Прикладные модели, используемые для прогноза загрязнения атмосферы и оценки его последствий

Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Горюнкова, Ю.Н. Пушилина, Н.А.Телегина
Тульский государственный университет,
г.Тула


В статье рассмотрены прикладные модели, используемые для прогноза загрязнения атмосферы и оценки его последствий, а также о системые автоматизированного экологического мониторинга состояния окружающей среды.

Статья подготовлена по результатам Государственного контракта П619 «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по теме «Разработка технологий мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы крупных промышленных городов» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы

Прикладные модели, используемые для прогноза загрязнения атмосферы и оценки его последствий, представляют собой эмпирически установленные довольно громоздкие наборы правил, справочных данных, табличных и функциональных зависимостей. Наиболее полные из моделей включают в себя также алгоритмы численного решения уравнений в частных производных, требующие задания начальных и граничных условий, которые приходится доопределять в соответствии с анализируемыми ситуациями.

Многие эти проблемы решаются при использовании системы автоматизированного экологического мониторинга состояния окружающей среды. Современная электроника позволяет создавать компактные автономные устройства сбора экологической информации. Эти устройства продолжительное время могут работать без вмешательства человека, фиксируя целый ряд параметров, характеризующих состояние окружающей среды. Современные каналы передачи информации позволяют связать устройства сбора информации в единую сеть.

Задачи, решаемые автоматизированной системой мониторинга состояния атмосферного воздуха промышленного региона следующие:

- сбор, обработка и хранение информации с датчиков контроля;

- экологический анализ информации;

- выработка управленческих решений по снижению антропогенных воздействий промышленных предприятий на окружающую среду;

В основу построения системы положены следующие основные принципы:

- непрерывность - данные о состоянии атмосферного воздуха в месте расположения датчиков контроля отслеживаются в режиме реального времени и через небольшие интервалы времени вся информация передаётся в центр сбора и обработки экологической информации,

- стационарность–датчики контроля состояния атмосферного воздуха выполняются в автономном варианте и после их установки не изменяют своего положения относительно заранее выбранной системе координат,

- открытость - обработанная информация о величине загрязнения воздуха может быть размещены на Интернет-сайте администрации области,

- модульный принцип, предполагающий, что система включает в себя несколько модулей, а именно: модуль контроля загрязнения атмосферного воздуха, модуль сбора и передачи информации (по сети Internet, по каналу RS-232, по радиоканалу) модуль хранения и обработки информации, центр предоставления информации.

Модульный принцип построения автоматизированной системы позволяет в случае необходимости увеличивать количество модулей контроля загрязнения атмосферного воздуха и распределять их по территории промышленного региона.

Модуль контроля загрязнения атмосферного воздуха содержит датчики содержания веществ в воздухе: оксида углерода, диоксида серы, оксидов азота, пыли. Модуль выполнен таким образом, что возможно использование других датчиков в зависимости от состава веществ, загрязняющих атмосферный воздух в месте расположения модуля.

В качестве первичных средств измерения концентраций вредных выбросов в атмосферном воздухе используются газоанализаторы российского производства типа ДАХ-СО-20, ДАХ-SO2-10, газоанализатор ДАХ-NO2-20, анализатор пыли MP101M.

Модуль сбора и передачи информации предназначен для сбора информации о степени загрязнения окружающей среды и формирования канала связи для передачи информации на модуль хранения и обработки информации. После приема информации о степени загрязнения атмосферного воздуха модуль осуществляет передачу данных на модуль хранения и обработки информации по сети Internet, по каналу связи RS-232 (на расстояние до 1500 м) или по радиоканалу (на расстояние до 3000 м).

Вся информация поступает в центр предоставления информации через модуль хранения и обработки информации. Программное обеспечение центра позволяет в режиме реального времени получать оперативную информацию о величине загрязнения атмосферного воздуха промышленного региона, моделировать процессы загрязнения атмосферы и отображать результаты моделирования на электронной карте региона в виде полей концентраций вредных веществ (мг/м3) или долях предельно допустимых концентраций, а также в виде диаграмм, графиков и таблиц по желанию пользователя. В центре проводится накопление и архивирование данных измерений и наблюдений, информационный поиск и доступ к архивной информации, анализ и прогноз динамики загрязнений; управление режимами работы автоматизированной системы.

В центре применяется концепция ГИС-технологий для отображения информации о степени загрязнения атмосферного воздуха на электронной карте и связанных с ними в базах данных.

Система сбора и обработки экологической информации состоит из трёх основных частей. Это центр сбора и обработки информации, стационарные экологические посты и устройства связи между экологическими постами и центром сбора и обработки экологической информации.

Центр сбора и обработки информации представляет собой сервер с соответствующим программным обеспечением и располагается в администрации области. Здесь обрабатывается информация, поступающая со всех стационарных экологических постов. В администрации области располагается рабочее место оператора, задачей которого является отслеживание информации поступающей с экологических постов.

Рабочее место оператора представляет собой персональный компьютер, который подключен к центру сбора и обработки экологической информации. Компьютер оператора оснащён специальным программным обеспечением, позволяющим представлять информацию о состоянии атмосферного воздуха в городе в наглядном виде.

На мониторе оператора отображается электронная карта Тульской области. На карте отмечены точки, расположение которых соответствует расположению стационарных экологических постов, находящихся в различных точках города.

В зависимости от концентрации вредных веществ точки на электронной карте изменяют свои цвета. Жёлтый цвет точки свидетельствует о том, что концентрация веществ в месте расположения стационарного экологического поста находится ниже уровня ПДК. Если точка становится светло-коричневой, то это свидетельствует о том, что концентрация какого-либо вещества или группы веществ приближается к значению ПДК для этого (этих) веществ. Красная точка сигнализирует о превышении ПДК и одновременно с этим срабатывает звуковая сигнализации, которая срабатывает в течении всего времени превышения уровня ПДК с периодичностью 10 мин. В том случае, если цвет точки изменился на чёрный, следует принимать необходимые, жёстко регламентируемые, управленческие решения, так как чёрный цвет точки свидетельствует о том, что уровень ПДК превышен более чем в 10 раз.

При двойном нажатии на любую точку на экран компьютера выводится таблица. В первом столбце таблице приводится список вредных веществ и метеорологических параметров окружающей среды в месте расположения стационарного экологического поста соответствующего выбранной точки на электронной карте области. Во втором столбце приводятся численные значения концентраций соответствующих вредных веществ и метеорологических параметров окружающей среды в реальный момент времени.

При несоответствии значений концентраций нормам ПДК элемент выделяется красным цветом. Третий столбец таблицы содержит информацию о ПДК для каждого из измеряемых параметров.

При двойном нажатии на наименование любого вредного вещества или метеорологического параметра на монитор выводится суточный отчёт по данному параметру. В отчёте указывается наименование измеряемого параметра и меняющееся во времени его числовое значение.

Экологический пост состоит из персонального компьютера с установленным специальным программным обеспечением, блока датчиков, соединённых с контролером, для измерения различных параметров атмосферного воздуха (концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, температуры окружающей среды, скорости и направления ветра, относительной влажности) и устройства связи с центром сбора и обработки информации.

Датчики формируют специальные сигналы, которые поступают на контроллер, где они преобразовываются и далее передаются на персональный компьютер. Благодаря специально разработанному программному обеспечению сигналы с контроллера на компьютере преобразовываются в отчёт, который поступает на устройство связи с центром сбора и обработки информации и далее различными способами передаётся на устройство связи со стационарными экологическими постами. Устройство связи со стационарными экологическими постами передаёт отчёт в центр сбора и обработки информации, где отчёт о состоянии атмосферы преобразовывается и выводится непосредственно на экран компьютера в виде цифровых данных и графической информации, представленной на электронной карте.

Связь между устройством связи со стационарными экологическими и устройством связи с центром сбора и обработки информации может осуществляться следующими способами:

- прямое проводное соединение (при условии небольшого расстояния между двумя устройствами связи);

- соединение по телефонным линиям;

- при помощи Interneta;

- посредством радиомодема (при значительном удалении от узлов телефонной связи и сети Internet).

Библиографический список:

1. Соколов Э.М. Программный комплекс информационной поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, возможных при разливе аварийно-химически опасных веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова // Безопасность жизнедеятельности. Приложение. № 9, 2005.

2. Соколов Э.М. Анализ и управление чрезвычайными ситуациями на химически опасных производственных объектах / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. - 158 с.

3. Соколов Э.М. Проблемы повышения эффективности принятия управленческих решений при авариях с выбросом опасных химических веществ / Э.М. Соколов, В.М. Панарин, А.А. Зуйкова // Современные проблемы экологии и безопасности: вторая Всероссийская научно-техническая Интернет-конференция: сб. матер. конф. / под ред. Э.М. Соколова. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006.


Назад к списку