Исследование и разработка методов применения мобильных ИИС при контроле загрязнения окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Ламберт, Елена Владиславовна

• Ламберт, Елена Владиславовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ламберт, Елена Владиславовна

Введение.

Глава 1. Объект исследований и постановка задачи.

1.1. Актуальность вопросов охраны окружающей среды и количественные оценки.

1.2. Экосистема - как объект исследования.

1.3. Особенности планирования эксперимента в экосистеме.

Постановка задачи.

Глава 2. Моделирование рассеяния примеси в атмосфере.

2.1. Уравнение турбулентной диффузии.

2.1.1. Гауссова модель.

2.1.2. ОНД-86.

2.2. Анализ современных методов моделирования распространения примесей в воздушной среде.

Выводы.

Глава 3. Метрологический анализ.

3.1. Организация мониторинга окружающей среды.

3.2. Этапы измерений.

3.3. Инструментальное обеспечение измерений.

3.3.1. Нормы оценки концентрации вредных веществ в атмосфере.

3.3.2. Точностные характеристики средств измерений.

3.4. Точность модели.

Выводы.

Глава 4. Планирование измерений.

4.1. Алгоритм определения маршрута мобильной ИИС.

4.2. Анализ точности проведения измерений.

4.3. Алгоритм настройки модели по экспериментальным данным.

4.4. Методики проведения измерений по контролю рассеяния примеси.

4.4.1. Методика 1. Проведения контрольных измерений в рабочем режиме.

4.4.2. Методика 2. Проведения контрольных измерений при выбросе вредных веществ в атмосферу.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов применения мобильных ИИС при контроле загрязнения окружающей среды»

Важность проблемы охраны окружающей среды в наше время не вызывает сомнений. Интенсивно развивающаяся промышленность вызывает постоянное увеличение уровня загрязнения атмосферы. Во многих индустриальных районах уровень загрязняющих выбросов превышает величины, к которым могут адаптироваться организм человека и биосфера в целом. Неудовлетворительное состояние окружающей среды приводит к гибели растительности, приносит вред здоровью человека. Дальнейшее развитие этих процессов приобретает глобальное значение.

Вопросы охраны окружающей среды связаны, как правило, с тремя ее основными составляющими - атмосферой, гидросферой и литосферой. За последние десятилетия серьезной международной проблемой стала защита атмосферы от загрязнения - следствия хозяйственной деятельности человека. По сравнению с другими составляющими окружающей среды атмосфера обладает большей пространственной подвижностью и загрязняется наиболее быстро.

В такой ситуации развитие промышленности должно сопровождаться разработкой новых технологий, которые бы позволили предотвращать выбросы в атмосферу или ограничивать их до допустимого уровня. Такие превентивные меры оказываются не всегда успешными или просто не проводятся, поэтому при наличии загрязняющих выбросов встают проблемы определения области, района с повышенным уровнем загрязнения и принятия решения по полученным данным.

Определение параметров загрязнения позволяет:

1. Выявить вещество с концентрацией превышающей предельно-допустимое значение;

2. Выявить источник загрязнения каждым веществом и долю участия этого источника;

3. Определить необходимые меры по стабилизации значений концентрации вредных веществ.

Сложность природных экосистем, значительное разнообразие типов взаимодействий, а также возросшая потребность в количественных методах анализа, оценки и прогноза состояния экосистем обусловливают ту особую роль, которую играет метод математического моделирования в исследованиях по проблеме окружающей среды.

В настоящее время наиболее распространенными методиками по расчету рассеяния примеси в атмосферном воздухе являются методики, основанные на полуэмпирическом уравнении диффузии для построения следа выброса вредных веществ: ОНД-86 (общесоюзный нормативный документ) и Гауссова модель, используемая учеными США. Эти методики позволяют построить след выброса вредных веществ в воздушной среде, располагая метеорологическими данными (скорость ветра, состояние атмосферы, температура, давление и так далее), параметрами источника выброса веществ, топографическими и географическими данными исследуемого района.

Таким образом, встает вопрос, во-первых, проверки этих моделей, то есть, планирование измерительного эксперимента, проведение измерительного эксперимента, корректировка следа выброса на основе данных, полученных в результате измерительного эксперимента; и, во-вторых, определения точностных характеристик имеющихся данных.

