Метод контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах на примере новомосковска
На правах рукописи
ГЕРБЕР ЮЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА
МЕТОД КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ
ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ В ГОРОДАХ
НА ПРИМЕРЕ НОВОМОСКОВСКА
05.11.13 «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена на кафедре «Автоматизация производственных процессов» Новомосковского института Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева и на кафедре «Мониторинг и автоматизированные системы контроля» Московского государственного университета инженерной экологии.
| Научный руководитель: Официальные оппоненты: Ведущая организация: | доктор технических наук, профессор Беляев Юрий Иванович доктор технических наук, профессор Бирюков Валентин Васильевич, кандидат технических наук, доцент Лопатин Александр Геннадьевич НПО «Химавтоматика», г. Москва |
Защита состоится 28 октября 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.02 Московского государственного университета инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4, аудитория В-23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Отзывы в двух экземплярах заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105066 г. Москва, ул. Старая Басманная, д. 21/4.
Автореферат разослан ___ сентября 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент Н.В. Мокрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Стремительное развитие научно-технического прогресса и образование городов привело к появлению новых проблем в развитии биосферы, непосредственно связанной с нарушением экологического баланса среды обитания человека.
Особенность динамики атмосферного воздуха в районах с неоднородностью ландшафта местности, приводит к необходимости разработки нового более эффективного метода контроля экологической обстановки воздушной среды города.
Для успешного решения этих проблем, связанных с контролем воздушной среды, необходимо определить наиболее опасные для существования человека загрязняющие факторы, устранение которых даёт наилучший эффект, а также обозначить актуальные проблемы безопасности биосферы города. Физически и экономически невозможно установить приборы контроля атмосферы города в достаточном количестве, поэтому в работе предлагается метод контроля и прогнозирования, основанный на расчётных методиках при минимальных количествах измерительной информации, который на основе карты города и ландшафта местности позволяет получить карту прогноза экологической обстановки воздушной среды города при плановом и аварийном выбросе промышленных газов.
Цель работы. Целью настоящей работы является решение актуальной научно-технической задачи разработки метода контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах и их жилых районах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- изучение особенностей распространения загрязняющих веществ в условиях турбулентности приземного слоя атмосферы с неоднородностью ландшафта;
- разработка методики составления карты прогноза экологического состояния воздушной среды города;
- проведение экспериментального исследования погрешности метода визуализации приземного слоя атмосферы;
- разработка математической модели распространения облака газа в
приземном слое атмосферы;
теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности предложенного метода контроля и прогнозирования промышленных газовых выбросов в городах и его жилых районах.
Методы исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использованы методы помехоустойчивой интерполяции, экспериментального измерения движения воздуха, моделирования явлений переноса газа в воздухе.
Научная новизна:
предложена методика составления карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города и его жилых районов на основе помехоустойчивой интерполяции;
разработан алгоритм и программа прогнозирования распространения облака газа в виде карты экологической обстановки воздушной среды города;
предложена методика визуализации турбулентности приземного слоя атмосферы в виде картограмм линий тока движения воздуха;
на основе помехоустойчивой интерполяции разработана математическая модель распространения облака газа в приземном слое атмосферы города;
предложена методика расчёта распространения облака газа по территории города с учётом ландшафта местности;
предложена методика составления картограмм линий тока движения воздуха, как на местности, так и в жилых районах по экспериментальным данным.
Практическая значимость. Результаты работы предлагается использовать при создании систем экологического мониторинга воздушной среды города для служб ропотребнадзора, МЧС, метеорологии.
Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использовались территориальным управлением роспотребнадзора Новомосковского района, г. Донского, г. Кимовска и Узловского района при подготовке ежегодного муниципального доклада о санитарной эпидемиологической обстановке в муниципальном образовании г. Новомосковска.
Апробация и публикации. По теме диссертационной
работы опубликовано девять печатных работ, в том числе две в журналах, рекомендованных ВАК.
Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. (Пенза, 2009 г.), Окружающая среда и здоровье. (Пенза, 2009 г.), РХТУ им. Д.И.Менделеева, Новомосковский институт, 2008 -2010 гг.
Структура и объём работы. Диссертационная работа
состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и пяти приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 40 рисунков. Список использованных источников включает 130 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность и значимость работы, особенности проблем современного мониторинга состояния воздушной среды города, вытекающие из этих особенностей цели исследования, новизна и задачи, решённые в данной работе.
В первой главе изложены основные методы и средства контроля экологического состояния воздушной среды, приведены основные сведения о системах ветра, наблюдаемых в атмосфере, способы исследований движений атмосферы и основные механизмы наблюдаемых явлений.
