LINEBURG


страница 1
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
Красноярский государственный университет
Исследовательская кафедра биофизики
Институт вычислительного моделирования СО РАН
Красноярский Межвузовский центр информационных
технологий в экологическом образовании



С.С. Замай, О.Э. Якубайлик


МОДЕЛИ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА
ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
ПРОМЫШЛЕННЫМИ ВЫБРОСАМИ
В ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЕ ПРИРОДООХРАННЫХ СЛУЖБ
КРУПНОГО ГОРОДА


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ




Красноярск 1998


1
УДК
ББК

С.С. Замай, О.Э. Якубайлик. Модели оценки и прогноза загрязнения
атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналити-
ческой системе природоохранных служб крупного города: Учеб. посо-
бие / Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1998. 109 с.
Настоящее пособие посвящено проблемам использования моделей
оценки и прогноза загрязнения приземного слоя атмосферы промышлен-
ными выбросами. Рассматриваются модели оценки загрязнения атмосфе-
ры, используемые в задачах экологической экспертизы. Приведены приме-
ры численной и программной реализации моделей. Обсуждаются пробле-
мы создания информационной инфраструктуры природоохранных служб
промышленного города, в рамках которой такие модели могут быть вос-
требованы.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных за-
ведений. Пособие подготовлено в рамках работ по проекту ФЦП «Инте-
грация», грант – 162-2.1 и апробировалось на занятиях со студентами
Межвузовского центра информационных технологий в экологическом об-
разовании, деятельность которого поддерживается краевым и городским
экологическими фондами, а также проектом ФЦП «Интеграция» № 68.
Рис. 17, библ. 47 назв.

Рецензенты: д.ф.-м.н., профессор В.М. Садовский, зав. лаб. Ин-
ститута вычислительного моделирования СО РАН;
д.ф.-м.н. Л.Е. Парамонов, зав. кафедрой медицин-
ской и биологической физики КГМА.
Редактор И.А. Вейсиг
Корректор Т.Е. Быстригина
© С.С. Замай, 1998
ISBN О.Э. Якубайлик, 1998


2
Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ПРИРОДООХРАННЫХ СЛУЖБ ПРОМЫШЛЕННОГО
ГОРОДА 7
1.1. Базовые определения и подходы к описанию экосферы города 7

1.2. Анализ информационной составляющей городской системы
управления качеством окружающей среды 8

1.3. Перспективы создания корпоративной системы управления
качеством 11

1.4. Модели для экологической информационно-аналитической
системы 15

2. МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ И
УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 18
2.1. Общие сведения о моделях 18
2.1.1. Поведение потока, выбрасываемого в атмосферу 19
2.1.2. Показатели турбулентности 21
2.1.3. Характеристики источников выбросов 23
2.1.4. Методы оценки дисперсии 24
2.1.5. Перечень основных моделей, используемых для оценки
загрязнения атмосферы 27

2.2. Классификация существующих моделей 31

2.3. Штатная модель служб ГО и возможности ее
совершенствования. 36

2.4. Модель Паскуилла-Гиффорда 39

2.5. Модель Института экспериментальной метеорологии 43

2.6. Трехмерные модели переноса и диффузии примеси и их
упрощенные варианты 46

2.7. Аэродинамическое моделирование 50


3
2.8. Перспективы развития моделей в соответствии с
рекомендациями МАГАТЭ 56

2.9. Районирование зоны загрязнения по степени опасности 58

3. ПРИМЕРЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 63
3.1. Общая постановка задачи 64

3.2. Двумерная стационарная аналитическая модель 67
3.2.1. Аналитическая модель 67
3.2.2. Алгоритм численной реализации аналитической модели и
результаты моделирования 70

3.3. Двумерная численная модель 73
3.3.1. Формулировка стационарной задачи 73
3.3.2. Общая схема численного решения задач 74
3.3.3. Аппроксимация 75
3.3.4. Организация итераций 76
3.3.5. Выбор итерационного параметра 76
3.3.6. Дискретная модель для диффузии и поглощения 77
3.3.7. Способ решения дискретных уравнений диффузии 79
3.3.8. Организация метода Федоренко 81
3.3.9. Дискретная модель для оператора переноса 81
3.3.10. Метод решения дискретного уравнения переноса 82
3.3.11. Сопоставление результатов численных расчетов с известными
аналитическими моделями 83
3.3.12. Расчеты с распределенными источниками, моделирующими
участки завода 91

4. ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
ПРИКЛАДНЫХ МОДЕЛЕЙ 96

5. ПРИМЕРЫ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫХ
КОМПЛЕКСОВ 101
5.1. Программный комплекс “МОНИТОР” 102

5.2. Студенческий проект «Экосфера» 104

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 107

4
Предисловие
Модели, применяемые для задач оценки и прогноза загрязнения атмо-
сферы, мы начнем рассматривать с краткого обзора условий их возможно-
го использования, природоохранными службами промышленного города.
Такой подход оправдан, с одной стороны, тем, что учебное пособие пред-
назначено для студентов физиков, специализирующихся в области эколо-
гической информатики, с другой стороны, тем, что прикладные модели не
имеют смысла без конкретного контекста и условий их использования.
Практическое применение наиболее совершенных из наукоемких мо-
делей, предназначенных для оценки и регуляции качества окружающей
среды, сдерживается в основном тем, что не развита инфраструктура их
использования. Также не достает данных для полноценного моделирова-
ния и отсутствует информационная инфраструктура, которая могла бы
обеспечить доступ к исходным данным и позволила бы наладить эффек-
тивный обмен информацией. В экологических службах не хватает кадров,
способных квалифицированно работать с современными моделями и про-
граммно-аппаратными средствами, используемыми в задачах анализа и
прогноза состояния окружающей среды.
Задачи оценки качества окружающей среды и управления в сфере
природоохраны, требуют комплексных знаний и согласованной работы
специалистов разной профессиональной ориентации. К примеру, задачи
экологической экспертизы проектов промышленного развития территорий
решаются крупными экспертными коллективами, включающими в себя
экологов, технологов, управленцев, экономистов и требует привлечения к
этим работам «узких» специалистов физиков, химиков, биологов, социоло-
гов и т.п. (конкретный перечень зависит от конкретной ситуации). В этой
связи специалисты физики, занимающиеся вопросами моделирования в
сфере природоохранных задач, должны не только уметь квалифицировано
построить или использовать теоретическую модель адекватную той или

5
иной физической сути ситуации, но и уметь создавать необходимое для
использования модели сторонними пользователями и организациями про-
граммное и методическое обеспечения. Важно не только уметь правильно
описать или смоделировать явление или процесс, но и уметь, используя
профессиональные знания в своей предметной области, создавать научно-
исследовательский инструментарий, который расширяет возможности
специалистов из смежных областей знаний, работающих по комплексной
экологической проблематике.
Наука занимается производством новых знаний. Производство нового
знания, требует не только наличия проблемы и интеллекта, но и инстру-
мента исследования. В настоящем пособии рассмотрены вопросы техноло-
гии создания модельного и программного инструментария для наукоемких
задач оценки и прогноза качества окружающей среды, на примере моделей
оценки и прогноза загрязнения приземного слоя атмосферы промышлен-
ными выбросами. В качестве примера использования методов численного
моделирования подробно рассмотрено решение двумерного уравнения пе-
реноса-диффузии. Обсуждается алгоритм, основанный на методе расщеп-
ления по физическим процессам, в котором для обращения эллиптической
части оператора уравнения использованы многосеточные методы.
Существенное расширение сферы применения наукоемких моделей,
используемых для анализа и прогноза состояния окружающей среды, мо-
жет обеспечить использование новых информационных технологии. С их
помощью можно организовать доступ к необходимой информации, рас-
пределенную обработку больших массивов данных, профессиональные ин-
струментальные и многопользовательские средства, предназначенные для
решения территориально-ориентированных задач.




6
1. Информационно-аналитическая система природоох-
ранных служб промышленного города

