Эколого-экономическое моделирование аэрологического воздействия предприятия на окружающую среду тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Людкевич, Сергей Вячеславович

• Людкевич, Сергей Вячеславович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Людкевич, Сергей Вячеславович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Моделирование эколого-экономических систем

1.2. Моделирование загрязнения окружающей среды

1.3. Методы оценки загрязнения атмосферы и их связь с действующей нормативной базой

1.4. Примеры экономико-математических моделей, учитывающих воздействие предприятий на окружающую среду

Выводы

Задачи исследований

2. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

2.1. Обоснование и выбор объекта исследований

2.2. Анализ динамики выбросов загрязнителей в атмосферу на территории Тульской области

2.3. Виды загрязнителей атмосферы и их доля в валовом выбросе на территории Тульской области

Выводы

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ КАК

ИСТОЧНИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

3.1. Основное уравнение диффузии примесей в атмосфере

3.2. Исходные данные для решения задачи диффузии примесей в атмосфере

3.3. Примеры аналитических решений уравнения диффузии для точечного источника

3.3.1. Стационарное распределение вредностей в атмосфере при штиле

3.3.2. Нестационарное распределение вредностей в атмосфере при штиле

3.3.3. Стационарное распределение вредностей в атмосфере при наличии ветра

3.3.4. Нестационарное распределение вредностей в атмосфере при наличии ветра

3.3.5. Упрощенные формулы для практического применения

3.4. Основные закономерности распространения примесей в атмосфере

3.5. Экономико-математическое моделирование предприятия. Неоклассическая теория фирмы 10

Выводы

4. ЗАДАЧА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ КАПИТАЛОВЛОЖЕНИЙ В ПРИРОДООХРАННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА

ПРОМЫШЛЕННОМ ПРЕДПРИЯТИИ

4.1. Эколого-экономическая модель промышленного предприятия

4.2. Постановка и решение задачи определения оптимальных размеров каппиталовложений в природоохранные мероприятия на промышленном предприятии

4.3. Задача определения предельно допустимых выбросов

4.4. Задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда"

Выводы

5. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫМ

ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

5.1. Программная реализация решения задачи определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия

5.2. Организация территориальной автоматизированной системы управления предприятиями

по эколого-экономическим критериям

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эколого-экономическое моделирование аэрологического воздействия предприятия на окружающую среду»

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Одной из актуальных задач, стоящих перед обществом на современном этапе, является совершенствование управления и повышение эффективности производства. В настоящее время рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окружающую среду. Появилось важное понятие эколого-экономической системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных и природных факторов в окружающем человека мире. Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придает особую актуальность проблеме создания адекватных эколого-экономических моделей.

Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу в условиях научно-технической революции, ее положительные и отрицательные последствия, возможности оптимизации этого воздействия требуют глубокого изучения. При этом особое значение приобретает поиск научно обоснованных форм и масштабов производственной деятельности человека, обеспечивающих рациональное использование природных ресурсов и получение необходимой полезной продукции без пагубного влияния на природную среду.

Как показывают предварительные оценки, в настоящее время долгосрочное планирование без учета экологических эффектов невозможно. С другой стороны, имеющиеся экологические модели носят частный характер и не способны отразить в комплексе и в то же

время достаточно обозримо разнообразные антропогенные воздействия.

В связи с этим возникает проблема создания некоторого промежуточного класса моделей - эколого-экономических.

Для разработки крупномасштабных проектов и принятия ответственных решений по управлению природной средой нужен комплексный многоуровневый анализ множества различных по своей природе факторов, среди которых особое место занимают социально-политические, экономические, технологические, эколо-го-географические и другие факторы, характеризующие процессы развития современного общества.

Важнейшую роль в решении эколого-

экономических проблем призваны сыграть методы системного анализа и математического моделирования сис-пользованием ЭВМ. Математические модели служат незаменимым инструментом количественного анализа последствий антропогенного воздействия на окружающую среду.

Решение задачи определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия позволит получить предприятию максимально возможную прибыль при условии снижения техногенной нагрузки на окружающую среду до предельно допустимого уровня, установленного нормативными документами. Зная это решение, можно установить систему штрафов за выбросы загрязнителей сверх предельно допустимого значения таким образом, чтобы разность между максимальной прибылью предприятия и штрафом в случае превышения норматива была меньше

максимальной прибыли предприятия в случае ограничения выбросов предельно допустимым значением, т.е. поставить предприятие в.такие условия, когда ему не выгодно превышать предельно допустимые выбросы.

Таким образом, задача определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия является актуальной научно-технической проблемой.

Целью работы является установление новых и уточнение существующих критериев, определяющих оптимальные размеры капиталовложений в природоохранные мероприятия на промышленном предприятии на основе математического моделирования и анализа эколого-экономической системы "промышленные предприятие окружающая среда".

Идея работы заключается в том, что в качестве критериев рациональности затрат на природоохранные мероприятия используется минимальное значение свертки множества абиотических экологических параметров окружающей среды с оценкой допустимых значений внешних воздействий из решения диффузионной задачи для совокупности точечных источников загрязнения атмосферы.

Основные научные положения работы заключается в следующем:

наиболее общим видом модели воздействия на окружающую среду является загрязнение атмосферы совокупностью точечных источников;

математическое описание промышленного предприятия как объекта загрязнения окружающей среды может быть представлено в виде агрегированной модели, учи-

тывающей зависимость затрат на экологические мероприятия от количества выпускаемой продукции и степени очистки пылегазовых выбросов;

цель предприятия определяется как максимизация собственной прибыли при ограничении на выбросы загрязнителей, где в качестве управляющих переменных целесообразно принять количество выпускаемой продукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов) ;

задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия для промышленного предприятия в общем случае является задачей нелинейного программирования, которую можно привести к задаче одномерной оптимизации;

установление ограничений на выбросы загрязнителей (предельно допустимых выбросов) осуществляется таким образом, что бы концентрация вредного вещества в любой точке рассматриваемой области не превышала ПДК, а концентрация вредного вещества рассчитывается на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных .значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии ;

Новизна основных научных и практических результатов :

исследованы основные закономерности распределения примеси в атмосфере на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии;

сформулирована и решена задача определения оптимальных капиталовложений в очистные мероприятия на промышленном предприятии. В качестве критерия оптимизации выбрана максимизация собственной прибыли предприятия, в качестве ограничения - ограничение на превышение предельно допустимых выбросов загрязнителей, в качестве управляющих параметров предложены количество выпускаемой продукции и степень очистки загрязнителей (улавливания выбросов);

сформулирована задача определения предельно допустимых выбросов для группы промышленных предприятий с ограничением на превышение концентрации вредного вещества в любой точке рассматриваемой области предельно допустимого значения и предложен алгоритм ее решения;

сформулирована задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия - окружающая среда" и предложен алгоритм построения "института согласия" (решения, оптимального по Паре-то) ;

разработан пакет прикладных программ для ПЭВМ, реализующий решение сформулированных задач.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, нелинейного программирования, теории игр, численных методов, современных достижений вычислительной техники;

большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения по-

ставленных задач, а также результатами обобщения натурных наблюдений.

Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при наличии фактической информации о метеорологических параметрах окружающей среды и экономических показателях предприятий могут быть использованы при разработке территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экономическим критериям и контроля выбросов загрязнителей в атмосферу.

Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 1995-1998 гг.), 1-й Международной конференции "Проблемы создания экологически чистых и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 1996 г.), 2-й Международной конференции по экологическому образованию "Между школой и университетом" (г. Тула, 1996 г.), 1-й Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы" (г. Тула, 1997 г.), научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования Тульского областного общества охраны природы "Экология и общественность" (г. Тула, 1997 г.), 2-й Международ-

ной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности "Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы" (г. Тула, 1998 г.).

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Э.М. Соколову за методическую помощь и поддержку при проведении научных исследований.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Моделирование эколого-экономических систем

Взаимосвязи элементов и явлений природной среды поражают своим многообразием и устойчивостью. Анализ и учет всеобщности этих связей возможен на базе комплексного рассмотрения с использованием методов экономико-математического моделирования.

Современная теория экономико-математического моделирования является перспективным научным направлением математической экологии. Имеющиеся разработки позволяют проанализировать многие закономерности эколого-экономических явлений. При этом экономико-математические модели насыщаются разнородной гидрологической, медико-биологической, метеорологической информацией, адаптация которой в термины этих моделей представляет определенную сложность. Иногда такая адаптация невозможна из-за отсутствия решения принципиально важных вопросов естественно-научного направления (в частности, численное определение биомассы конкретного экономического района, математическое описание процессов трансформации в атмосфере неконсервативных примесей и т.д.). Таким образом, расширился объект моделирования: исследуются не только общественно-производственные процессы, но и их взаимодействия с природными.

Специфика моделирования глобальных эколого-экономических проблем связывается прежде всего с высокой степенью сложности, масштабностью и разнород-

ностью учитываемых факторов (природных, социально-экономических, технических, культурных и экологических) , а также с длительностью (50-100 лет) периода прогнозирования. Особые по экономической сути и сложности решения проблемы взаимодействия общества и окружающей среды предопределили создание ряда классов моделей, отображающих всевозможные аспекты этого взаимодействия с учетом загрязнения окружающей среды и его социально-экономических последствий. Широко применяются балансовые, оптимизационные, имитационные экономико-математические модели, причем самой различной степени детализации и полноты отражения экологических факторов.

Глобальные эколого-экономические модели (или,

^ \

как их еще называют, модели мировои динамики) разработаны Д. Форрестером [87], Д. Медоузом [104], М. Месаровичем и Е. Пестелем [105] . На основе построенных глобальных имитационных моделей исследуется "поведение" эколого-экономической системы при выборе того или иного курса решения глобальных проблем. Весьма обязывающие выводы, полученные из анализа таких имитаций, привлекли внимание многих ученых во всем мире. Высокие уровни потребления природных ресурсов и загрязнения окружающей природной среды наряду с другими факторами мирового развития привели Дж. Форрестера и Д. Медоуза к следующему выводу: если мировая система не откажется от своего экономического роста (в традиционном его понимании) , то это приведет к ее гибели не позднее XXI в. В результате этого выдвигается идея сдерживания и прекращения экономического роста, при этом экономическая дея-

тельность должна быть сбалансирована с экологическими требованиями [102] . Р. Лэпп предлагает другое средство - ограничение роста населения [80].

Однако несостоятельность этих «предложений» выявлена как зарубежными, так и советскими учеными. Так, по расчетам Б. Коммонера [70], за период 19461968 гг. объем выбросов загрязняющих веществ в США по различным компонентам возрос в 2-10 раз, а численность населения за этот же срок - на 43%. Замедление экономического роста может лишь "затормозить" ухудшение экологической ситуации. К тому же будет затруднено решение многих современных социально-экономических проблем Запада. С другой стороны, как было неоднократно отмечено [32], вложение средств в охрану окружающей среды (по крайней мере, до достижения экономического оптимума загрязнения) способствует экономическому росту даже в его традиционной трактовке. До сих пор ни одна из промышленно развитых стран не достигла уровня макрозатрат, соответствующих выходу на оптимальный уровень чистоты природы.

Проект межрегиональной модели межотраслевого баланса В. Леонтьева [13, 31, 73] является классическим примером применения методов межотраслевого баланса для анализа воздействия производства на окружающую среду. Прогнозирование макроэкономических исследований природоохранной деятельности с помощью расчетов по модели межотраслевого баланса является, несомненно, одним из перспективных направлений, использования этой модели в прогнозных расчетах. Однако с помощью таких расчетов в лучшем случае удается

уловить лишь технико-экономические тенденции и возможности решения экологических проблем. Воплощение их в практических делах зависит от многих социально-экономических условий.

К моделям балансового типа относятся также разработки, предложенные У. Айзардом [103], X. Дейли [102], Р. Айресом и А. Низом [101] их заслуга - в существенном расширении экологической части баланса путем введения дополнительной классификации видов деятельности и продукта, хотя по форме модель еще представляет собой обычную таблицу межотраслевых соотношений. Работы этих авторов отличает строгость математического содержания и стройность теоретических выкладок. Однако они не обеспечены необходимой практической информацией, сбор и дальнейшая обработка которой требуют значительных междисциплинарных исследований и, естественно, широкого временного горизонта, так как накопление необходимой информации осуществляется за длительный период времени. Говоря о возможности прогнозирования воздействия загрязнения окружающей среды и противозагрязняющей деятельности на народное хозяйство с помощью межотраслевого баланса, А. Низ справедливо указывает на ограниченные возможности этого метода, связанные с трудностями учета региональных аспектов природоохранной деятельности, на вариантность технологических способов предотвращения загрязнения и т. п.

Чрезвычайная сложность взаимосвязанных процессов в глобальной системе требует разработки менее формализованных схем моделей, в которых можно адекватно отразить общий ход развития процессов без точ-

ных количественных результатов. Это обусловило использование имитационных моделей.

Широко известна среди экономистов модель "Мировая динамика" Форрестера [87]. Она является первой попыткой учесть обратную связь - влияние изменений в экономике на характер динамики демографических и социальных процессов. С помощью дифференциальных уравнений автор создает весьма удобную схему, наглядно демонстрирующую все переплетения связей в системе "экономика - окружающая среда". В исходной информации представлены только относительные величины, лишь время и количество населения абсолютны. В то же время модель достаточно груба (система с экспоненциально изменяющимися параметрами неизбежно выходит на границы своей параметрической области) и имеет ряд методологических недостатков, в частности упрощено описание социальных механизмов, не учитывается научно-технический прогресс, не соблюдаются законы сохранения и т. д. Поэтому основные усилия последователей Форрестера направлены на детализацию структуры модели (пример такой работы - модель, описанная в [ 104]) .

Описание и исследование глобальных эколого-экономических моделей имеются в работах советских исследователей, в которых отмечается социально-политическая ограниченность этих моделей [73]. В частности, в модели Месаровича и Пестеля используется аналогичный развитию биоценоза экономический рост, по результатам которого выявляется необходимость ограничения национальной независимости слаборазвитых стран и их интеграции с капиталистическими странами

в использовании природных ресурсов. Отмечаются такие недостатки моделей, как недоучет влияния факторов научно-технического прогресса [85], отсутствие системного подхода к анализу окружающей природной среды [57] .

Несмотря на указанные недостатки, выводы из моделей мировой динамики о грозящей человечеству катастрофе вследствие экстраполяции существующих тенденций развития мирового хозяйства сыграли определенную роль в формировании общественного мнения и правительственных решений в области охраны окружающей среды. С другой стороны, построение моделей Форре-стера и Медоуза способствовало разработке математических методов имитационного моделирования, а модель Месаровича и Пестеля - теории иерархических структур. Они также дали толчок более широкой разработке конкретных эколого-экономических моделей.

Балансовые модели, предлагаемые советскими исследователями, можно отнести к двум типам: народнохозяйственные модели с углубленным отражением отдельных ингредиентов загрязнения и региональные модели, определяющие потоки загрязняющих веществ и затраты на охрану на уровне отдельного региона.

Осуществляя анализ воздействия структуры экономики на окружающую среду, А. А. Гусев модифицирует модель Леонтьева путем учета выхода полезной продукции благодаря утилизации вредных отходов [62]. Введение дополнительного фактора в модель позволяет выявить долю добавочной продукции из утилизированных отходов. В результате изучения природы параметров модели и введения новых способов их формирования по-

лучено несколько иное экономическое содержание всей модели, а также выявлены дополнительные возможности анализа структурных сдвигов в народном хозяйстве в случае кардинальных мер по борьбе с загрязнением атмосферы.

Объектом моделирования в работах Е. В. Рюминой является система природоохранных мероприятий как единой отрасли народного хозяйства йли однородной совокупности технологических процессов и продукта [28, 73]. При этом, по существу, в расширенной модели В. Леонтьева исключается строгое соответствие между природоохранными мероприятиями и видами загрязнителей, на борьбу с которыми оно направлено. Автор конструирует модель с учетом "очистных" мероприятий на основе их детализации по виду сточных вод каждой отрасли. В результате произведенной операции однозначно определяется система природоохранных показателей: объем очищенных и загрязненных сточных вод на единицу продукции каждой отрасли и затраты по обезвреживанию единицы объема соответствующих стоков до санитарно допустимого уровня. В этом случае возникает трудность в обосновании соответствующих коэффициентов затрат на очистку сточных вод дифференцированно по отраслям, которые обеспечивают выполнение заданных требований к качеству воды в конкретном водном источнике. Следует добавить, что в модели также внесены изменения в состав вектора конечного продукта, в том числе затраты на обезвреживание коммунальных и других непроизводственных стоков. В итоге в рамках модели "затраты-выпуск" автору удалось:

исследовать влияние деятельности по очистке стоков отраслей путем разграничения поставок продуктов для производства и обезвреживания стоков;

обосновать продуктивность расширенной матрицы технологических коэффициентов, что является доказательством целесообразности проведения природоохранных мероприятий;

разработать принципы выбора определенной группы отраслей, стоки которых должны быть учтены.