Во второй главе излагается разработанный метод контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах, который заключается в том, что составляется математическая модель и на её основе рассчитывается характеристика экологической обстановки (рис. 1).
Рис. 1. Метод контроля и прогнозирования воздушной среды города
Математическая модель распространения облака газа состоит из следующих уравнений:
уравнение ландшафта местности задаётся в виде ряда тригонометрических полиномов:
 | (1) |
где x=(0,…,1) и у=(0,…,1); m – число гармоник; Ak – коэффициент k-ой гармоники; рхк и рук – соответственно порядок гармоники по координатам х и у.
система уравнений турбулентности приземного слоя атмосферы:
 | (2) |
где с(x, y) концентрация газа; x, y координаты точки местности; 
размеры участка местности; 
проекция скоростей на оси координат;
уравнение конвективного переноса газа:
 , | (3) |
где k коэффициент; газа, возд плотность газа и воздуха.
уравнение диффузии газа:
 , | (4) |
где D коэффициент диффузии газа.
Начальное условие распространения облака газа:
 , | (5) |
где 
координаты источника выброса.
Граничные условия остановки распространения облака газа:
 , | (6) |
где 
, 
координаты остановки облака газа.
Время остановки распространения облака газа равно моменту когда 
, 
предельно допустимая концентрация.
Топографическая карта города с обозначениями промышленной и жилой зон необходима при построении математической модели рельефа местности.
В расчётных соотношениях для учёта задаются вид газа коэффициент диффузии и отношение плотности газа к плотности воздуха при данных метеоусловиях.
Турбулентный перенос газа ветром в приземном слое атмосферы отображается в виде картограмм линий тока движения воздуха по рельефу местности.
Результаты расчёта должны отражать траекторию движения облака газ во времени и по ландшафту местности города, а также содержать информацию о метеоусловиях, координатах источника выброса газа. Этим требованиям удовлетворяет предлагаемый документ, который назовём картой прогноза экологической обстановки воздушной среды города. Карта прогноза экологической обстановки воздушной среды – это документ, в котором отражается наихудшая ситуация распространения выброса газа с действующих или вновь строящихся производственных объектов на жилые районы города.
Для составления модели прогноза распространения облака газа в работе были использованы основные положения теории явлений переноса. На их основе для каждой точки данного газа учитываются три вида движения на молекулярном уровне: перемещение воздушными потоками; диффузия и движение в вертикальном направлении.
В вертикальном направлении на частицу действует сила конвекции, которая пропорциональна разности плотностей среды и примеси:
 | (7) |
где
– плотность среды,
; 
– плотность примеси,
; k – коэффициент.
Моделирование процесса диффузии проводится по зависимостям, основанным на первом законе Фика. На рис. 2 представлена расчётная схема перемещения частицы газа в одной элементарной ячейке трёхмерной модели.
Механизм переноса газа в элементарной ячейке учитывается следующим образом: считается, что в ячейках n1, n2, n5, n6 перенос осуществляется под воздействием турбулентного переноса и диффузии, действующей в горизонтальном направлении; в ячейки n3, n4 перенос осуществляется под воздействием конвективной силы и диффузии, действующей в вертикальном направлении.
 |
| Рис. 2. Расчётная схема перемещения частицы газа в одной элементарной ячейке трёхмерной модели |
Расчётное соотношение изменения концентрации в текущем объёме запишется в виде:
 | (8) |
Для расчётной модели турбулентности воздушного потока исходные данные, полученные в реперных узлах в виде значений скоростей V(x, y) и направлений ветра, (x, y) преобразуются в две ортогональные горизонтальные проекции векторов скоростей y(x, y) и x(x, y):
 | (9) |
которые задаются двумя интерполяционными уравнениями:
 | (10) |
где k(x, y) – тригонометрические полиномы; 
– оценка амплитуды для к-й гармоники в соответствующей моделируемой проекции.
На основе расчётов модели прогноза распространения облака газа формируется карта прогноза экологической обстановки города. В качестве примера на рис. 3 изображён фрагмент карты прогноза экологической обстановки воздушной среды г. Новомосковска.
  | Рис. 3. Фрагмент карты прогноза экологической обстановки воздушной среды г. Новомосковска |
На ней указан источник выброса аммиака, изображены промышленная и жилая зоны. Приведены расчёты распространения облака аммиака при северо-западном направлении ветра при разных баллах шкалы Бофорта. Там же указано время остановки движения облака газа. Представленная и разработанная карта прогноза даёт достаточно полную информацию о степени опасности выброса газа.
Поскольку оперативный контроль представляет сложную задачу, то в третьей главе предлагается методика составления карты прогноза экологической обстановки воздушной среды жилого района города,
которая основана на предварительном анализе экспериментальных данных с измерениями потоков движения воздуха жилого района, составления базы данных и применение её в системах оперативного мониторинга.
База данных представляет собой набор картограмм линий тока состояния воздуха жилых районов, отличающихся состояниями движения воздуха жилых районов и видами газов.
Для предварительного анализа степени опасности рассматривались наиболее неблагоприятные ситуации по направлению попадания облака газа на жилые районы города. Эта ситуация отражена в документе, который назван картой прогноза экологической обстановки жилого района города. Расчёты распространения облака газа по жилому району ведутся до полной остановки движения облака газа. На рис.4 представлена карта прогноза распространения облака газа по одной из улицы города. При указанном направлении можно наблюдать распространение СО2 из автомобильных выбросов на жилой район города.
 |
| Рис.4 Карта прогноза распространения облака газа по улицы города |
В четвёртой главе приводится реализация метода контроля и прогнозирования распространения облака газа на основе помехоустойчивой интерполяции, который сводится к следующему.
Предположим:
1) что имеется n детекторов, определённым способом размещённых на отрезке от [0,L] в узлах {xi}.
2) что каждое наблюдение можно представить в виде
 , | (11) |
где 
действительное значение сигнала детектора поля в точке 
;
аддитивная погрешность измерения в точке 
со статистическими характеристиками.
 , | (12) |
где М – оператор математического ожидания.
Необходимо на основе таких исходных данных построить интерполяционное уравнение вида:
 , | (13) |
где 
– искомые коэффициенты;
– n первых функций полной в L2 системе полиномов, которое даёт наилучшее в определённом смысле приближение к истинной функции y(x) на фоне воздействия шума в узлах измерения.
В главе рассмотрено построение математической модели рельефа местности на основе помехоустойчивой интерполяции. Чтобы построить рельеф местности, необходимо на топографической карте города выбрать реперные точки. Первоначально было выбрано 40 реперных точек, которых оказалась достаточным для описания рельефа местности.
По методу помехоустойчивой интерполяции были рассчитаны коэффициенты математической модели и тригонометрические полиномы рельефа местности. Полученные данные представлены в табл. 1.
Таблица 1–Параметры модели рельефа местности
| k, номер гармоники | Ak, коэффициент гармоники | рхк порядок гармоники по координате х | рук порядок гармоники по координате у |
| 0 | 217,11 | 0 | 0 |
| 1 | 9,89 | 2 | 0 |
| 2 | –12,04 | 0 | 1 |
| 3 | –9,99 | 1 | 1 |
| 4 | –5,44 | 0 | 6 |
| 5 | –4,90 | 0 | 8 |
| 6 | –6,05 | 3 | 3 |
| 7 | 5,94 | 5 | 8 |
| 8 | –5,15 | 7 | 5 |
| 9 | –3,64 | 6 | 0 |
| 10 | –3,50 | 4 | 0 |
| 11 | 7,64 | 3 | 1 |
| 12 | –2,73 | 0 | 5 |
| 13 | 5,39 | 5 | 4 |
| 14 | 4,99 | 5 | 3 |
| 15 | –4,00 | 6 | 6 |
В результате проведенных расчётов была получена модель ландшафта исследуемой местности. Графическое изображение результатов моделирования представлено на рис. 5.
 |
| Рис. 5. Изображение рельефа местности Новомосковского района |
В этой же главе были рассмотрены влияния различных факторов на погрешность прогнозирования распространения облака газа. К ним относятся: погрешность метеоданных (скорость и направление ветра); погрешность задания коэффициента диффузии; влияние неоднородности поверхности района.
1. Влияние погрешность метеоданных. Исследование погрешности расчёта обусловлено неточностью задания направления движения ветра. Для этого рассмотрим две ситуации, когда из одного источника облако газа распространяется в двух направлениях смещенных на угол (рис. 6).
 | L – расстояние от источника выброса до фронта облака; – угол отклонения направления ветра; S …Sn – отклонение облака; S=f(T, ) при малых углах. |
| Рис. 6. Распространение облака газа в двух направлениях, смещённых на угол. | |
Отклонение облака газа можно рассчитать по формуле:
 , | (14) |
где k – коэффициент; L длина облака газа; V скорость ветра; – угол отклонения направления ветра.
2. Влияние погрешности задания коэффициента диффузии на определение геометрических размеров облака. Одним из главных параметров облака газа после выброса является его геометрические размеры, которые зависят от скорости ветра, коэффициента диффузии газа и времени от начала выброса.
Площадь облака рассчитывается по формуле :
 , | (15) |
где S0 – площадь облака при V = 0, в случае, когда распространение происходит за счёт диффузии
 , | (16) |
где D – диффузия; k – коэффициент; V – скорость ветра; Т – время от начала выброса.
Погрешность расчета ширины облака рассчитывается по формуле:
 , | (17) |
где k – коэффициент; D – погрешность отклонения задания коэффициента диффузии.
3. Влияние неоднородности поверхности района. На рис. 7 изображены эпюры распространения облака хлора по району города без учёта рельефа (рис. 7 а) и с учётом рельефа местности (рис. 7б).
 | |
| a | б |
| Рис. 7. Эпюры распространения облака хлора | |
Длина и ширина облака получились в обоих случаях 51 км и 3,50,8 км. Погрешность определения составила по ширине 200 м, по длине соответственно 1500 м.
В результате сопоставительного анализа было выявлено, что основными источниками погрешности прогнозирования являются метеоданные (скорость и направление движения ветра).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
- На основе разработанного метода контроля и прогнозирования распространения промышленных газовых выбросов в городах с неоднородностью ландшафта местности и его жилых районах решена актуальная научно–техническая задача оценки экологического состояния воздушной среды города.
- Разработана математическая модель распространения выброса газа на основе помехоустойчивой интерполяции для города.
- Предложена структура карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города.
- Предложена методика составления карты прогноза экологической обстановки воздушной среды жилого района города.
- Составлены карты прогноза экологической обстановки воздушной среды города Новомосковска и его отдельных характерных жилых районов.
- Разработана программа «Прогноз» для прогнозирования распространения облака газа по ландшафту местности.
- Результаты диссертационной работы использованы территориальным управлением роспотребнадзора Новомосковского района, г. Донского, г. Кимовска и Узловского района при подготовке ежегодного муниципального доклада о санитарной эпидемиологической обстановке в муниципальном образовании г. Новомосковска.
Список работ, в которых отражены основные результаты:
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В. Система мониторинга распространения газообразных веществ в атмосфере города /«Датчики и системы», №10(125), Москва, 2009. С. 13 16.
- Беляев Ю.И., Вент Д.П., Гербер Ю.В., Вепренцева О.Н., Латышенко К.П. Экологический мониторинг атмосферы города/ «Химическое и нефтегазовое машиностроение», №8, Москва, 2009.С. 32 34.
- Вент Д.П., Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Вепренцева О.Н. Модели распространения загрязнений атмосферы города Информатика, Экология, Экономика. Вестник международной академии системных исследований (МАСИ). М.: 2007. C. 26 – 28.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Вепренцева О.Н., Методика оперативного прогнозирования экологического состояния атмосферы города. Информатика, Экология, Экономика. Вестник международной академии системных исследований (МАСИ). М.: 2007. C. 26 – 28.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Вепренцева О.Н.. Система мониторинга атмосферы города IX научнотехническая конференция молодых ученых, аспирантов, студентов; Тезисы докладов. / РХТУ им. Д.И. Менделеева, Новомосковский институт. Новомосковск, 2008. C. 182 183.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Бизина С.А. Оперативное прогнозирование состояния атмосферы города, XXVII научная конференция профессорско -преподавательского состава и сотрудников Тезисы докладов/НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Ч. 1. Новомосковск, 2009. С. 142143.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В. Информационные и компьютерные технологии прогнозирования состояния атмосферы города. XI международная научно-практическая конференция. Города России: проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии. МК 14 9, Пенза, 2009. – С. 27 30.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Микаилов Р.И. Основные принципы моделирования атмосферы города как объекта экологического мониторинга. VI Международная научно-практическая конференция. Окружающая среда и здоровье. МК249, Пенза, 2009. – С. 12 15.
- Беляев Ю.И., Гербер Ю.В., Моисеева И.Д. Бизина С.А. Оперативное прогнозирование состояния атмосферы города. Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. Тр. Том XXII, № 7(101). М. : РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. С. 122-123.
Форм. бум. 60х84 1/16. Объём 0,93 усл. п. л. Уч.-изд. л. 1,0.
Печать – ризограф. Тираж 100 экз.
РХТУ им. Д.И Менделеева Новомосковский институт,
Издательский центр
301650 Новомосковск, ул. Дружбы, 8