В данной работе рассматриваются существующие модели следов выброса вредных веществ, анализируется их различие, проводиться анализ метрологических характеристик и решается задача адаптации существующего расчета модели ОНД-86 по метеорологическим, картографическим, топографическим данным к экспериментальным данным измерения концентрации вредных веществ, также разработана практическая методика проведения эксперимента.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Ламберт, Елена Владиславовна

Основные результаты, полученные в работе:

1. Проведен анализ точности измерительных каналов и отдельных средств измерения, используемых для измерений значений концентрации, а также исходных данных построения модели рассеяния примеси. Сформулированы требования к выбору средств измерений.

2. Показана целесообразность использования мобильных ИИС по сравнению с сетью стационарных постов и разработан алгоритм оптимального выбора точек контрольных измерений концентрации вредных веществ при использовании мобильных ИИС.

3. Разработан алгоритм оценки точности проводимых полевых измерений и совместной обработки их с теоретическими данными.

4. Разработан алгоритм настройки модели ОНД-86 по результатам измерений, обеспечивающий оптимизацию определения границ области загрязнения.

5. Разработана методика организации измерений мобильной ИИС в условиях чрезвычайной ситуации и в рабочем режиме, основанная на разработанных алгоритмах настройки модели и учитывающая топографические характеристики района загрязнения.

Заключение

Контроль состояния окружающей среды является необходимым для устойчивого развития общества. Инструментом контроля является экологический мониторинг, который призван выявлять изменения окружающей среды под воздействием антропогенного фактора.

Антропогенное воздействие на экосистему, например, какая-либо хозяйственная операция имеет положительный частный эффект и оказывает некоторое отрицательное воздействие на биосферу, малым значением которого пренебрегают, но действие которого в настоящее время приобретает большее значение. Сейчас можно сказать что «побочный эффект», то есть вредное влияние, оказываемое на окружающую среду, приобрело такое глобальное значение, что бесконтрольная эксплуатация приносит уже только убытки, как в денежном, так и в других выражениях.

Надежность и информативность качественных оценок уже не соответствуют сложности и ответственности задач, которые ставит нам практика, необходимы количественные оценки. Так как человек не в состоянии представить себе (воспринять) объект целиком, во всем многообразии его свойств и во всех взаимосвязях, то его взаимодействие с объектом - исследование или преобразование - возможно лишь на основе модели объекта.

Ограничение количества наблюдений и трудности при оценки источника загрязнения, а также невозможность проведения широкого эксперимента в масштабах реальной экосистемы и моделирование динамики экосистемы в лабораторных условиях подтверждают целесообразность использования математического моделирование для получения информации о рассеянии примесей в атмосферном воздухе.

Таким образом, для получения информации о рассеянии примеси в атмосферном воздухе определяется модель, используемая для расчета рассеяния примеси; производится планирование измерительного эксперимента в соответствии с поставленными задачами; согласовываются теоретические и экспериментальные данные; определяется точность данных о рассеянии примеси в атмосферном воздухе.

Сравнительный анализ полей концентрации от постоянно действующих точечных источников, рассчитанных с помощью различных методик, показывает, что они весьма не похожи по форме факела и по значению концентрации, отличающихся порой на порядки.

Существующие методики расчета рассеяния примеси опираются в основном на полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии и с использованием "/^-теории":

За д 1 да д , с . , . „ . . и -2- = -Ь —2- + -Тг -2- + О 3 (г - к)д (х). дх ду К > ду дг К 2 дг ^ У

Основу теории" составляют существующие аналогии между турбулентным и молекулярным переносом импульса, тепла и примеси. Вектор потока принимает следующий вид: и-Г дх где к1 — тензор коэффициента турбулентного обмена для соответствующей примеси.

Эта система уравнений позволяет построить трехмерную модель атмосферного пограничного слоя в горизонтальных масштабах в десятки и сотни километров.

Определенную сложность представляет собой описание распределение примеси в верхней части пограничного слоя. Недостаточно также данных о взаимодействии очень мелких частиц с подстилающей поверхностью, а также сведений о поведении примеси в условиях сложного рельефа и городской застройки. Мало данных о мезо-масштабных закономерностях, определяющих рассеяние примеси на большие расстояния. Определенная осторожность требуется при расчетах диффузии во время нестационарных метеорологических условий. Также возникают сложности при определении средней скорости ветра.

Нормативными методиками в США и в России являются, соответственно, методика "ЕРА-US" и ОНД-86. Методика "EPA-US" предлагает рассчитывать форму факела по гауссовой модели. Коэффициенты турбулентной диффузии оказываются функциями времени полета примеси. Методика ОНД-86 использует способ задания профиля коэффициента в виде так называемой модели с изломом, в которой коэффициенты турбулентной диффузии задаются в зависимости от температурной стратификации.

Основная погрешность данных, полученных, например, с помощью методик "ЕРА-US" и "ОНД-86", составляет не менее 30%.

Рассмотрение различных ситуаций показало, что для контроля характеристик окружающей среды на территории больших районов, районов временных производств, чрезвычайных ситуаций или при проведении инспекционных работ целесообразно применять мобильные лаборатории.

Для определения рабочего маршрута определяются оптимальные точки пространственного эксперимента. Для этого предварительные данные о состоянии атмосферного воздуха, метеорологические данные, данные выбросов вводятся в ситуационную модель экологического объекта.

Идеализация объекта при построении его модели приводит к несоответствию модели исследуемому реальному объекту - пороговому несоответствию, поэтому модель переопределяется, уточняется. Из-за сложности объекта и недостаточного развития теории планирования эксперимента решение основывается на практическом опыте выполнения измерений и неформальных соображениях.

Подлежащие контролю вредные загрязняющие вещества пространственно распределены в воздушной среде и имеют характеристики, изменяющиеся во времени вследствие химического воздействия и разбавления под воздействием температуры, солнечной радиации, ветра и осадков. Погрешность, вносимая каналами измерения, составляет в среднем 20% и имеет различные значения при измерении различных примесей. В силу случайного характера процесса загрязнения одиночные локальные измерения значений концентрации обладают низкой информативной достоверностью, что должно учитываться при формировании требований на создаваемые технические средства и обработку информации от них. Поэтому экспериментальные в ходе предварительного анализа данные проверяются с помощью статистических критериев.

Методика ОНД-86, которая является нормативным документом и используется в данной работе для построения модели рассеяния примеси, позволяет рассчитать значение разовой концентрации вредных веществ. Учитывается нестационарность скорости ветра, форма следа принимает более размытое значение, рассчитывается доверительный интервал. Далее используется коррекция модели факела по экспериментальным данным. Для получения экспериментальных данных и дальнейшей их обработки разработана методика, для проведения измерений в рабочем режиме и чрезвычайной ситуации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ламберт, Елена Владиславовна, 2000 год

1. Горелик Д.О., Коиопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников загрязнения. Аэродинамические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1992.-432 с.

2. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение,1990.-288 с.:ил.

3. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров/ Пер.с польского. М.: Мир, 1989.-335 е., ил.

4. Планирование эксперимента и методы обработки его результатов. Линейный регрессионный анализ. Критерии оптимальности. Планы ПФЭ и ДФЭ: Методич. рук. Новоросийск: НПО «Союзстройэкология», 1988.84 с.

5. Эколого-геохимический анализ техногоенного загрязнения. М.: ИМГРЭ,1991.-167 с.

6. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.-166 с.

7. Планирование эксперимента в биологии и сельском хозяйстве: Учебное пособие для слушателей ФПК/ Под ред. В.Н. Максимова. М.: Изд-во МГУ, 1991.-222 с.

8. Экологическое картографирование с использованием аэрокосмической информации. М.: ЦНИИГА и К, 1993.-103 с.

9. Черный A.A. Планирование экспериментов и математического моделирование процессов. Саратов: Изд-во Саратовского университета, 1977.-81 с.

10. Ю.Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т.1. -Л.: Институт прикладной геофизики, 1978.-184 с.

11. Экологический мониторинг. Методы биомониторинга. В двух частях. Часть 1: Уч. пособие/ Под ред. проф. Д.Б. Гелашвили. Н. Новгород: Изд-воННГУ, 1995.- 195 с.

12. Алексеев В.В. Мобильная аналитическая лаборатория — эффективное средство мониторинга // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. -1995.-№ 1.-С. 17-19.

13. Донченко В.К., Ростоскуев В.В., Романюк Л.П. Разработка информационных систем экологической безопасности // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 2. - С. 17-20.

14. Измайлов В.И., Измайлов A.B. Управление безопасностью и риском при неблагоприятной экологической обстановке и чрезвычайных ситуациях // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 2. - С. 10-11.

15. Алексеев В.В., Королев П.Г., Куракина Н.И. Система сопровождения мобильных средств мониторинга ОС // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности: спец. выпуск. 1996. - март. - С. 30-35.

16. Алексеев О.В., Викторов А.Д., Кутузов В.М. Проблемы и пути создания систем мониторинга окружающей среды // Мониторинг, безопасность жизнедеятельности. 1995. - № 1. - С. 5-12.

17. Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология: Учеб. пособие для вузов.-СПб.: Химия, 1997.-240 е.: ил.

18. Горелик О.Д., Конопелько JI.A., Панков Э.Д. Экологический мониторинг: Уч. В 2-х томах. Оптико-электронные приборы и системы. Т.2: СПб., 1998.-592 с.

19. Методы и средства контроля промышленных выбросов и загрязнения атмосферы и их применение. М., 1988.-276 с.

20. Бызова H.JL, Гаргер Е.К., Иванов В.Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеивания примеси. JL, 1991.-278 с.

21. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ, изд.: В 2-х ч. 4.2. / Пер. с англ.; Под ред. Кальверта С., Инглунда Г.М. М.: Металлургия, 1988.-712 с.

22. Бызова H.J1. Рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1974.-192 с.

23. Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей/ Под ред. Ф.Г.М. Ньюстарта и X. Ван Дона. JL: Гидрометеоздат, 1985.-351 с.

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

25. Вызова Н.Л. Методическое пособие по расчету рассеяния примесей в пограничном слое атмосферы по метеорологическим данным. М.: Гидрометеоиздат, 1973.-46 с.

26. Метеорология и атомная энергия/ Под ред. Д. Слейда. -Д.: Гидрометеоиздат, 1971.-674 с.

27. Братсерт У.Х. Испарения в атмосфере/ Пер. под ред. A.C. Дубова. JL: Гидрометеоиздат, 1985.-354 с.

28. Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий СН 369-74. М.: Стройиздат, 1975.-41 с.

29. Учет дисперсионных параметров атмосферы при выборе площадок для атомных электростанций. Руководство по безопасности АЭС. Вена: Международое агенство по атомной энергии, 1980.-106 с.

30. Гаргер Е.К., Найденов A.B. К сравнению различных методик расчета поля концентрации примеси от высотного источника. // Тр. ИЭМ. 1986. -Вып. 37 (120).-С. 56-86.

31. Методика расчета концентрации в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД 86. - JL: Гидрометеоиздат, 1987. - 94с.: ил.

32. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск, 1985.

33. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М., 1982.

34. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика.-М.: Высшая школа, 1972.- 368 е.: ил.

35. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 е.: ил.

36. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 е.: ил.

37. Страшкраба М., Гнаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моделирование. М.: Мир, 1989. - 373 е.: ил.

38. Гусев Н.Г., Беляев В.А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 224 с.

39. Динамическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 607 с.

40. Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха. М.: Иностранная литература, 1962. 512 с.

41. Мудров В.И. Задача о коммивояжере. М.: Знание, 1969. 61с.: ил.

42. Ламберт Е.В. Модели и измерения при мониторинге окружающей среды // Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон: Всерос. науч. конф.: Тез. докл., С.-Петерб., 16-18 нояб. 1999 г. СПб., 1999. - С. 34-35.

43. Казанский А.Б., Монин A.C. О форме дымовых струй // Изв. АН СССР. Сер.Геофиз. 1957. - № 8. -С. 1020 - 1033.

44. Израэль Ю.А. Осуществление в СССР системы мониторинга загрязнения природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 129 с.

45. Небел Б. Наука об окружающем мире. М.: Мир, 1993. Т.1. - 424 е.; Т.2. -336 с.

46. Акимова Т.А. Хаскин В.В. Основы экоразвития. М.: Изд-во Росс. Эконом. Академии, 1994. 312 с.

47. Туманова Л. А. Автоматизированные системы контроля качества окружающей среды: Аналит. обзор. М.: Изд-во СП Интерквадро, 1989.

48. Перегуд Е.А., Горелик Д.О. Инструментальные методы контроля загрязнения атмосферы. Л.: Изд-во Химия, 1981.

49. Горелик Д.О. Метрологическое обеспечение газоаналитических измерений. М.: Изд-во стандартов, 1986.

50. Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Издат. Центр Россия молодая, 1994. - 367 с.

51. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 375 с.

52. Лейбкинд А.Р., Руднева Е.В., Рудник Б.Л. Проблемы метрологии и организации разработки комплексных программ. М.: Наука, 1983.

53. Теоретические основы и опыт экологического мониторинга / Под ред. В.Е. Соколова и Н.И. Базилевича. М.: Наука, 1983. - 252 с.

54. Пфанцагль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976.

55. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 1-9. / Под ред Ю.А. Израэля. Л.: Гидрометеоиздат, 1975 -1989.

56. Алексеев В.В., Ламберт E.B. Алгоритм адоптации параметров модели по результатам контрольных измерений // Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Тез. докл. науч.-техн. конф., С.-Петерб., 24-25 нояб. 1999 г. СПб., 1999. - С. 113.

57. Тихомиров В.А. Интегральный информационно-аналитический комплекс радиоэкологического мониторинга: Автореф, дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук: 30.07.1997 М., 1997. 24 с.

58. Бородин Р.В. Исследование и разработка методов и систем программного обеспечения анализа данных, характеризующих радиационное загрязнение окружающей среды. Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук: 30.10.1996. М., 1996. - 22 с.

59. Годько A.M., Бородин Р.В. Технология компьютерной обработки результатов аэрогамма-съемки. Методика и некоторые результаты авиационной гамма съемки радиоактивного загрязнения территории европейской части России. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994.

60. Компьютерное информационное обеспечение задач анализа радиационной обстановки на территориях, загрязненных в результате аварии на Чернобыльской АЭС. / Вакуловский С.М. и др. // Радиация и риск: Бюл. 1993. - Вып. 3.- С. 39-61.

61. Шишкин А.Й., Дружинин Н.И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. JL: Гидрометеоиздат, 1989. - 390 с.

62. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л.: Химия, 1982. - 671 с.

63. Виноградов Б.В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. М.: Наука, 1984.-319 с.

64. Ландсберг Г.Е. Климат города. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 248 с.

65. Семенова H.H. Методология иммитационного моделирования в исследовательских задачах защиты растений // Тр. Всерос. съезда по защите растений. 1996.

66. Полуэктов P.A. и др. Компьютерная система поддержким решений при управлении агроэкологическими системами // Информатика и вычисл. техника. 1993. - № 1-3.

67. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1986.- 256 с.

68. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979. - 496 с.

69. Методы анализа загрязнения воздуха / Дугов Ю.С., Беликов А.Б., Дьякова Г.А., Тульчинский В.М. -М.: Химия, 1984.

70. Коллеров Д.К. Газоанализаторы. Проблемы практической метрологии. -М.: Изд-во стандартов, 1989.

71. Шаевич А.Б. Аналитическая служба как система. М.: Химия, 1981.

72. Ермаков С.М. Метод Монте-Карло и смежные вопросы. М.: Наука, 1975.

73. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов на основе математикостатистичесткой теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1956.

74. Бреслер П.И. Оптические абсорбционные газоанализаторы и их применение. — Д.: Энергия, 1980.

75. Кораблев Н.В. Использование статистических методов при проектировании и оптимизации эксплуатационных режимов аналитических приборов. М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1983.

76. Экологическое обеспечение деятельности сил ВМФ (роль природоохранных комплексов контроля загрязненности природной среды) / Алексеев В.В., Гвоздецкий О.Г., Королев П.Г., Куракина Н.И. // Мониторинг. 1997. - Спец. вып, июнь. С. 10-12.

77. Допустимые выбросы радиоактивных веществ в атмосферу / E.H. Теверовский, Н.Е. Артемова, A.A. Бондаренко и др.; Под ред. E.H. Теверовского, И.А. Терновского. М.: Энергоатомиздат, 1985. -216с.

78. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. Минск.: Изд-во БГУ, 1982. - 302 е.: ил.

79. Цветков Э.И. Алгоритмические основы измерений. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербург, отд-ние, 1992. - 252 е.: ил.

80. Методические указания по расчету выбросов вредных веществ в атмосферу предприятиями Министерства бытового обслуживания населения РСФСР. М.: ЦБНТИ, 1990. - 157 е.: ил.

81. Методические указания по расчету выбросов вредных веществ автомобильным транспортом. М.: Гидрометеоиздат, 1985. - 65 с.