Тем не менее недоучет ряда важных факторов несколько обеднил полученные выводы. В рассматриваемой модели представлена только охранная роль очистных мероприятий без изучения такой функции очистных сооружений, как утилизация вредных отходов. По-видимому, не лишено смысла рассмотрение самих очистных сооружений как возможных источников загрязнения.

Для прогноза и планирования долгосрочной водоохранной деятельности Е. П. Ушаковым также был использован межотраслевой баланс производства и распределения продукции [83] . Отличительной особенностью его модификации модели является то, что в структуру баланса водоохранная деятельность вводится в стоимостной форме. Это позволяет учесть стоимостной эффект в зависимости от уровня затрат на охрану вод по видам, а значит, и оценить долю природоохраны в цене произведенной продукции.

Таким образом, построение макроэкономических моделей балансового типа дает весьма весомые предпосылки для осуществления контроля над загрязнением природной среды путем оценки антропогенной деятельности с точки зрения ее воздействия на природу,

уровня борьбы с загрязнением и изменения структуры экономики. Инструментом такой оценки выступают соотношения между изменением цен различных товаров и услуг, между потоками отходов на различных путях их перемещения и уровнем переработки отходов, между совершенствованием технологии производственных процессов и увеличением затрат на природоохрану и т. д.

Тем не менее, как и балансовые, эколого-экономические модели также ограничены в части отражения пространственного аспекта функционирования экономики. Основной акцент при этом делается на выявление загрязнения среды через учет ограничений на выход загрязнителей. Кроме того, поскольку при использовании модели "затраты - выпуск" стандарты качества окружающей среды задаются априорно, то объемы производства в отраслях по борьбе с загрязнением окружающей среды определяются на основе данных об объеме и составе конечного продукта при заданных коэффициентах выхода и очистки загрязнений. При этом не рассматриваются многовариантность технологий обезвреживания вредных веществ и возможность выбора тех, которые наилучшим образом удовлетворяли бы поставленным перед системой целям. Иначе, сужается возможность выбора экономически обоснованного уровня улавливания загрязняющих веществ и затрат на эти мероприятия .

Следующий относительно распространенный и развитый класс моделей - естественно-научные, в которых параметры экономической системы заданы априорно или крайне упрощенно (агрегированно) в виде отдельных элементов. В то же время в этих моделях подробно от-

ражается состояние экосистемы, ее развитие и внутренние взаимосвязи. Примером исследований подобного рода могут служить работы В. В. Крысановой, Л. А. Кугай, В. Д. Федорова и Т. Г. Гильманова и авторского коллектива ГОИНа [1, 18, 42, 48, 84]. Так, например, в последней работе объектом исследования выступают моря замкнутого и полузамкнутого типа. Параметры экономической системы заданы априорно. Состояние любого из изучаемых объектов описывается неким вектором, компонентами которого являются скорость притока загрязненных веществ, средние концентрации загрязнителей в воде, поверхностном микрослое и донных отложениях, величина массообмена между отдельными слоями воды и районами океана.

Наиболее часто применяемый экономико-математический аппарат в современных исследованиях экологических факторов на различных уровнях планирования и управления - собственно экономические (или эколого-экономические) модели. При их разработке используются конструктивные идеи как глобальных эколо-го-экономических моделей, так и естественно-научных. Причем, если на более ранних этапах развития эколо-го-экономического моделирования предлагались отдельные модели, нацеленные на решение локальных проблем, то к началу 80-х годов выдвигаются целые комплексы или системы моделей. К ним следует отнести работы А. А. Гусева, Е. П. Ушакова, В. И. Гурмана, В. И. Денисова, А. Б. Горстко, Г. В. Шалабина и др. [18, 33, 46, 61, 83, 89, 95, 98].

Содержательными с точки зрения отражения взаимосвязей единой эколого-экономической системы явля-

ются работы по моделированию, выполненные в ЦЭМИ АН СССР. Так, А. А. Гусеву принадлежит идея создания трехуровневой системы моделей по согласованию развития народного хозяйства и охраны атмосферы с учетом особенностей стадий и этапов такого согласования [61]. Предложенная система иллюстрирует схему планирования чистоты атмосферной среды и его ступенчатой стандартизации с получением частных и агрегированных показателей качества атмосферы.

На нижнем уровне системы представлена отраслевая модель производственно-транспортного типа. Особенностью этой конструкции является отсутствие фиксации на всех итерациях согласования потребности в данном продукте любого г-го потребителя. Задается лишь его доля в общем производстве. В результате решения п (по количеству продуктов) таких задач на региональный уровень поступают сведения об оптимальных вариантах возможностей выпуска любого продукта в г-х регионах.

Центральное звено системы - региональная модель, которая исходя из поступившей информации с нижнего и верхнего уровней формирует возможные варианты совокупных производственных и природоохранных технологий. Под такой технологией понимается совокупность производственных и природоохранных параметров, обеспечивающих мощность выпуска продукции (например, к параметрам можно отнести систему выбросов примесей). Изменение хотя бы одного из них характеризует уже другой вариант технологии. Поскольку региональные задачи рассматриваются как "технологические"', то они могут охватывать сравни-

тельно небольшие территории (например, отдельные промышленно развитые города).

То, что региональная задача состоит из двух частей - метеорологической и экономической, - и является отличительной чертой данного модельного комплекса. Информация по метеорологической части служит в качестве исходной при формировании ряда параметров региональных экономико-математических задач. Прежде всего решение таких специфических задач необходимо для определения экономического ущерба вследствие выбросов по заданной технологии отдельных ингредиентов загрязнения. Оно также дает возможность путем поэтапного решения каждой из частей региональной задачи ликвидировать те существенные трудности, которые связаны с нелинейностью.

Благодаря введению экологического фактора некоторые параметры модели потребовали дополнительного анализа и обсуждения, Так, до сих пор дискутируемый в литературе вопрос об уровнях предельно допустимых концентраций, их норме в данном случае решен путем установления соотношения между концентрациями при различном временном осреднении. Такие среднегодовые концентрации по различным видам загрязнителей с достаточной степенью условности принимают за среднегодовые предельно допустимые концентрации, что позволяет использовать их в качестве базы при определении запретительных уровней загрязнения и фонового загрязнения атмосферы от автотранспорта, непроизводственных, внешних и естественных источников. Исходя из принципа неухудшения экологической обстановки в регионе в задачах этого уровня определяют экономически

обоснованные стандарты загрязнения атмосферы в каждом заданном регионе.

На народнохозяйственном уровне в трехуровневой системе моделей выступает модель статического межотраслевого баланса, учитывающая защиту атмосферы от загрязнения. Формирование экологических параметров этой модели осуществляется на основе решенных задач регионального и отраслевого уровня. Однако данная система еще не рассматривает вопросы накопления вредных веществ во времени, дифференциацию уровней допустимых загрязнений атмосферы по регионам и, следовательно, естественного восстановления качества. Вероятно, это требует более полного учета фактора динамики в разрабатываемых моделях.

В этой модели определяется оптимальная отраслевая структура водоохранной деятельности при ограниченных целевых капитальных вложениях с учетом региональных требований к качеству водных ресурсов. Балансовая модель позволяет сделать выбор варианта (масштаб, структуру, затраты) долгосрочной водоохранной деятельности на народнохозяйственном уровне и оценить ее влияние на структурные пропорции и на показатели развития экономики в целом. Рекомендации по долгосрочному развитию водоохраны, подготовка информации к расчетам и сами расчеты дали возможность сформулировать некоторые важные методические положения. В частности, разработан подход к стоимостной оценке водоохранной деятельности в межотраслевом балансе и к оценке доли природоохраны в цене производимой продукции. Поскольку водные ресурсы в общественном производстве рассматриваются как

"коллективный производственный ресурс", то детальное изучение водоохранной деятельности целесообразно осуществлять на региональном уровне (в этом случае, достижение локального экономического оптимума невозможно) .

Значительный интерес в теоретико-

методологическом плане представляют работы по проблемам развития Байкальского региона [18, 48, 95]. Авторским коллективом предпринята попытка на базе использования принципов системного анализа и методов экономико-математического моделирования определить научно обоснованную стратегию долговременного социально-экономического развития региона с обеспечением оптимального решения экономических, экологических, социальных и организационных вопросов.

Исходя из уникальности оз. Байкал как природного объекта и директивно установленного региона особого режима природопользования конечной целью развития хозяйства региона рассматривается гарантированное сохранение экосистемы объекта и его природных комплексов. В связи с этим авторами разработана система эколого-экономических расчетов в виде четырех групп моделей. К первой группе относятся агрегированные модели для анализа и принятия решений на уровне укрупненных региональных схем (природно-экономическая и ресурсно-экономическая модели). На следующем уровне моделирования производится дезагрегация показателей по отдельным компонентам природной среды (вода, воздух, лес, почва, биоресурсы, минеральные ресурсы). Примером моделей третьей группы служат эколого-технологическая модель камерного типа

для планирования производства отдельного предприятия с учетом ограничений на выбросы в атмосферу, модель распределения примесей в бассейне реки от дискретно расположенных источников и др. Из четвертой группы моделей следует выделить модель возмущений водной экосистемы. При этом авторы считают необходимым использование многообразных процедур по идентификации агрегированных моделей с помощью частных - проверка их на реализуемость, и адекватность реально протекающим процессам.

Дальнейшее развитие динамического межотраслевого баланса путем формулирования модели динамики природной среды в терминах первого и представляет собой природно-экономическую модель (модель "Регион"). При ее построении регион подразделяется на отдельные районы (их четыре), каждый из которых описывается набором показателей состояния экономики и природной среды. Связь этих подсистем обеспечивается через потоки продуктов и ресурсов, а также транспортную сеть региона. Особую сложность и интерес в формировании и числовом наполнении представляют показатели состояния природной среды (количество их равно 10 по шести природным ресурсам), поскольку данный набор показателей практически отсутствует в действующей системе статистической информации. Смысл определения этих параметров состоит в том, чтобы в дальнейшем найти конкретные нормативы изменения среды под влиянием вмешательства человека.

Имеются и другие подходы к учету экологических факторов при моделировании развития экономических систем. Так, для прогноза экономической оценки ме-

сторождений полезных ископаемых в районах нового освоения предложен метод моделирования, учитывающий комплексный характер воздействия - освоения минерально-сырьевых ресурсов на экономику и природную среду [71]. Авторы делают именно качественный прогноз: появление или непоявление определенного события, под которым понимается вовлечение или невовлечение минерально-сырьевых ресурсов региона в промышленное освоение. В случае положительного результата определяются объемы добычи минерального сырья на месторождениях, объемы проводимых при этом различных видов работ, затраты на проведение всех рассматриваемых работ, а также изменения окружающей природной среды от антропогенного вмешательства и соответствующий ущерб. Оценка экологической значимости района хотя и дает возможность определить степень антропогенного воздействия на экосистему, но не позволяет научно обосновать сценарий освоения минерально-сырьевых ресурсов . "

Региональный уровень планирования экономических вопросов охраны природы исследуется в рамках теоретического подхода, выдвинутого Г. В. Шалабиным [46]. Автор исходит из положения о том, что район не представляет собой некую единую совокупность экономически однородных объектов, функционирование которых можно описать в рамках оптимизационной задачи. Его целесообразно моделировать лишь с помощью системы различных моделей [8 9]. В центре всей системы находится региональная межотраслевая модель по типу динамического межотраслевого баланса, одним из условий которой является баланс загрязняющих веществ с уче-

том накопления загрязнителей и способности среды к самовосстановлению. Модель в этом случае рассматривается как инструмент для определения «вклада» отраслей в общее загрязнение, а также для обоснования темпов и пропорций развития хозяйства района.

К сожалению, в этой модели экономическая деятельность региона представлена лишь промышленным производством, другие виды деятельности, например развитие сельского хозяйства, производственной и социально-бытовой инфраструктуры, в явном виде в ней не отражены. Влияние фактора трудовых ресурсов на загрязнение среды региона и в целом на развитие и размещение производства задано экзогенно. Все это не позволяет с достаточной степенью обоснованности описать картину поступления загрязнителей, определить потребность в трудовых ресурсах и направления природоохранных затрат.

Более комплексный и системный подход к моделированию и анализу тесных взаимосвязей единой территориальной социально-экономической системы изложен в работе О. П. Бурматовой [13]. Для решения целого ряда вопросов по охране окружающей среды и воспроизводству природных ресурсов разработан специальный блок оптимизационной модели пространственной структуры ТПК.

Собственно экологический блок составляют два подблока, в первом из которых отражены условия воспроизводства водных и земельных ресурсов, во втором - условия по борьбе с загрязнением. Следовательно, вопросы экономного расхода земельных и водных ресурсов, снижения отходов производства рассматриваются в

увязке с вопросами обеспечения необходимых объемов добычи сырья, топлива, потребности населения и хозяйства в разных видах природных ресурсов и условий, наличных трудовых ресурсов, допустимых материальных затрат. Здесь нашли отражение не только условия образования и обезвреживания отходов от всех видов деятельности (производственной и хозяйственно-бытовой) до уровня, установленного нормами, но и экологическая обстановка в выделенной зоне по конкретным видам загрязнителей. Борьба с загрязнением (по видам) в модели пространственной структуры ТПК предусматривается тремя способами:

1) на базе совершенствования технологических процессов производства;

2) с помощью специальных устройств и объектов природоохранного назначения;

3) путем запрета размещения объектов-загрязнителей в критических по качеству окружающей среды ареалах, с использованием которых в конечном итоге формируется выбор варианта пространственной структуры ТПК.

Разработанная автором экономико-математическая модель реализована на конкретном материале двух ТПК, расположенных в разных природных и хозяйственных условиях.

Проблемы рационального природопользования и охраны окружающей среды возникают на различных уровнях планирования и управления, каждому из которых свойственны свои достаточно фиксированные задачи. Так, на уровне народного хозяйства в целом решается задача сбалансированного.развития экономики при максими-

зации социально-экономического результата, что подразумевает выбор рациональной структуры хозяйства при минимуме всех производственных затрат и ущерба от воздействия на среду. На региональном уровне за счет меньшей степени агрегированности показателей возможен учет вопросов воспроизводства локальных природных ресурсов и качества окружающей среды, а также выбор соответствующих природоохранных мероприятий. Значительная роль с позиций качественного) учета экологических факторов отводится отраслевому уровню планирования.

В условиях современной экономики роль хозяйственных единиц, работающих в условиях полной самостоятельности, еще более усиливается. Отсюда выбор адекватного модельного аппарата должен производиться исходя из целей и задач исследования.

Воздействие на окружающую среду конкретных производственных объектов специфично, а возможности (технические, технологические, экономические) исключения антропогенного загрязнения неодинаковы. Следовательно, необходимо продолжить конструирование и внедрение в экономическую практику специализированных моделей отраслевого уровня. Рассмотрение экологического фактора в отраслевых экономико-математических моделях в принципе возможно двумя способами: на базе построения единой модели с полным отражением всех внутрирегиональных связей и на основе использования тех моделей, которые настроены на описание определенного элемента хозяйства региона. Первый способ позволяет получить картину всех внутрирегиональных связей, оценить их влияние на разви-

тие отраслевой системы. Однако достаточно высокая степень агрегированности получаемых экологических показателей доказывает, что во втором случае отраже--7 ние факторов природопользования и охраны среды много шире, что связано с возможностью более детального учета этих аспектов в конкретном производственном процессе.

Второй способ моделирования отраслевой системы в регионе предполагает также две возможности установления связей изучаемой системы с другими звеньями хозяйства. Одна - на базе системы моделей отраслевого планирования с проблемой получения согласованного решения, другая - в виде модели-связки "отрасль в регионе". Эта модель-связка конструируется при помощи такого методического приема: "достаточно детальное описание условий и особенностей развития и размещения исследуемой отраслевой системы дополняется агрегированным описанием остальных элементов хозяйства региона". В силу автономности реализации моделей "отрасль в регионе" принятие решении для данной отраслевой системы не зависит от сроков получения "оптимальных" планов для других отраслей. Тогда лишь специфика технических и технологических решений в отрасли, вид и качество (состав компонентов) добываемого сырья определяют характер воздействия на среду.

Эколого-экономическое моделирование - сложная междисциплинарная проблема. Поэтому, как указывают Н. Н. Моисеев и Ю. М. Свирежев [54], возникает необходимость отыскания такой формы взаимодействия естествоиспытателей и экономистов, которая обеспечивала

бы их взаимопонимание и соподчинение единой цели. Одним из возможных направлений решения этой проблемы является создание единого банка моделей, интегрирующего в себе как модели биосферных процессов и явлений, так и модели экономической активности.

Можно сделать вывод, что важнее всего создание моделей, которые легко (с точки зрения информационного обеспечения) могли бы применяться на практике. В будущем, при накоплении достаточного опыта моделирования и реализации междисциплинарных задач, относящихся к отдельным объектам природной среды, а также при разработке адекватной и сопоставимой информации по различным объектам природной среды, появится возможность построения такой системы моделей, которая отражала бы взаимосвязанный комплекс проблем взаимоотношений человека и окружающей природной среды в целом.

1.2. Моделирование загрязнения окружающей среды

Теоретический анализ последствий загрязнения воздуха и воды, экономическая оценка ущерба и создание на базе этих исследований методических основ определения эффективности капиталовложений в природоохранные мероприятия невозможно без знания процессов распространения загрязняющих веществ. Разработка научно обоснованных программ долгосрочного планирования мероприятий, направленных на сокращение выбросов отдельных источников, оценка экологического совершенства различных технологий, развитие методов и средств контроля, прогноза и управления качеством

окружающей среды неразрывно связаны с математическим моделированием процессов переноса и диффузии вредных примесей. Успех применения математических методов в решении отдельных задач во многом зависит от адекватности моделей, используемых для описания реальных процессов, протекающих в изучаемой среде. Разработке и использованию математических моделей загрязнения атмосферного воздуха посвящены работы [3, 9, 10, 14, 17, 37, 55, 60, 64, 65, 81, 92 и др.].

Построение математической модели загрязнения окружающей среды упрощается при формализации процесса создания ее применительно к конкретному объекту. В общем случае в зависимости от задач, для решения которых применяются математические модели, их структуры, детализации изучаемого явления, объема используемой экспериментальной информации, математические модели загрязнения окружающей среды можно разделить на статистические и диффузионные. Каждый подход имеет свои достоинства и недостатки и во многом зависит от того, насколько адекватны ему условия изучаемого процесса загрязнения.

Еще в первых работах по атмосферной диффузии наметилось два подхода к теоретическим исследованиям распространения примеси в приземном слое воздуха. Один из них связывался с работой А. Робертса, основанной на решении уравнения турбулентной диффузии с постоянными коэффициентами. Другой подход, развитый О. Сеттоном, состоял в использовании для определения концентрации примеси от источника формул, полученных на статистической основе.

Согласно Сеттону [76], распределение примеси вблизи точечного источника в разных направлениях описывается гауссовским законом.

Первоначально Сеттон получил формулу для случая наземных источников, которая затем подтвердилась результатами наблюдений в Нортоне (Англия) при равновесных условиях для сравнительно небольших расстояний (несколько сотен метров). Впоследствии эта формула была применена без достаточного обоснования и для случая высотного источника.

Статистические модели, или так называемые модели "черного ящика", отличаются тем, что их структура и параметры определяются на основе измерительной информации путем минимизации заданного критерия. Различают две основные группы таких моделей [66]: для первой характерно отсутствие априорных званий о структуре модели, исследователь вырабатывает ее в результате последовательной проверки нескольких возможных структур; для второй — структура модели может быть частично или полностью из соотношений материального баланса либо на основе ранее известных описаний процессов и явлений. Достоинство моделей данного класса - простота и сравнительно малая чувствительность к случайным флуктуациям изучаемых объектов.

Статистические модели загрязнения воздуха строятся на основе прошлых данных и иногда без знания действительных физических процессов [10, 65, 68]. Используя эмпирический материал наблюдений, устанавливаются корреляционные связи случаев высокой концентрации примеси с определенным сочетанием метеоро-

логических условий. Однако статистические связи между загрязнением воздуха и метеорологическими параметрами не всегда оказываются достаточно тесными. Главным ограничением применения статистических моделей является то, что условия их использования могут отличатся от условий, в которых они были построены. Основные задачи, решаемые такими моделями: прогноз уровня загрязнения в местах, где отсутствуют станции наблюдения; прогноз частоты появления высоких значений концентраций и продолжительности высокого уровня загрязнения; определение установившегося значения концентраций в регионе при решении задач долгосрочного планирования.

Наибольшее распространение получили модели, основанные на решении соответствующих дифференциальных уравнений диффузии примесей (рис. 1.1 [68]). Однако, поскольку объекты окружающей среды — весьма сложные системы с огромным количеством взаимосвязанных параметров, оперативная оценка которых, как правило, затруднительна, точность детерминированных моделей ограничена. Они строятся на основе изучения физико-химических и биологических процессов в окружающей среде и отражают развитие этих процессов во времени. Достоинство их заключается в наглядности причинно-следственных связей в этих процессах.

Использование эффективно при решении частных, локальных в пространственном и временном масштабе задач. Вопрос о границах применения этих моделей до настоящего времени детально не изучен.

Уравнение диффузии

Начальные и граничные условия

Упрощение уравнения и получение аналитического решения

Тип источника

Точечный Распределенный

Мгновенный Непрерывный

I

Модель Клубка"

Модель * Факела"

Модель *Ящика"

Другие возможные решения задачи

Модели конечно-разностного типа

С феноменологической схемой аппроксимации С типично разностной схемой аппроксимации

Движущейся ячейки

Разностные методы решения

Хорошо перемешиваемой ячейки

Вариационные методы решения

Рис. 1.1. Классификационная схема моделей загрязнения воздуха, основанных на уравнении диффузии.

Существуют четыре основных типа моделей, основанных на решении уравнения диффузии численными методами .

Модель "клубка" содержит предположение о мгновенно действующем источнике загрязнения. Процесс переноса образовавшегося облака из источника под действием ветра рассматривается в движущейся системе координат. К недостаткам модели относится требование большого количества метеоданных (в частности, замера скоростей ветра по трем координатам), сложность определения начальной высоты центра тяжести "клубка", сложность программы расчетов.

Модель "факела" основана на предположении о непрерывно действующем источнике и предусматривает интегрирование фундаментального уравнения диффузии во времени. К модели предъявляются следующие требования: однородность и стационарность метеорологического поля в горизонтальном направлении; незначительные физические и химические преобразования загрязняющего вещества за время его пребывания в атмосфере; плоская подстилающая поверхность. Основные достоинства модели состоят в ее простоте и возможности расчета концентрационных полей по небольшому числу экспериментально определенных параметров. Однако точность прогноза по модели не высока. Модель "факела" наиболее эффективна для приподнятого источника (дымовой трубы высотой 100...200 м) , а также для решения задач долгосрочного планирования на основе расчета концентрационных полей по частному распределению метеопараметров.

Модель "ящика" используется для грубой оценки концентрации загрязнителя с больших поверхностных источников [65]. При построении модели предполагается, что скорость ветра одинакова по высоте, а диффузия струи в поперечном и вертикальном направлении мала. Эти условия соблюдаются при ограничении источника загрязнения воздуха зданиями, строениями, топографическими особенностями местности, инверсией. Кроме модели единственного "ящика", известны варианты построения многоящичных моделей для оценки концентраций от распределенных источников эмиссии. В этих случаях атмосфера разбивается на систему "ящиков", внутри которых концентрация не зависит от координат у и г, а частицы вещества не перемещаются относительно среды. Затем вычисляются потоки примеси между " ящиками" и концентрация в каждом из них. Снизу "ящики" ограничены поверхностью земли, сверху - высотой инверсии или произвольно выбранной верхней границей.

Модели "конечно-разностного" типа основаны на аппроксимации воздушного бассейна для получения численного решения трехмерными ячейками. Возникающие в этих моделях проблемы связаны с вопросами устойчивости, точности, с затратами времени и объема памяти ЭВМ. Ошибки вычислений часто значительны из-за системы допущений (постоянство скорости ветра по высоте, отсутствия горизонтального переноса через границу выделенного объема и др.). Использование численных методов затруднено неоднородностью самого поля концентраций, достигающего максимального уров-

ня вблизи источников и быстро убывающего с увеличением расстояния до них.

Модели, полученные на основе теории диффузии, имеют теоретическую и практическую ценность при изучении процессов распространения загрязняющих веществ в атмосфере [10, 47] . Однако их практическое применение затруднено, во-первых, из-за свойственных им ограничений; во-вторых, из-за неопределенностей, содержащихся в метеопараметрах, топографии местности и т.п.

Описание переноса примеси с помощью уравнения турбулентной диффузии относится обычно к фиксированной в пространстве системе координат и связано, таким образом, с эйлеровыми характеристиками. При статистическом описании процессов атмосферной диффузии большей частью исходят из лагранжевой системы координат. Для установления связи между двумя указанными подходами существенно изучить соотношение между лагранжевыми и эйлеровыми характеристиками турбулентной среды.

В работах, проводившихся в СССР, большей частью избирался путь решения уравнения турбулентной диффузии. Такой подход является более универсальным, позволяющим исследовать задачи с источниками различного типа, разными характеристиками среды и граничными условиями. Эти обстоятельства весьма существенны для развития практического использования результатов теории, в том числе и нормирования выбросов.

1.3. Методы оценки загрязнения атмосферы и их связь с действующей нормативной базой

Атмосферный воздух как аэродисперсная система содержит в переменных количествах различные примеси природного и антропогенного происхождения. Загрязненным принято называть воздух, содержащий примеси, состав которых и концентрации могут причинять ущерб человеку и объектам окружающей среды - фауне, флоре, строениям ит. д.

Загрязнители в воздухе могут находится в газообразном и взвешенном состоянии в виде жидких и твердых аэрозолей. Загрязняющие примеси в воздухе могут иметь естественное и антропогенное происхождение, образовываться в результате химических (фотохимических) реакций взаимодействия в атмосфере. Продукты химических превращений в атмосфере могут оказаться в экологическом отношении более опасными, чем исходные химические вещества.

Уровень загрязненности воздуха зависит от метеорологических условий: температуры и влажности, направления и скорости преобладающих ветров, инверсии температуры и т.д. Соответственно физическим характеристикам воздуха изменяется физическая и химическая активность содержащихся в нем загрязняющих веществ.

Установление стандартов качества воздуха требует определения допустимых уровней. Нормирование допустимого содержания химических факторов основано на представлении о наличии порогов в их действии [71] . Значения пороговых концентраций являются относи-

тельными и зависят от множества причин как физических (агрегатного состояния вещества, среды, режима, длительности поступления и т. п.), так и биологических (физиологического состояния организма, возраста, пути поступления и др.). В разных странах неодинаково подходят к вопросу о месте приложения нормативов загрязнения: в одних странах нормативы устанавливаются на выброс вредных веществ в атмосферный воздух, в других - на качество сырья, в третьих - на качество воздуха, т. е. условий пребывания людей в жилых районах и производственных помещениях [ 69] .

В соответствии с рекомендациями Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) при определении качества воздуха используются четыре уровня ПДК: I - отсутствие прямого или косвенного влияния на человека, животных или растительность; II - возможность раздражений органов чувств, вредного воздействия на растительность, уменьшение прозрачности воздуха и др.; III - нарушение жизненно важных физиологических функций и возникновение хронических заболеваний; IV - возникновение острых заболеваний и гибель людей и животных. В России при установлении ПДК загрязняющих веществ принимают первый, самый низкий уровень, когда максимальные концентрации примеси в атмосфере, отнесенные к определенному периоду осреднения, при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывают ни на него, ни на окружающую среду в целом никакого вредного действия. Различают ПДК для производственных помещений, для атмосферного воздуха, максимально разовую и средне-

суточную.. В зависимости от токсичности загрязняющего вещества выделяют 4 класса опасности: 1 - чрезвычайно опасный; 2 - высокоопасный; 3 - умеренно опасный: 4 - малоопасный. Максимально разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных, реакций человека (ощущение запаха, изменение биоэлектрической активности головного мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном воздействии (до 2 0 мин), а среднесуточная - для предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, канцерогенного и др.) влияния. ПДК для большинства загрязняющих веществ в атмосферном воздухе во много раз меньше, чем ПДК для тех же веществ на территории предприятий. ПДК для веществ, на территории предприятий устанавливаются в размере 30% от ПДК загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны помещений.

В зависимости от времени осреднения значение максимальных концентраций изменяется и становится тем меньше, чем больше отрезок времени осреднения. Национальные стандарты качества воздуха в ряде зарубежных стран устанавливают значения ПДК для разных интервалов времени: 0,5; 1; 8; 24 ч, год.

При одинаковом уровне превышения ПДК опасность фактического загрязнения воздуха оценивается в зависимости от веществ, присутствующих в воздухе. При этом учитывается класс опасности вещества и степень осреднения полученных концентраций определенного загрязнителя.

В соответствии с санитарными нормами СН 24 5-71 [75] условие суммирования вредного воздействия раз-

личных примесей, находящихся в атмосферном воздухе, определяется соотношением

С1 + +... + <

пдк2 пдк2 пдкг

где С1г ..., Сп, ; ПДКх, . . ., ПДКП - обнаруженные концентрации соответствующих веществ в воздухе и их ПДК.

Данное соотношение весьма условно, так как не все вредные вещества характеризуются суммированием действия при их одновременном присутствии в воздухе; одни отличаются усилением (потенциированием) действия, другие - ослаблением (антагонизмом). При кратковременном воздействии смеси загрязнений возникает эффект суммирования. При длительном поступлении в организм вредных веществ, даже в малых концентрациях, характер их комбинированного воздействия еще неизвестен [74].

В нашей стране в санитарно-гигиенической практике для суммарной оценки загрязнения применяется метод [74], заключающийся в классификации отдельных загрязнителей по степени токсичности (на основе соответствующих номограмм) в зависимости от длительности воздействия концентраций (разовых, среднесуточных, среднемесячных, среднегодовых) . Опасность фактического загрязнения оценивается по 4 степеням (допустимая, вызывающая опасения, опасная и чрезвычайно опасная), границы которых зависят от класса опасности, времени осреднения фактических концентраций и коэффициента превышения значений ПДК.

Суммарный индекс опасности определяется по следующей формуле:

"сн (к, + кд)д

1и „ птат

т=1 ^

Р =

С2

где С^- число всех возможных пар веществ; ш - номер пары веществ; N - количество анализируемых веществ в атмосферном воздухе; (к1+Ц)т/2 - средняя кратность превышения ПДК ш-й пары веществ, концентрации которых предварительно стандартизированы (приведены к 3-му, наиболее распространенному классу опасности); пт - число веществ с однотипным характером комбинированного действия (если все рассматриваемые вещества обладают однотипным характером комбинированного действия, то п = Ы); ат - коэффициент, характеризующий эффект комбинированного действия: при независимом действии веществ а = 0, при эффекте.суммирования а = 1, потенциирования а > 1, антагонизма а < 1; 1 и ] -номера загрязнителей, характер комбинированного действия которых учитывается. Упрощенная модель такой оценки имеет вид

р = ,

где Хк2 - сумма квадратов превышения ПДК стандартизированными концентрациями оцениваемых ингредиентов.

Данная модель учитывает лишь эффект суммирования и игнорирует влияние метеофакторов.

1.4. Примеры экономико-математических моделей, учитывающих воздействие предприятий на окружающую среду

В работе [47] рассматривается модель оптимизации выбросов действующих промышленных предприятий. Задача состоит в определении для каждого предприятия такого допустимого количества выбрасываемых аэрозолей, чтобы их сумма не превышала санитарно допустимых норм. В то же время существенно занижать суммарные выбросы нельзя, поскольку это приведет к снижению экономических показателей деятельности, индустриальных объектов. Таким образом, речь идет о таких ограничениях на выбросы, которые все же обеспечат максимум экономического эффекта при заданных ограничениях .

Предполагается, что в заданном регионе С с границей Б в точках г-! (1 = 1, 2, ..., п) расположены п промышленных объектов Р±, ежесекундно выбрасывающих (1=1, 2, ..., п) аэрозолей, состав которых для простоты считается одинаковым. В области С выделяются ш экологических зон Ск (к = 1, 2, ..., ш) , для каждой из которых заданы предельно допустимые концентрации выпавшего за интервал времени [О, Т] аэрозоля .

Задача заключается в определении таких выбросов С>1, чтобы выполнялись условия

п _

1 = £ £±(01 - = т1п'

1=1

Ук < ск, к = 1, 2, . . . , т,

где <2з_ - исходная, а 01 - планируемая мощность выбросов, коэффициент определяет капитальные вложения в технологию, обеспечивающую выпуск того же объема продукции при уменьшении выбросов (в расчете на единицу мощности выбросов).

Функционал Ук характеризует санитарную дозу аэрозоля, выпавшего на поверхность земли [2=0) в области экологической зоны 6к:

т

Ук = {с^РсфсЮ,

о 6к

где ф - концентрация вредной примеси, выбрасываемой объектами, расчитываемая на основе решения уравнения турбулентной диффузии,

Рс

Вк + Ак8(г) , г е Ск, к = 1, . . . , т,

т

о, г * и ск.

к = 1

Здесь Ак и Вк - величины, связанные с санитарным (физиологическим) воздействием выбрасываемых промышленных аэрозолей на все области Ск с: С.

В [59] рассматривается задача оптимизации режима производства с учетом ограничений на загрязненность окружающей среды.

Пусть т(т1, х2) - точка плоскости и 3 - ограниченная замкнутая область на плоскости; и (1:, т) темп производства некоторого продукта г на единице площади в окрестности точки teS. Тогда стоимость общего количества продукта г, произведенного к моменту времени 1: > 1:н (1ин — момент начала производства) , представляется интегралом

= / Я с(1№!, т)с1тСИ^ ,

^ 3

где с (t) - стоимость единицы продукта, добытого в точке t.

Изменение плотности загрязнений г (Ь, т) во времени и по плоскости описывается уравнением диффузии в предположении, что темп возникновения загрязнений пропорционален темпу производства, т. е. производительность источника представляется величиной Р(т)и, где Р (х) - некий коэффициент, зависящий от положения пункта производства.

Задача состоит в максимизации функционала

л.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Людкевич, Сергей Вячеславович

Выводы.

1. Разработанный комплекс программ может лечь в основу территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экономическим критериям и контроля выбросов загрязнителей в атмосферу, целью которой является снижение концентраций загрязняющих веществ до заданного уровня в соответствии с нормативными актами по охране окружающей среды и экологически рациональном природопользовании .

2. Для этого необходимо наличие проблемно-ориентированного банка данных, в который должны быть включены следующие базы: аэрометрическая, эмиссионная, экономическая, технологическая.

3. Используя эти базы, с помощью разработанного комплекса программ на основе краткосрочного прогноза состояния атмосферного воздуха можно производить динамическое нормирование ПДВ каждого источника и определение значений штрафов за превышений ПДВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной проблемы определения оптимальных капиталовложений в природоохранные мероприятия для промышленного предприятия, позволяющая получить предприятию максимально возможную прибыль при условии снижения техногенной нагрузки на окружающую среду до предельно допустимого уровня, установленного нормативными документами.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что на территории каждого про-мышленно развитого субъекта Российской Федерации в центральном регионе России объектами эколого-математического моделирования могут быть несколько тысяч предприятий, выбрасывающих в атмосферу более двухсот различных загрязняющих веществ.

2. Рекомендуется на первом этапе разработки эколого-математической модели административно-территориальных подразделений рассматривать каждое предприятие отдельно, создав фреймовые модели по конкретным видам воздействий на окружающую среду. При этом приоритет отдается, прежде всего, воздушному бассейну, являющемуся средой обитания человека.

3. Исследованы основные закономерности распределения примеси в атмосфере на основе аналитического решения уравнения диффузии при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии, позволяющие задать ограничения для критерия экономической оптимальности предприятия по аэрологическому фактору, и показано, что линеаризованные модели диффузии от точечных источников можно применять для метеоусловий центрального региона России.

4. Сформулирована и решена задача определения о оптимальных капиталовложении в мероприятия по очистке выбросов загрязнителей в атмосферу на промышленном предприятии. В качестве критерия оптимизации выбрана максимизация собственной прибыли предприятия, а в качестве ограничения приняты предельно допустимые выбросы загрязнителей, при которых расчетная концентрация поллютантов в приземном слое не превышает предельно допустимых концентраций.

5. Сформулирована задача определения предельно допустимых выбросов для группы промышленных предприятий с ограничением на превышение концентрации вредного вещества в любой точке рассматриваемой области приземного слоя атмосферы предельно допустимого значения, разработаны алгоритм и программа численной реализации задачи.

6. Сформулирована задача экономического компромисса для системы "промышленные предприятия — окружающая среда" и предложен алгоритм построения решения, оптимального по Парето. Разработан пакет прикладных программ для ПЭВМ, реализующий решение сформулированных задач.

7. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при наличии фактической информации о метеорологических параметрах окружающей среды и экономических показателях предприятий могут быть использованы при разработке территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экономическим критериям и контроля выбросов загрязнителей в атмосферу.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Людкевич, Сергей Вячеславович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Анализ экономических и экологических систем. -Таллинн: Институт экономики АН ЭССР, 1986. - С. 141-179.

2. Анохин Ю.А., Израэль Ю.А. Системный анализ и имитационное моделирование как методологическая основа определения допустимых нагрузок антропогенных загрязнений окружающей среды / / Всесторонний. анализ окружающей природной среды. - Л. : Гидрометеоиздат, 1975. - С. 78 - 99.

3. Анохин Ю.А., Остромогильский А.Х. Математическое моделирование и мониторинг окружающей среды. Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1978. - 50 с.

4. Ашманов С.А. Введение в математическую экономику. - М.: Наука, 1984. - 214 с.

5. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы. - М.: Мир, 1982. - 584 с.

6. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Наука, 1987. - 598 с.

7. Беляев В.И. Управление природной средой. - Киев: Наукова думка, 1973. - 128 с.

8. Берлянд М.Е. К теории турбулентной диффузии // Тр. ГГО. - 1963. - Вып. 138. - С. 31-37.

9. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 272 с.

10. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 448 с.

11. Бертокс П., Радд Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнений. - М.:Мир. - 1980. - 608 с.

12. Будак Б.М., Самарский A.A., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. - М. : Наука, 1972. - 688 с.

13. Бурматова О.П. Оптимизация пространственной структуры ТПК: Экологический аспект. - Новосибирск: Наука, 1983.-188с.

14. Вызова H.JI. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. - JI.: Гидрометеоиздат, 1974. - 298 с.

15. Ватель И.А., Ерешко Ф.И. Математика конфликта и сотрудничества. - М.: Знание, 1973. - 64 с.

16. Введение в нелинейное программирование. - М. :

Наука, 1985. - 264 с.

17. Вельтищева Н.С. Методы моделирования промышленного загрязнения атмосферы. - Обнинск: ВНИИГМИ-МЦД, 1975. - 37 с.

18. Взаимодействие природы и хозяйства Байкальского региона. - Новосибирск: Наука, 1981. - 162 с.

19. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. - М.: Наука, 1976. - 528 с.

20. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 17 6 с.

21. Вороновицкий М.М., Гофман К.Г., Гусев A.A., Спи-вак В.А. Экономические основы платы за загрязнение окружающей среды // Экономика и мат. методы, 1975. - Т.XI, вып. 3. - С. 123 - 130.

22. Воронцов П.А. Исследования турбулентного обмена в районе Щекинской ГРЭС // Тр. ГГО. - 1965. -Вып. 172. - С. 104 - 121.

23. Гермейер Ю.Б. Игры с непротивоположными интересами. - М.: Наука, 1976. - 328 с.

24. Гермейер Ю.Б., Ватель И.А. Игры с иерархическим

вектором интересов. // Техническая кибернетика. - 1974. - N3. - с. 54 - 70.

25. Глухов В.В. Экономические основы экологии. СПб.: Спец. лит., 1997. - 304 с.

26. Голуб A.A., Струкова Е.Б. Экономика природопользования. - М.: Аспект Пресс, 1995. - 188 с.

27. Голуб A.A., Струкова Е.Б. Экономические методы управления природопользованием. - М.: Наука, 1993. - 216 с.

28. Гордина Е.В. Об учете процессов обезвреживания производственных отходов в региональном межотраслевом балансе // Экономика и мат. методы. -1975. - Т.11, вып. 5. - С. 900-905.

29. Горелик В.А., Кононенко А.Ф. Теоретико-игровые модели принятия решений в эколого-экономическиих системах. - М.: Радио и связь, 1982. - 144 с.

30. Горстко А. Б., Угольницкий Г. А. Введение в моделирование эколого-экономических систем. - Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского Университета, 1990. - 112 с.

31. Гранберг А.Г. Математические модели социалистической экономики. - М. : Экономика, 1978. - 572 с.

32. Гусев A.A. Методологические основы моделирования управления качеством окружающей среды (на примере охраны воздушного бассейна): Автореферат на соискание ученой степени д-ра экон. наук. - М, 1981. - 26 с.

33. Денисов В.И. Народнохозяйственные модели оптимального развития природных комплексов. - М. : Наука, 1978. - 266 с.

34. Доклад о состоянии окружающей природной среды Тульской области в 1996 году. - Тула, 1997г.

35. Зайцев A.C. Автоматизация обработки информации в связи с экспериментальными исследованиями атмосферной диффузии // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. - JI. : Гидрометеоиздат, 1971. - С. 130 - 136.

36. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справ, изд. В 2-х ч. Ч. 2. - М. : Металлургия, 1988. - 712 с.

37. Зив А.Д., Красов В.И. К выбору математической модели распространения примеси для использования в автоматизированной системе контроля загрязнения воздуха // Тр. ГГО. - 1981. - Вып. 483. - С. 12 - 20.

38. Инвестиционная политика природопользования. М.: Наука, 1989. - 276 с.

39. Интрилигатор М. Математические методы оптимизации и экономическая теория. - М. : Прогресс, 1975. - 564 с.

40. Калиткин H.H. Численные методы. - М. : Наука, 1978 - 512 с.

41. Клейнер Г.Б. Производственные функции: Теория, методы, применение. - М. : Финансы и статистика, 1986. - 238 с.

42. Кугай JI.A. Модель термической структуры озера Плещеево // Тез. докл. XI областной школы-семинара. - Ростов-на-Дону, 1987. - С. 145 -147 .

43. Курс экономической теории. - Киров: Издательство

"Аса", 1994.- 624 с.

44. Лотов A.B. Введение в экономико-математическое моделирование. - М.: Наука, 1984.- 392 с.

45. Маленво Э. Лекции по микроэкономическому анализу. - М.: Наука, 1985. - 392 с.

46. Малинников В.В., Шалабин Г.В. Итеративный процесс планирования в регионе на основе двухуровневой моделй"7/ Применение математики в экономике. - Л.: Издательство Ленинградского университета, 1977. - С. 3 - 12.

47. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме охраны окружающей среды. - М. : Наука, 1982. - 320 с.

48. Модели управления природными ресурсами. - М. : Наука, 1981. - 264 с.

49. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1981. - 488 с.

50. Моисеев H.H. Простейшие математические модели экономического прогнозирования. М. : Знание, 1975. - 120 с.

51. Моисеев H.H. Человек и ноосфера. - М. : Молодая гвардия, 1990.- 352 с.

52. Моисеев H.H. Экология человечества глазами математика. - М.: Молодая гвардия, 1988.- 254 с.

53. Моисеев H.H., Александров В.В., Тарко A.M. Человек и биосфера. Опыт системного анализа и эксперименты с моделями. - М.: Наука, 1985. - 272 с.

54. Моисеев H.H., Свирежев Ю.М. Методы системного анализа в проблеме "человек-биосфера" // Имитационное моделирование и экология. - М.: Наука, 1975. - С. 10 - 17.

55. Монин А., Обухов A.M. Основные закономерности турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы // Тр. Геофиз. ин-та, АН СССР. - 1954. -N24. - С. 163 - 187.

56. Мулен Э. Теория игр с примерами из математической экономики. - М.: Мир, 1985. - 200 с.

57. Олдак П.Г. Сохранение окружающей среды и развитие экономических исследований. - Новосибирск: Наука, 1980. - 356 с.

58. Оптимальное управление в агрегированных моделях

экономики. - JI. : Наука, 1991. - 272 с.

59. Оптимальное управление природно-экономическими системами. - М.: Наука, 1980. - 296 с.

60. Охрана воздушного бассейна: Учеб. пособие. - Тула: Тульский политехнический институт, 1990. 104 с.

61. Охрана окружающей среды. Модели социально-экономического прогноза. - М. : Экономика, 1984 . - 248 с.

62. Охрана окружающей среды: Модели управления чистотой природной среды. - М. : Экономика, 1977 . -242 с.

63. Пененко В.В., Шпак В.А. Некоторые модели управления качеством воздушного бассейна. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 198 6. - 30 с.

64. Пинигин М.А. Роль оценки опасности загрязнения в охране атмосферного воздуха городов // Сб. тр. Ин-та общей и коммунальной гигиены им. А.Н.Сысина. - 1976. - Вып. 3. - С. 14 - 19.

65. Попов Н.С., Бодров В.И., Перов B.J1. Моделирование процессов загрязнения воздушного бассейна за

рубежом // Хим. промышленность за рубежом. 1982. - Вып. 6. - С. 10 - 34.

66. Попов Н.С., Бодров В.И., Перов B.JI. Моделирование процессов загрязнения водной среды за рубежом // Хим. промышленность за рубежом. - 1984. -Вып. 3. - С. 28-45.

67. Примак A.B. Модели регулируемого эколого-экономического равновесия в системах защиты воздушного бассейна от загрязнения. - Киев: Общество "Знание" УССР, 1985. - 18 с.

68. Примак A.B., Кафаров В.В., Качиашвили К.И. Системный анализ контроля и управления качеством воздуха и воды. - Киев: Наукова думка, 1991. -360 с.

69. Примак А. В., Щербань А. Н., Сорока А. С. Автоматизированные системы защиты воздушного бассейна от загрязнений. - Киев: Техника, 1988.- 166 с.

70. Природопользование в системе управления: Планирование с использованием экономико-математических методов. - Новосибирск: Наука, 1991. - 247 с.

71. Проблемы экономико-экологического моделирования рационального природопользования в регионе. Киев: Институт экономики АН УССР, 1984. - 88 с.

72. Руководство по гигиене атмосферного воздуха. -М.: Медицина, 1976.- 416 с.

73. Рюмина Е.В. Экологический фактор в экономико-математических моделях.- М.: Наука, 1980. - 378 с.

74. Санитарная охрана атмосферного воздуха городов.

- М.: Медицина, 1976.- 168 с.

75. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий СН 245-71. - М.: Стройиздат, 1972. -96 с.

76. Сеттон О.Г. Микрометеорология. - Л.: Гидрометео-издат, 1958. - 348 с.

77. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - Л.: Недра, 1988. - 312 с.

78. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. - М.: Стройиздат, 1983. - 88 с.

79. Современная микроэкономика: анализ и применение. В 2-х т. М.: Финансы и статистика, 1992.

80. Соколов В.И. Американский капитализм и проблема охраны окружающей среды. - М.: Наука, 1979. 216 с.

81. Теория систем в приложении к проблемам защиты окружающей среды. - Киев: Вища школа, 1981. 472 с.

82. Тищенко В.Ф. Охрана атмосферного воздуха. - М. : Химия, 1991. - 362 с.

83. Ушаков Е.П. Социально-экономическое развитие и природоохранная деятельность. - М.: Наука, 1983.

- 318 с.

84. Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. - М.: Издательство Московского университета, 1980. - 206 с.

85. Федоров Е.А. Актуальные проблемы взаимодействия общества и природной среды // Коммунист. - 1972.

- N4. - С. 70 - 81.

86. Фиакко А., Мак-Кормик Г. Нелинейное программиро-

вание. Методы последовательной безусловной минимизации. - М.: Мир, 1972. - 240 с.

87. Форрестер Дж. Мировая динамика. - М. : Наука, 1978. - 168 с.

88. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. - М.: Мир, 1975. - 536 с.

89. Шалабин Г.В. Экономические вопросы охраны природы в регионе. - J1.: Издательство Ленинградского университета, 1983. - 168 с.

90. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. - М. : Мир, 1982. - 236 с.

91. Щербань А.Н., Примак A.B., Копейкин В.И. Социально-экономическая модель управления качеством воздушного бассейна // Проблемы контроля и защита атмосферы от загрязнения. - 1978. - Вып.4. -С. 3 - 9.

92. Щербань А.Н., Примак A.B., Травкин B.C. Моделирование процессов массо- и теплопереноса при загрязнении атмосферного воздуха городов и промышленных центров / / Промышленная теплотехника. -1983. - N4. С. 96-104.

93. Щербань А.Н., Примак A.B., Шпилевая Т. С. Установление предельно допустимых выбросов и контроль загрязненности воздушного бассейна // Доклады АН УССР. Сер. А. - 197 7 . - N7. - С. 654 -656.

94. Экологическое оздоровление экономики. - М.: Наука, 1994. - 226 с.

95. Эколого-экономические системы: Модели, информация, эксперимент. - Новосибирск: Наука, 1987. -226 с.

96. Экономика природопользования. - Спб: Издательство Санкт-Петербургского университета, 1993. 342 с.

97. Экономика. - М. : Издательство БЕК, 1995. - 632 с.

98. Экономические проблемы оптимизации водоохранной деятельности. - М.: Наука, 1987. - 282 с.

99. Эффективность инвестиций экологического назначения. - М. : Институт экономики АН СССР, 1986. -186 с.

100. Яглом A.M. О турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы // Изв. АН СССР. ФАиО. - 1972. -N6. - С. 579 - 594.

101. Ayres R., Kneese A.V. Production Consumption and Externalities // American Economic Review. 1969. - V. 59, N3. - P. 282 - 297.

102. Daly H. On Economics and Life Sciense // The Journal of Political Economy. - 1968. - V.7 6, N3. - P. 116 - 134.

103. Isard W., Choguill C.L., Kissin J. et al. Ecologic-economic analysis for Regional Development. - N.Y., 1972. - 382 c.

104. Meadows D.M., Meadows D.L., Randers J., Behrens W.W. The Limits to Growth. - N.Y., 1972. - 364 с.

105. Mesarovich M., Pestel E. Mankind at the Turning Point - the second report to the Club of Rome. -N.Y., 1974. - 234 c.