1.1. Базовые определения и подходы к описанию экосфе-
ры города

Эффективность и оперативность проведения природоохранных меро-
приятий в существенной мере зависит от степени и качества информиро-
ванности должностных лиц о состоянии экосферы и источниках ее загряз-
нения.
Экосфера – среда обитания человека, включающая в себя природу и
поселения человека с инфраструктурой жизнеобеспечения и социально-
экономическими условиями жизни.
Город, с его жителями, промышленностью, инфраструктурой, сель-
скохозяйственными пригородами, представляет собой сложную систему
взаимообусловленных и взаимосвязанных субъектов и объектов управле-
ния. Информация, обеспечивающая взаимодействие субъектов и объектов
управления, перемещается по муниципальным, ведомственным и межлич-
ностным каналам. Скорости передачи и обработки информации, ее качест-
во в различных частях системы очень отличаются. Это может послужить
одной из причин дисбаланса и гипертрофированного развития одних объ-
ектов и подсистем города в ущерб другим. В этой связи рассмотрим суще-
ствующее информационное пространство участников регуляции экосферы
промышленного города несколько подробнее.
Если при описании города исходить из метафоры «город – организм»,
то в настоящее время у городского организма роль коллективного органа
чувств, реагирующего на загрязнение окружающей среды, играют приро-
доохранные организации различной ведомственной принадлежности и
правовой организации. Перечислим для примера некоторые из них: крае-

7
вые и городские комитеты охраны природы, подразделения санэпидстан-
ции, госкомгидромета, горводоканала, отделы охраны окружающей среды
промышленных предприятий, общественные "зеленые движения" и т.п.
Характер их реакции, степень и качество информированности очень раз-
личаются, но взаимно дополняют друг друга. Информацию передают по-
чтой (в редких случаях электронной), нарочным, в экстренных случаях по
телефону. Функции управления осуществляют: администрация города, ко-
митеты охраны природы и их подразделения, а также средства массовой
информации. Для повышения качества решений проводятся экспертные
совещания представителей различных организаций.

1.2. Анализ информационной составляющей городской
системы управления качеством окружающей среды

Анализ информационной составляющей регуляции экосферы про-
мышленного города показывает, что:
• система экологических служб хотя и разобщена, но работает, в при-
родоохранной системе есть вполне устрашающая информация о ее
состоянии, есть экологическое законодательство, штрафы, и плате-
жи за загрязнения окружающей среды взимаются, однако сущест-
венного улучшения от природоохранной деятельности не видно;
• отсутствует эффективная обратная связь между последствиями за-
грязнения и причинами, его вызвавшими, а это в свою очередь при-
водит к дисгармонии в системе человек–промышленность–
окружающая среда.
Перечислим основные причины, снижающие эффективность обратной
связи между последствиями загрязнения и причинами, которые его вызва-
вают.
1. Экономические выгоды или потери интересуют больше всего и сегодня,
а экономический ущерб от загрязнения окружающей среды не прогно-

8
зируется, зачастую не осознается, отложен с момента загрязнения или
от принятия решения, повлекшего его за собой, и восполняют его часто
не те, кто в нем повинен.
2. Результаты экологической экспертизы не доводятся или не доходят до
сознания большинства горожан. (Влияние загрязнения окружающей
среды на здоровье зависит от индивидуальных, возрастных, социальных
и психо-физиологических особенностей жителей и может быть значи-
тельно задержано во времени.)
3. Оценки и прогнозы состояния экосферы промышленного города, необ-
ходимые для обоснованного ведения планово-предупредительных при-
родоохранных мероприятий, требуют специальных знаний из области
точных и естественных наук, и зачастую далеко выходят за узкие рамки
стандартных методик, используемых в практике природоохранных
служб.
Таким образом, с точки зрения информационных задач управления
качеством окружающей среды основные проблемы состоят в том, что:
• отсутствует или затруднен прогноз состояния экосферы города в
зависимости от действий субъектов и состояния объектов управ-
ления;
• результаты оценки или прогноза не доходят до тех, кому они
предназначены либо представлены в том виде, в котором адресат
их не воспринимает.
Неэффективная работа традиционных систем получения, обработки и
передачи информации приводит к нарушениям и в системах принятия ре-
шений и управляющих воздействий. Эту ситуацию нельзя исправить ни
законодательными, ни административными мерами на этапе принятия ре-
шений без повышения эффективности работы городской информационной
инфраструктуры управления качеством окружающей среды.



9
Чтобы успешно управлять территорией и рационально распоряжаться
ее ресурсами, нужно хорошо представлять себе обобщенные характери-
стики ее состояния и иметь возможность оперативно и в наглядной форме
получать необходимые для принятия решений детальные сведения об объ-
ектах управления.
Сейчас эта проблема решается следующим образом. Создают распре-
деленную информационную систему, в которой иерархическое построение
отражает реальную административную подчиненность экологических ор-
ганизаций, регламентирует контроль и управляющие воздействия. Инфор-
мационно-аналитическая система экологических служб города – это рас-
пределенная информационная система, предназначенная для обеспечения
средствами телекоммуникации и математического моделирования задач
организации контроля, анализа и прогноза состояния окружающей среды и
на этой основе обеспечения задач управления качеством среды. Система
многоуровневая и строится по иерархическому принципу в соответствии с
реальной административной и ведомственной подчиненностью экологиче-
ских организаций. Элементы системы – это автоматизированные рабочие
места экологов (АРМ): на промышленных предприятиях, в экологических
службах, в организации здравоохранения, в администрации города и края.
Каждый АРМ, с одной стороны, должен обслуживать интересы своего
владельца, с другой стороны, содержать в себе свойства и функции, отве-
чающие корпоративным потребностям тех ведомственных, администра-
тивных и функциональных подсистем, к которым он относится.
Необходимость обмена информацией и передачи управляющих воз-
действий объединяет АРМы в целостную общегородскую систему. Рас-
пределенная информационная система, в которую входят как природо-
охранные, так и природопользовательские организации, позволяет создать
функциональные (или предметные) информационно-аналитические, экс-
пертные и прогностические подсистемы: экологического мониторинга воз-

10
душного и водного бассейнов; мониторинга здоровья жителей; прогности-
ческие, справочные и экспертные подсистемы. Они организуются за счет
горизонтальных и перекрестных (межведомственных) связей и позволяют
использовать экспертный и модельно-прогностический потенциал эколо-
гических служб и науки. Эти подсистемы обеспечивают решение задач
оценки, анализа и прогноза и на этой основе поддержку принятия решений
природоохранных служб и администраций.
В системе восходящие информационные потоки несут контрольную и
сводную информацию, локальные оценки и прогнозы, а нисходящие – рас-
поряжения, нормативно-методическое обеспечение управляющих реше-
ний, глобальные оценки и прогнозы. Таким образом, можно создать единое
информационное пространство с единой нормативно-методической базой,
необходимой для проведения эколого-экономических экспертиз, для оцен-
ки и прогноза состояния территории и здоровья населения.
Предлагаемая информационно-прогностическая система поможет ор-
ганизовать устойчивую обратную связь в сфере природопользовательских
и природоохранных взаимоотношений на административном, ведомствен-
ном и общественном уровнях. Эффективная обратная связь в системе «че-
ловек – промышленность – окружающая среда» позволит достичь в ней
оптимально-возможного баланса в текущих социально-экономических и
научно-технических условиях.

1.3. Перспективы создания корпоративной системы уп-
равления качеством

После вышеизложенного может возникнуть вопрос, а не утопия ли эта
идеальная схема. Корпоративные интересы городских структур в решении
задач межведомственного взаимодействия при решении задач общегород-
ского масштаба достаточно весомы, а затраты на них не велики. Это глав-
ная причина, по которой возможно создание межведомственных корпора-

11
тивных информационных сетей и систем. Главная причина отсутствия это-
го то, что локальную выгоду можно извлечь раньше чем корпоративную.
Теперь местные примеры. В настоящее время в городе Красноярске
назрела и начала разрешаться потребность в межведомственных взаимо-
действиях субъектов городского хозяйствования. Принят к реализации
проект «Распределенная информационно-аналитическая система природо-
охранных служб Красноярского края». Примечательно то, что в его пер-
вую очередь – «Макет» – вошли основные природоохранные службы горо-
да, семь крупнейших предприятий и Союз товаропроизводителей, пред-
принимателей Красноярского края как организация, представляющая сово-
купный интерес промышленных предприятий края. В городе начаты рабо-
ты по созданию общегородской корпоративной межведомственной ин-
формационной системы для решения задачи комплексного городского ка-
дастра. Таким образом создание управляющих информационных систем
городского масштаба уже началось.
«Макет» определяется как опытно-конструкторская действующая мо-
дель распределенной информационно-прогностической системы природо-
охранных и экологических служб Красноярского края. Она предназначена
для информационного обеспечения природоохранных служб края и города
и для отработки принципов организации и функционирования будущей ин-
формационно-аналитической системы Красноярского края.
“Макет” представляет собой самостоятельно действующий комплекс
производственного назначения. Его составные части – АРМы экологиче-
ских служб – обеспечат работу их пользователей, как абонентов распреде-
ленной информационной системы.


страница 1
(всего 9)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign