оценок состояния загрязнения атмосферы:

1. Точечная оценка

Принимаем t = tv т.е. реальный момент времени.

Зная, что приземная концентрация вредных веществ С, (иг/и3) в любой точке местности при наличии N источников определяется по формулам

С* = С?+е?Нг С' = с=+с;т ,..CV, дся= jC-C5!,

где С"- концентрация вредных веществ, полученная в результате моделирования процессов рассеивания; С*~ концентрация, полученная экспериментальным путем (путем замеров с помощью экологических датчиков); N - число источников; дСв- разность значений концентраций загрязняющих веществ, полученных теоретическим и экспериментальным путем (для точечной оценки).

Тогда:

faS-ltf-cft-¿CMcf-efJ; Utf- Icif-cft

Для количественной оценки показателей, введем С^- допустимая погрешность расхождения значений полученных концентраций загрязняющих веществ.

Выбор математической модели, приемлемой в той или иной ситуации объясняется соотношением

< Сфю. при условии Ca», -» min.

2. Интегральная оценка (рис 2).

Принимаем С" = /j.(t), с' = f2 (t), t =s t„ г » tx (определенный промежуток времени), тогда используется следующая формула

где /- вектор интегральной оценки расхождения.

Условие выбора математической модели с целью адекватной оценки загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона определяется соотношением

I — гая"

Модель —Ä—Эксперимент

Время« t, ч

Яис.2. Графики функций модели и эксперимента

Для полного математического описания закономерностей загрязнения атмосферы пылегазовыми выбросами в предлагаемой модели необходимо учитывать совокупность определяющих факторов, таких как условия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий, пылегазовые выбросы горных производств и их отвалов.

Возможность проводить сравнительный анализ полученных значений концентраций загрязняющих веществ экспериментальным путем и путем математического моделирования позволило создать алгоритм реализации метода интегральной оценки территориального загрязнения атмосферного воздуха (рис.3), который представляет собой ряд операций, заключающихся в переборе математических моделей согласно заданным условиям аС&С^ и коррекции исходных данных в случае невыполнения операций.

Наличие N математических моделей, позволяют осуществлять моделирование загрязнения атмосферного воздуха с большой точностью за счет использования определенной модели в конкретных условиях исследуемой территории.

Предлагаемый метод позволяет адаптировать существующие модели к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона.

При этом учитываются климатические особенности региона, рельеф местности, территориальные распределения горнопромышленных объектов, а также объемы и состав пылега-зовых выбросов в атмосферу.

Предлагаемые методики и модели:

-упрощенная модель Гаусса, -модель с учетом турбулентности,

-модель с учетом перегрева газов,

-модель с учетом турбулентности и перегрева газов, -модель с учетом влияния распада,

- полная модифицированная модель,

-методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий;

- методики расчета пылегазовых выбросов горно-перерабаты-вающих предприятий.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований и моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона (на примере г. Тулы и Тульской области), а также их сравнительный анализ.

В главе проведен полный анализ источников загрязнения промышленным ком-

Рис. 3. Алгоритм реализации метода интегральной оценки территориального загрязнения атмосферного воздуха

плексом города с оценкой вклада каждого из них в загрязнение атмосферы исследуемой территории. Установлена величина эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов области. Проведены замеры концентраций загрязняющих веществ атмосферы города Тулы на предмет рассеивания таких вредных веществ как диоксида серы, диоксида азота, оксида углерода, пыли.

При моделировании загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона были получены карты рассеивания загрязняющих веществ, экспортированные на карту, выполненную в программе AUTOCAD MAP для полной визуализации полученных результатов (рис. 4).

Сравнение результатов моделирования и измерений в контрольных точках сведены в таблицу и представляют собой значения концентраций загрязняющих веществ, полученные при одинаковых метеорологических условиях.

Сравнение результатов моделирования и измерений

Контрольная Результаты Результаты

точка моделирования эксперимента

СО no2 S02 СО no2 S02

мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3 мг/м3

КТ 1 2,25 0,009 0,323 3,78 0,04 0,68

КТ 2 5,375 0,018 0,552 2,12 0,077 0,465

КТЗ 2,14 0,011 0,360 2,58 0,1 0,39

КТ4 3,75 0,021 0,274 12,22 0,35 0,35

По полученным данным построены графики расхождения значений, полученных теоретическим путем и путем экспериментальных замеров. Приведен график расхождения значений по диоксиду серы (рис. 5).

Рис. 5. График расхождения значений концентрации диоксида серы

Проведенные исследования подтверждают разработанный метод интегральной оценки территориального загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона. . ■

Диоксид серы

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,f о

"" |>юдель

Рис. 4. Карта рассеивания загрязняющих веществ 12

На основании проведенной работы разработан метод определения расположения станций экологического контроля качества среды горнопромышленного региона с учетом особенностей формирования полей концентраций пылегазовых выбросов. Для чего определены:

- размеры области, на которой необходимо разместить станции;

- количество датчиков, входящих в комплект станции контроля;

- количество и расстановка экологических станций.

Для нахождения числа станций контроля используется методика Г.К. Бондарика.:

Ксо

К - Ксо + KN0 + Kso ,

Kso, =3(qmlx -?ш )/qd:

ККОг - Р (?тах - Яша УI Чдт > где К - число станций контроля;

а = 1/ПДКС0,р = 1/ ПДКт,8 = 1 /ПДКМ2

Я пах, Ягм, Ядоп. - соответственно максимальное, минимальное и допустимое значения концентраций загрязняющих веществ в выделенном районе.

Комплексный показатель загрязненности воздуха основными веществами Р, соответствующий рассчитанным концентрациям, от ¡-го источника в каждой позиции ] при направлении ветра п определяется по формуле

Й пдкт

где Чт, ПДКт - соответственно концентрация т-го вредного вещества и его ПДК.

Численное значение комплексного показателя загрязненности воздуха определяет уровень загрязнения атмосферы: 0 < Р < 1 пониженный уровень; 1< Р < 3 повышенный уровень; 3 < Р < 5 значительный уровень; Р > 5 высокий уровень.

Используя приведенную методику и принимая во внимание карты рассеивания загрязняющих веществ, применительно в г.Туле предлагается размещение 8 стационарных постов в местах, где комплексный показатель загрязненности воздуха Р > 3.

Четвертая глава посвящена разработке структуры автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленных регионов (рис. 6).

Рис. 6. Структура автоматизированной системы мониторинга

При разработке общей структуры автоматизированной системы мониторинга использованы следующие элементы: экологические данные (замеры концентрации вредных веществ); метеорологические данные; данные о предприятиях и отвалах; датчики для осуществления замеров; сетевое и оконечное оборудование; пункты сбора данных; подсистему обработки информации; карту или схему местности; данные о выбросах.

В главе разработана система экологического мониторинга промышленно развитого региона (рис. 7), которая относится к системам сбора информации, диагностики состояния атмосферы горнопромышленного региона и предназначена для использования в системе атмосфероохранных мероприятий для оперативного выявления источников загрязнения атмосферы с текущим нормативно-несанкционированным уровнем выбросов вредных веществ.

Рис. 7. Система экологического мониторинга атмосферного воздуха горнопромышленного региона

Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона содержит группы датчиков экологического контроля состояния среды, электротранспортную единицу, снабженную быстродействующими газовыми датчиками экологического контроля, системой GPS, мобильной телефонной станцией, соединенную с центром обработки и сравнения данных; группу датчиков замеров концентраций загрязняющих веществ непосредственно с источников загрязнения, соединенную через одноименные проводные каналы связи с центром моделирования, информация с которого поступает в центр обработки и сравнения данных.

В главе проведена адаптация искусственных нейронных сетей для задач мониторинга с целью прогнозирования уровней концентраций загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Важным условием эффективности системы мониторинга загрязнения атмосферы является определение ей пространственной структуры (рис.8).

Д-crassi '

-| '"I у КЕТ OUT

1 I J

Рис. в. Нейрон поста мониторинга

Нейрон состоит из взвешенного сумматора и нелинейного элемента.

Функционирование нейрона поста мониторинга определяется соотношениями

NET -1( cotx., OUT = F(NET - в),

где х - совокупность всех входных сигналов нейрона, образующие вектор; <•>,- совокупность весовых коэффициентов, образующие вектор весов &»; NET - взвешенная сумма входных сигналов (значение МВТ передается на нелинейный элемент); в- пороговый уровень данного нейрона; F- нелинейная функция (функция активации).

Функция активации нейрона - пологая ступенька:

OUT~/°'NET<St lt,NET>$;

Для нейрона поста мониторинга имеем: Я,если Сэ„ < /7Д%; ~ а, еспиСз,. > ЛДКаз. где - концентрация загрязняющего вещества, полученная экспериментальным путем:

ЗВ, - СО ПДКи р (СО) = 5 мг/м3 ПДКс.с(СО) = 3 иг/и3

ЗВ2 - ЛЮ2 ПДКир, (NOJ = 0,2 мг/м3 ПДК<,с (ЫОг) - 0,04 мг/м3

ЗВ3 - S02 ПДКир. (SO¡) = 0,5 мг/м3 ПДКС<, (SOi) = 0,05 иг/и3

Несмотря на простоту формального нейрона, сети, построенные из них (рис. 9), могут сформировать произвольную многомерную функцию на выходе. Такие сети способны сформировать многоуровневую оригинальную структуру - от нейронов поста мониторинга до регионального уровня.

Рис. 9. Архитектура автоматизированной системы мониторинга загрязнения атмосферы на основе нейронных сетей

Применение искусственных нейронных сетей для построения пространственной структуры системы мониторинга атмосферы является важным условием эффективности экологической системы.

Автоматизированная система мониторинга атмосферного воздуха состоит из следующих основных подсистем: сбора информации; передачи и хранения информации; обработки информации и отображения её на электронной карте; сравнения данных; поддержки принятия решений.

Подсистема сбора информации предназначена для снятия информации с датчиков осуществляющих замеры концентрации веществ.

Подсистема передачи и хранения информации предназначена для передачи информации с компьютера пользователя на сервер, на котором в дальнейшем она будет обрабатываться.

Подсистема обработки информации и отображения её на электронной карте предназначена для осуществления моделирования процессов загрязнения атмосферного воздуха и получения карт рассеивания выбросов. Данные, необходимые для проведения моделирования поступают непосредственно с сервера и после обработки отображаются в графическом виде на картах с возможностью импортировать их в среду AUTOCAD MAP.

Полученные в результате моделирования значения концентраций, сравниваются со значениями, поступающими с датчиков осуществляющих замеры концентрации веществ (подсистема сравнения данных), что составляет полное, комплексное представление об экологической ситуации в реальном масштабе времени.

Подсистема поддержки принятия решений позволяет выявить предприятия, вносящие максимальный вклад в загрязнение атмосферного воздуха и определить, выбросы каких загрязняющих веществ необходимо снизить в первую очередь, с целью принятия оптимальных решений на основе прогнозируемого уровня загрязнения атмосферного воздуха.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в оценке и прогнозировании загрязнения атмосферного воздуха промышленным комплексом, а также пылегазовыми выбросами при консервации и ликвидации горных и горно-обогатительных предприятий, путем разработки автоматизированной системы экологического мониторинга, что позволит принимать управленческие решения по улучшению состояния здоровья населения.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

- Проведен анализ материалов исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного комплекса Тульского региона и г. Тулы.

- Установлена величина эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов г. Тулы и Тульской области.

- Осуществлена классификация методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов и дано теоретическое обоснование выбора разработанного метода.

Уточнены закономерности распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

Усовершенствована математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы промышленного региона, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней учтены условия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий.

Разработан метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона, введен вектор интегральной оцен-

ки расхождения (предлагается установить его на уровне 15 %). Разработан алгоритм реализации метода интегральной оценки, который позволяет находить оптимальный вариант выбора математической модели в реальном масштабе времени.

Проведено моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха. Осуществлены замеры концентраций загрязняющих веществ воздуха. Установлены уровни концентрации веществ в контрольных точках по основным загрязнителям. Проведен анализ инвентаризации источников выбросов промышленных предприятий города Тулы. Создана база данных по источникам и видам загрязняющих веществ.(дающих более 90 % суммарных выбросов). Учтены выбросы основных загрязнителей отходов горного производства (отвалов, терриконов, хвостохранилищ). Карты рассеивания загрязняющих веществ, полученные в результате моделирования, экспортированы на карту, выполненную в программе AUTOCAD MAP для полной визуализации полученных результатов.

Обоснован метод определения расположения станций экологического контроля качества среды горнопромышленных регионов с учетом особенностей формирования полей концентраций загрязняющих веществ газопылевыми выбросами.

Предложена оригинальная многоуровневая структура автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха с применением искусственных нейронных сетей;

Определена структура и техническая реализация автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха. Модули автоматизированной системы мониторинга внедрены в управленческие структуры и промышленные предприятия для повышения эффективности проведения процедур, направленных на снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона. Внедрение системы в работу администрации г. Тулы позволило принять меры по нормированию выбросов и снизить загрязнение в наиболее экологически нагруженных территориях, а именно в центре города на 8 %, путем уменьшения выбросов промышленных предприятий, вносящих максимальный вклад в загрязнение воздуха города.

Результаты научных исследований и разработанная автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха использованы в работе Администрации г. Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета по курсам: «Информационные технологии в экологии», «Компьютерные технологии в охране труда», «Экологический мониторинг», «Моделирование техногенного воздействия на окружающую среду».

Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» и ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 гг.

Результаты работ в виде программных продуктов подтверждены свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ, а разработанная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха защищена патентом на изобретение.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пушилина Ю.Н. Влияние хозяйственной деятельности на геоэкологическую среду II Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики. 3-я Международная конференция по проблемам горной

промышленности, строительства и энергетики: материалы конференции. Тула: Изд-во ТулГУ. 2007. С. 405-408.

2. Модели распространения загрязнения в окружающей среде / Ю.Н. Пушилина [и др.] // Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа: докл. на-уч.-практ. форума / Под общ. ред. В.М. Панарина. Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. С.48-50.

3. Пушилина Ю.Н. Моделирование загрязнения воздуха Ясной Поляны с оценкой вклада отдельных предприятий по основным загрязнителям и экспериментальная оценка результатов // II магистерская научно-техническая конференция: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.310-311.

4. Ковалев P.A., Панарин В.М., Пушилина Ю.Н. Моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере промышленного региона II Известия ТулГУ. Серия «Науки о земле». Вып. 5.Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С.22-27.

5. Ковалев P.A., Пушилина Ю.Н. Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона II Известия ТулГУ. Серия «Науки о земле». Вып. 5.Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 27-31.

6. Расчет рассеяния загрязняющих веществ города Тулы / Ю.Н. Пушилина [и др.]// Современные проблемы экологии: докл. Всероссийской науч.-техн. конф. / Под общ. ред. Э.М. Соколова. М; Тула: Изд-во «Инновационные технологии», 2009. С. 14-16.

7. Пушилина Ю.Н. Математическое моделирование экологических систем II Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 5-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики: материалы конференции. Тула: Изд-во ТулГУ.

2009.Т.2. С. 306-311.

8. Симанкин А.Ф., Пушилина Ю.Н., Бородина, ЕЛ. Влияние механической обработки ОАО «Тульский патронный завод» на окружающую среду // Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: тезисы докладов между-нар. науч.-практич. симпозиума 7-13 ноября 2009/ Под общ. ред. чл.-кор. РАН В.П. Ме-шалкина. М.; Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 22-24.

9. Цветкова Ю.В., Пушилина Ю.Н. Основные математические модели атмосферной диффузии загрязняющих веществ и их характеристики II Современные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты: тезисы докладов между-нар. науч.-практич. симпозиума 7-13 ноября 2009 / Под общ. ред. чл.-кор. РАН В.П. Ме-шалкина. М.; Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 44-60.

10. Характеристика основных математических моделей атмосферной диффузии загрязняющих веществ и их роль в современном мире / Ю.Н. Пушилина [и др.]// Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 6-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики: материалы конференции. Тула: Изд-во ТулГУ.

2010. Т2. С. 237-245.

11. Лапина, О.Ю., Рощупкин Э.В., Пушилина Ю.Н. О возможности применения системы экологического мониторинга атмосферного воздуха в г.Туле II Вестник ТулГУ. Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности». Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып.1-2. С.111-115.

12. Анализ современных систем мониторинга воздушной среды промышленных регионов / Ю.Н. Пушилина [и др.] // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 6-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики: материалы конференции. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010.Т2. С. 245-251

13.Совершенствование теории развития чрезвычайных ситуаций техногенного характера / Ю.Н. Пушилина [и др.]// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010.С.241-251.

14. Разработка математических моделей развития ЧС техногенного характера и снижение риска их возникновения/ Ю.Н. Пушилина [и др.]// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ.2010.С.251-258.

15.Разработка методов оценки, прогнозирования и предупреждения развития ЧС техногенного характера / Ю.Н. Пушилина [и др.]// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ.2010.С.258-265.

16. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008615882 «ТулГУ: Экомонитор» /Правообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Бизикин A.B., Соколов Э.М., Панарин В.М., Рощупкин Э.В., Симанкин

A.Ф., Пушилина Ю.Н., Зуйкова A.A., Павлова B.C. Заявка № 2008615497. Дата поступления 26 ноября 2008. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 декабря 2008.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009610848 «Эмиссия» /Правообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Павлова B.C., Соколов Э.М., Панарин В.М., Рощупкин Э.В., Симанкин А.Ф., Пушилина Ю.Н., Зуйкова АА, Бизикин A.B. Заявка № 2008615899. Дата поступления 16 декабря 2008. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 6 февраля 2009.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №

2009615811 «Моделирование загрязнения атмосферного воздуха» /Правообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Соколов Э.М., Алферов В А, Панарин

B.М., Рощупкин Э.В., Бизикин A.B., Зуйкова A.A., Симанкин А.Ф., Пушилина Ю.Н., Цвет-кова Ю.В., Юрченко A.B., Семин И.В., Сысоева ТА, Чижова В.Л., Телетна НА. Заявка № 2009612689. Дата поступления 3 июня 2009 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19 октября 2009.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Ns

2009615812 «Система мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона»/Правообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Соколов Э.М., Алферов В.А., Панарин В.М., Рощупкин Э.В., Бизикин A.B., Зуйкова A.A., Симанкин А.Ф., Пушилина Ю.Н., Цветкова Ю.В., Юрченко A.B., Семин И.В., Чижова В.Л., Телегина H.A., Сысоева Т.А. Заявка № 2009612690. Дата поступления 3 июня 2009. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 19 октября 2009.

20. Патент на изобретение №2780023 «Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона», Патентообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Соколов Э. М., Панарин В.М., Лапина О. Ю., Зуйкова А. А., Пушилина Ю.Н., Бизикин А. В., Павлова В. С., Рощупкин Э. В. Зарегистрирован в Реестре изобретений РФ 27 января 2010.

21. Анализ современных систем мониторинга воздушной среды промышленных регионов / Ю.Н. Пушилина [и др.] II Материалы VI Меэед. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Т2. С.245-250.

22. Моделирование загрязнения атмосферы территории Ясной Поляны вредными веществами / Ю.Н. Пушилина [и др.] // Материалы VI Межд. конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». ТулГУ. Тула: Изд-во ТулГУ. 2010. Т2. С.258-264.

23. Прикладные модели, используемые для прогноза загрязнения атмосферы и оценки его последствий / Ю.Н. Пушилина [и др.]// Материалы VI Мея«, конф. по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». ТулГУ. Тула: Изд-воТулГУ. 2010. Т2. С.264-268.

24. Автоматизированная система поддержки принятия решений по ликвидации чрезвычайных ситуаций на химически опасных объектах / Ю.Н. Пушилина [и др.] II Интеренет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск № 1 (35) -февраль 2011 г.

Изд. лиц. ЛР N3 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 31.05.11. Формат бумаги 60x84 ^. Бумага офсетная.

Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ОЗО

Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пушилина, Юлия Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Геоэкологическая характеристика Тульской области как горнопромышленного региона.

1.2 Классификация методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов, обоснование выбора метода.

1.3 Применение современных компьютерных технологий для решения задач моделирования и оценки загрязнения атмосферы.

1.4 Постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ТЕРРИТОРИАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗМНОГО СЛОЯ АТМОСФЕРЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА.

2.1 Особенности распространения выбросов от точечных источников непрерывного действия в условиях городской застройки.

2.2 Математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

2.3 Метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

2.4 Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА.

3.1 Выбор основных источников вредных выбросов для моделирования загрязнения воздушной среды.

3.2 Проведение замеров концентраций загрязняющих веществ атмосфе

3.3 Моделирование загрязнения атмосферного воздуха.

3.4 Сравнительный анализ расчетных и контрольных данных.

3.5. Метод определения размещения станций экологического контроля качества среды горнопромышленных регионов

3.6 Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4 ПОСТРОЕНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА.

4.1 Алгоритм формирования автоматизированной системы экологического мониторинга воздушной среды.

4.2 Адаптация искусственных нейронных сетей для задач экологического мониторинга загрязнения атмосферы.

4.3 Техническая реализация системы автоматизированного мониторинга атмосферы.

4.4 Внедрение автоматизированной системы мониторинга загрязнения атмосферы горнопромышленного региона.

4.5 Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов"

Тульская область - один из самых развитых горнопромышленных регионов Центрального федерального округа России. Большое развитие на территории области получила добыча бурого угля. В Тульской области добывалась большая часть.разрабатываемых бурых углей Подмосковного угольного бассейна. В области разведано более 160 месторождений различного сырья для производства строительных материалов, из которых в промышленное освоение вовлечено 60. Тульский регион занимает первое место в Центральном экономическом районе России по ресурсам строительного камня, гипса, имеются значительные запасы сырья для производства цемента и стеновых материалов. В настоящее время действующих шахт на территории области практически нет. Однако, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождения, до сих пор актуальны и останутся таковыми еще на много лет. Кроме горнодобывающей промышленности основными видами производства являются машиностроение (включая оборонный комплекс), химическое производство, черная металлургия, производство стройматериалов, производство пищевых продуктов, энергетика, радиоэлектроника, приборостроение. Увеличение объема производства в условиях рынка приводит к существенному повышению пылегазовых выбросов в атмосферу.

Кроме объектов промышленности в Тульской области на загрязнение окружающей природной среды влияют и другие факторы. Во-первых, значительное влияние оказывают трансграничные переносы загрязняющих веществ из стран, соседствующих с Россией. Основными районами трансграничного влияния на атмосферу России являются: Западная и Восточная Ев4 ропа (особенно Германия и Польша), Северо-восточные районы Эстонии (район добычи и переработки сланцев), Украина (радиоактивное загрязнение в районе Чернобыля, высокая концентрация промышленных узлов в.центральной части, в Харьковской, Мариупольской областях и Донбассе), Северо-западный Китай (радиоактивное загрязнение), Северная Монголия (горнопромышленные районы).

Во-вторых, несмотря на то, что в настоящее время действующих шахт на территории области практически не осталось, многие экологические проблемы, которые сформировались при эксплуатации месторождений, до сих пор актуальны. А именно, влияние оказывают следы хозяйственной деятельности — отвалы, терриконы, хвостохранилища. Ежегодно в отвалы поступает до 5 млрд т вскрышных пород. Отходы горного производства занимают более 1 млн га плодородных земель РФ. На долю отвалов приходится до 65 % площади земельного отвода горного предприятия. Поэтому отвалы горных пород и некондиционных полезных ископаемых служат представительными объектами для исследования процесса образования пыли.

В су I чествующих методиках и моделях расчета загрязнения атмосферы не учитываются трансграничные переносы и эмиссия пыли с горных отвалов. В связи с этим, в настоящее время появилась необходимость в разработке технических средств контроля и мониторинга состояния окружающей среды, а именно, в разработке на примере Тульской области эффективной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона, используя системный геоэкологический подход, обобщающий накопленные знания в области экологии, охраны окружающей среды и геотехнологий, открывающиеся структурно-управленческие и экономические возможности.

В России большой вклад в разработку математических моде л ей; внесли работы школы академикаГ.И.Марчука, А. А.Беккера, H.H. Белова, фундаментальные аспекты математического моделирования загрязнения воздуха сформулированы в работах. М.Е. Берлянда, Е.Л. Генихович, Р.И: Оникула, H.J1. Бызовой, Ю.А. Анохиной, А.Х. Остромогильского (Лаборатория моделирования и прогноза загрязнения атмосферы); академика С.А. Солодкова (Институт прикладной геофизики им. академ. Е.К. Федорова) и др.

Работы по созданию автоматизированных систем мониторинга атмосферы ведутся в Тульской области с 1994 года в рамках реализации ФЦП «Оздоровление экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области» и до настоящего времени. Построением автоматизированных систем экологического мониторинга в нашей стране занимаются проф. F.B. Аверин, A.A. Любимов, В.Ю. Волков, Ю.Д. Эделыптейн, В.В. Бугровский, A.M. Погорелов, A.B. Бизикин и др.

Существующие технические средства контроля и мониторинга за состоянием атмосферного воздуха не всегда отвечают современным требованиям; имеют большую погрешность измерений и не дают достаточной картины для принятия управленческих решений по данному направлению охраны окружающей среды. В связи с этим необходимой является адаптация существующих систем к определенным условиям конкретного горнопромышленного региона. Для этого предлагается учитывать климатические особенности региона, особенности рельефа местности, территориальные распределения объектов горно-перерабатывающей промышленности, а также объемы и состав выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Целью работы является оценка состояния и прогнозирование загрязнения атмосферного воздуха на основе проведения экологического мониторин6 га и моделирования процессов рассеивания пылегазовых веществ в атмосфере горнопромышленного региона посредством разработки автоматизированной системы мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обобщение и проанализировать материалы исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного региона.

4. Провести оценку закономерностей распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

Идея работы состоит в создании комплексной методики определения пылегазовых веществ в приземном слое горнопромышленного региона.

Объектом исследования является загрязнение приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона.

Научная новизна работы:

- проведена инвентаризация источников загрязнения атмосферы промышленных предприятий города Тулы и горно-перерабатывающих предприятий Тульской области, позволившая получить карты рассеивания по основным загрязнителям.

Основные положения, выносимые на защиту:

- оригинальная многоуровневая структура автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, которая позволяет последовательно проводить расчет характеристик формирования полей концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне горнопромышленных регионов.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая значимость работы состоит в прикладной направленности разработанного теоретико-экспериментального метода оценки загрязнения воздуха и математической модели формирования пространственного поля техногенного загрязне9 ния приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона. На основе выполненных теоретических исследований разработана автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона, которая позволяет осуществлять сбор и анализ экологической информации о загрязнении атмосферы промышленными предприятиями и предприятиями горной отрасли с представлением результатов на электронных картах местности и повысить эффективность принятия управленческих решений в области охраны атмосферного воздуха.

Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов», ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

10 сти и экологии» (Тула, 2008), Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» (Тула, 2009), Всероссийской научно-технической конференции «Экология, образование и здоровый образ жизни» (Тула, 2009), 5-й региональной научно-практической конференции «Современные проблемы экологии и рационального природопользования в Тульской области» (Тула, 2006), Научно-практическом форуме «Экологически устойчивое развитие центрального федерального округа» (Тула, 2008), научных семинарах кафедры «Аэрология, охрана труда и окружающей среды» Тульского государственного университета (2008-2011).

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Пушилина, Юлия Николаевна

4.5 Выводы по главе 4

1. Определены теоретические и технологические условия и организационные принципы создания автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

2. Показано, что важным показателем, определяющим эффективность системы экологического контроля и мониторинга воздушной среды горнопромышленных регионов, являются нахождение пространственной , структуры станций контроля.

3. Предложена оригинальная многоуровневая структура модулированной автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха горнопромышленного региона.

4. Проведена адаптация искусственных нейронных сетей для задачи мониторинга загрязнения атмосферы.

5. Проведена техническая реализация автоматизированной системы контроля и экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха.

6. Результаты научных исследований и разработанная автоматизированная система контроля и экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха использованы в работе Администрации г. Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета.

7. Работа выполнена в рамках государственных контрактов ГК П216 «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» и ГК П619 «Обеспечение безопасности населения и окружающей среды путем снижения риска и уменьшения последствий техногенных катастроф» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем: Проведен анализ материалов исследований по приземным концентрациям выделяющихся вредных веществ на площадях горнопромышленного комплекса Тульского региона и г. Тулы.

Установлена величина эмиссии газовых и пылевых выбросов предприятий и отвалов горнопромышленных комплексов г. Тулы и Тульской области.

Осуществлена классификация методов математического моделирования загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов и дано теоретическое обоснование выбора разработанного метода.

Уточнены закономерности распространения выбросов в воздушной среде горнопромышленных регионов.

Усовершенствована математическая модель формирования пространственного поля техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы промышленного региона, отличающаяся от общепринятой тем, что в ней учтены усло вия распада, перегрев исходящих газов, гравитационное осаждение частиц, турбулентность, тип местности и влияние крупных зданий.

Разработан метод интегральной оценки территориального загрязнения приземного слоя атмосферы горнопромышленного региона, введен вектор интегральной оценки расхождения (предлагается установить его на уровне 15 %). Разработан алгоритм реализации метода интегральной оценки, который позволяет находить оптимальный вариант выбора математической модели в реальном масштабе времени.

Проведено моделирование загрязнения атмосферного воздуха с формированием карт рассеивания загрязнения атмосферного воздуха. Осуществлены замеры концентраций загрязняющих веществ воздуха. Установлены уровни концентрации веществ в контрольных точках по основным загрязнителям. Проведен анализ инвентаризации источников выбросов промышленных предприятий города Тулы. Создана база данных по источникам и видам загрязняющих веществ.(дающих более 90 % суммарных выбросов). Учтены выбросы основных загрязнителей отходов горного производства (отвалов, терриконов, хво-стохранилищ). Карты рассеивания загрязняющих веществ, полученные в результате моделирования, экспортированы на карту, выполненную в программе AUTOCAD MAP для полной визуализации полученных результатов.

Определена структура и техническая реализация автоматизированной системы экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха. Модули автоматизированной системы мониторинга внедрены в управленческие структуры и промышленные предприятия для повышения эффективности проведения процедур, направленных на снижение уровня загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленного региона. Внедрение системы в работу администраций г. Тулы позволило принять меры по нормированию выбросов и снизить загрязнение в наиболее экологически нагруженных территориях, а именно в центре города на 8 %, путем уменьшения выбросов промышленных предприятий, вносящих максимальный вклад в загрязнение воздуха города.

Результаты научных исследований и разработанная автоматизированная система экологического мониторинга состояния атмосферного воздуха исполь

116 зованы в работе Администрации г. Тулы, ОАО «Тулачермет», Главного управления МЧС по Тульской области, учебном процессе студентов Тульского государственного университета по курсам: «Информационные технологии в экологии», «Компьютерные технологии в охране труда», «Экологический мониторинг», «Моделирование техногенного воздействия на окружающую среду».

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пушилина, Юлия Николаевна, Тула

1. Абросимов A.A. Система промышленной безопасности / A.A. Абросимов, В.М. Коломийцев // Безопасность труда в промышленности. 2000. - № 10.-С. 2.

2. Агапов А.А Принципы построения автоматизированной информационно-управляющей системы регулирования промышленной безопасности / A.A. Агапов // Безопасность труда в промышленности. 2000. - № 6. - С. 15-19:

3. Агапов A.A. О создании автоматизированной информационно-управленческой системы регулирования промышленной безопасности / A.A. Агапов // Безопасность труда в промышленности. 2001. - № 6. - С. 4.

4. Акопова Г.С. Разработка и внедрение мероприятий по снижению загрязнения атмосферного воздуха на объектах газовой промышленности / Г.С. Акопова, А.Г. Бордюгов, Н.Г. Гладкая. М.: ВНИИЭГазпром, 1985. - 48 с.

5. Атлас углей Подмосковного бассейна / под ред. B.C. Яблокова. ЦБТИ, Тула, 1962. 196с.

6. Афанасьев И.И., Ващенко B.C., Генералов Г.С. Обеспылевание воздуха на фабриках горнообогатительных комбинатов. М.: Недра, 1972

7. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Результаты экспериментальных исследований. / Э.Ю. Безуглая. Л.: Гид-рометеоиздат, 1986. - 328 с.

8. Белов И.В. Сравнительный анализ некоторых математических моделей для процессов распространения загрязнений в атмосфере / И.В. Белов, М.С. Беспалов, Л.В. Клочкова // Математическое моделирование. 1999. - № 7. - С. 45-49.

9. Белов И.В. Транспортная модель распространения газообразных примесей в атмосфере города / И.В. Белов, М.С. Беспалов, Л.В. Клочкова // Математическое моделирование. 2000. - № 11. - С. 25-32.

10. Берлянд М.Е. Влияние рельефа на распространение примесей от источника / М.Е. Берлянд // Труды / ГГО им. А.И. Воейкова. JL: Гидрометеоиз-дат, 1968. - Вып. 234. - С. 28-44.

11. Берлянд М.Е. Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. М: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1981. - 178 с.

12. Берлянд М.Е. О методах определения фонового загрязнения атмосферы в городах / М.Е. Берлянд, Э.Ю. Безуглая, E.JI. Генихович // Труды / ГГО им. Воейкова. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - Вып. 479. - С. 17-30.

13. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнений атмосферы / М.Е. Берлянд. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.

14. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы / М.Е. Берлянд. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 250 с.

15. Бизикин A.B. Автоматизированная система экологического мониторинга воздуха: дис. .канд. техн. наук. Тула, 2008. 147с.

16. Богуславский Е.И. Жизнеобеспечение в окружающей среде / Е.И. Богуславский. Ростов н/Д: РГАС, 1992. - 110 с.

17. Бондарик Г.К. Методологические основы оптимизации мониторинга природно-технологических систем / Г.К. Бондарик. М.: МГУ, 1994. - С. 81-84.

18. Бородулин А.И. Статистическое описание распространения аэрозолей в атмосфере: метод и приложения / А.И. Бородулин, Г.М. Майстренко, Б.М. Чалдин. Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 1992. - 123 с.

19. Бржозовский Б.М. Актуальные вопросы современной экологии. Мониторинг атмосферного воздуха / Б.М. Бржозовский, В.В. Мартынов, С .Я. Приказчиков. Саратов: Изд-во СГТУ, 1997. - 44 с.

20. Брэдшоу П. Турбулентность / П. Брэдшоу, Т. Себеси, С. Фернгольц. -М.: Машиностроение, 1980. 343 с.

21. Булгакова Н.Г. Контроль за выбросами в атмосферу и работой газоочистных установок на предприятиях машиностроения / Н.Г. Булгакова, JI.C. Василевская, Я.Я. Градус. М.: Машиностроение, 1984. - 128 с.

22. Бутусов О.Б. Математическое моделирование атмосферного распространения загрязнений в условиях городской застройки / О.Б. Бутусов, В.А. Татарников // Советско-Монгольский эксперимент "Убсу-Нур". 1989. - № 1. - С. 93-95.

23. Бызова H.JI. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчет распространения примеси / H.J1. Бызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов. JL: Гидрометеоиздат, 1991.-231 с.

24. Волков Э.П. Контроль загазованности атмосферы выбросами ТЭС / Э.П. Волков. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 256 с.

25. Волков A.B. Методика оценки интенсивности пыления скальных грунтов на основе моделирования естественного процесса образования аэрогеля: дис. . канд. техн. наук. Тула, 1999. 184с.

26. Герасимов Б.И. Методы и приборы экологического мониторинга / Б.И. Герасимов, И.В. Кораблев, В.П. Козлов. Тамбов: Изд-во ТГТУ, 1996. -111 с.

27. Головизников A.B. Компьютерное информационное обеспечение природопользования / A.B. Головизников // Горный журнал. 1993. - № 7. - С.12-13.

28. Детри Ж. Атмосфера должна быть чистой: Загрязнители атмосферы и борьба с ними / Ж. Детри. М.: Прогресс, 1973. - 379 с.

29. Диденко В.Г. О совершенствовании методики расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере / В.Г. Диденко, Н.Б. Иванов. Волгоград: ВИНИТИ, 2004. - 7 с.

30. Диденко В.Г. Общая постановка задачи оценки надежности сетей теплоснабжения / В.Г. Диденко, A.B. Кузьмичев // Материалы II Межд. науч. конф. «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». Волгоград: ВИНИТИ, 2003.-С. 23-26.

31. Динамическая метеорология / В.П. Паршков и др.. JL: Гидрометео-издат, 1967. - 607 с.

32. Жэнь Ч. Направления разработки приборов для мониторинга окружающей среды / Ч. Жэнь // Защита окружающей среды. 1994. - № 10. - С. 28-29.

33. Закарин Э.А. Загрязнение воздушного бассейна городов / Э.А. Зака-рин. М.: ИНИОН, 1992. - 26 с.

34. Закарин Э.А. Математическое моделирование загрязнения атмосферы города на основе ГИС / Э.А. Закарин, Б.М. Миркаримова // Известия РАН ФАО. 2000. - № 3. - С. 12-22.

35. Залесский В.Ф. Выбор вероятностной модели для управления риском экстремальных природных воздействий / В.Ф. Залесский // Экология промыш-ленно го производства. 1997. - № 2. - С. 3-9.

36. Замай С.С. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города / С.С. Замай, О.Э. Якубайлик. Красноярск: Краснояр. гор. ун-т., 1998. - 109 с.

37. Заминян A.A. Основные направления защиты атмосферы от загрязнения вредными выбросами / A.A. Заминян, Б.П. Космачевский // Науч. инф. центр по изд. делу, полиграф, пром. и кн. торговле. 1991. - № 10. - С. 35-55.

38. Захарин В.И. Автоматизация контроля и прогнозирование загрязненности воздуха / В.И. Захарин. Киев: Наукова думка, 1985. - С. 252-256.

39. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды / Ю.А. Израэль. JL: Гидрометеоиздат, 1979. - 376 с.

40. Инструкция по инвентаризации источников выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями Министерства нефтяной и газовой промышленности СССР. Руководящий документ РД 39-014-70-98. М.: Гидрометеоиздат, 1999. - 67 с.

41. Качурин Н.М., Лёвкин Н.Д., Комиссаров М.С. Геоэкологические проблемы угледобывающих регионов: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 560с.

42. Колтыпин С.И. Автоматизированные системы экологического мониторинга: интегрированный подход / С.И. Колтыпин, A.A. Петрулевич // Современные технологии автоматизации. 1997. - № 1. - С.28-34.

43. Константинова З.И. Защита воздушного бассейна от промышленных выбросов / З.И. Константинова. М.: Стройиздат, 1981. - 104 с.

44. Кузнецов И.Е. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами / И.Е. Кузнецов, Т.М. Троицкая. М.: Химия, 1979. - 344 с.

45. Мадинский Г.П. Предложения по разработке отраслевой классификации источников выбросов вредных веществ атмосферу / Г.П. Мадинский. М.: Госкомгидромет, 1985. - 66 с.

46. Марчук А.Г. Применение географических информационных систем для моделирования природных и антропогенных катастроф / А.Г. Марчук // Вычислительные технологии. 1996.- Т. 1. - № 3. - С. 11-12.

47. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. Руководящий документ РД 52.04.253-90. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 23 с.

48. Натхина Р.И. Моделирование процессов распространения многокомпонентных промышленных выбросов / Р.И. Натхина. М.: Наука, 2001. - 234 с.

49. Никитин Д.П. Окружающая среда и человек / Д.П. Никитин, Ю.В. Новиков. М.: Высшая школа, 1986. - 415 с.

50. Ньюстадаи Ф. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей / Ф. Ньюстадаи, Х.В. Допа. JL: Гидрометеоиздат, 1985. -351 с.

51. Павлова B.C. Совершенствование метода оценки загрязнения атмосферы промышленно развитого региона : дис. . канд. техн. наук. Тула, 2008, 147с.

52. Патент на изобретение №2780023 «Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона», Патентообладатель: Тульский государственный университет. Авторы: Соколов Э. М., Панарин

53. B.М., Лапина О. Ю., Зуйкова А. А., Пушилина Ю.Н., Бизикин А. В., Павлова В.

54. C., Рощупкин Э. В. Зарегистрирован в Реестре изобретений РФ 27 января 2010г.

55. Пененко В.В. Математическое моделирование в задачах химии атмосферы / В.В. Пененко, Г.И. Скубневская // Успехи химии. 1990. - Т. 59. -№ 11. -С. 1156-1776.

56. Пененко В.В. Модели и методы для задач охраны окружающей среды / В.В. Пененко, А.Е. Алоян. Новосибирск: Наука. Сиб.отд-ние, 1985. - 256 с.

57. Перри С.Г. Модель диффузии ЕРА для сложного рельефа: структура и характеристики / С.Г. Перри // Сб.: Международная конференция ВМО по моделированию загрязнения атмосферы и его применениям. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - С. 14-15.

58. Петраш А.И. Методология системного рассмотрения мониторинга /

59. А.И. Петраш // Материалы научно-практ. конф. «Проблемы управления качеством окружающей среды городов» М.: Наука, 1995. - С. 34-35.

60. Пушилина Ю.Н. Моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере промышленного региона / P.A. Ковалев, В.М. Панарин, Ю.Н. Пушилина // Известия ТулГУ. Серия «Науки о земле». Вып. Тула: ТулГУ, 2009. С.22-27.

61. Пушилина Ю.Н. Система экологического мониторинга атмосферного воздуха промышленного региона/ Ю.Н. Пушилина // Известия ТулГУ. Серия «Науки о земле». Вып. Тула: ТулГУ, 2009. С. 27-31.

62. Пушилина Ю.Н. Совершенствование теории развития чрезвычайных ситуаций техногенного характера / Ю.Н. Пушилина и др.// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. Тула: ТулГУ, 2010.С.241-251.

63. Пушилина Ю.Н. Разработка математических моделей развития ЧСтехногенного характера и снижение риска их возникновения/ Ю.Н. Пушилина125и др.// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». Вып. Тула: ТулГУ, 20Г0.С.251-258.

64. Пушилина Ю.Н. Разработка методов оценки, прогнозирования и предупреждения развития ЧС техногенного характера / Ю.Н. Пушилина и др.// Известия ТулГУ. Серия «Технические науки»: Вып. Тула: ТулГУ, 2010.С.258-265.

65. Пушилина Ю.Н. Автоматизированная система поддержки принятия решений по ликвидации чрезвычайных ситуаций на химически опасных объектах / Ю.Н. Пушилина и др.// Интеренет-журнал «Технологии техносферной безопасности». Выпуск № 1 (35) февраль 2011 г. 1

66. Самарская Е.А. Построение математической модели распространения загрязнений в атмосфере / Е.А. Самарская, Д.В. Сузан, В.Ф. Тишкин // Математическое моделирование. 1997. - Т. 9. - № 11. - С. 53-61.

67. Сборник методик по расчёту выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. JL: Гидрометеоиздат, 1986. - 183 с.

Информация о работе

Пушилина, Юлия Николаевна
кандидата технических наук
Тула, 2011
ВАК 25.00.36

Диссертация

Совершенствование методов моделирования и мониторинга загрязнения атмосферного воздуха горнопромышленных регионов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы