Дослідження забруднення повітря автотранспортом за допомогою математичного моделювання

ЗМІСТ

ВСТУП …………………………………………………………………………….3

1.   Характеристика основних забруднювачів повітря: класифікація, характеристика та вплив на здоров’я людини. 3

1.1    Атмосфера: її склад, роль та функції 3

1.2    Основні види забруднення повітря. 3

1.3    Вплив шкідливих домішок в повітрі на здоров’я людини. 3

2.   Формалізація задачі. Вхідні ті вихідні змінні. Змінні стану та управління. Методи та алгоритми їх оцінювання. Побудова математичної моделі екосистем. 3

3.   Моделювання системи. 20

ВИСНОВКИ……………………………………………………………………...21

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ …………………………………………………………24

 

ВСТУП

Запропонована курсова робота присвячена дослідженню забруднення атмосферного повітря автотранспортом за допомогою математичного моделювання.

Транспортно-дорожний комплекс  є одним з найбільших джерел забруднення навколишнього середовища. Окрім цього, транспорт –  основне джерело шуму у містах, а також джерело теплового забруднення.

Актуальність даної роботи полягає у пошукові рішення контролю забруднення атмосферного повітря автотранспортом. Вихлопні гази накопичуються у нижніх шарах атмосфери, тобто шкідливі речовини знаходяться в зоні дихання людини. Тому автомобільний транспорт варто віднести до категорії найнебезпечніших джерел забруднення повітря поблизу автомагістралей. Головним завданням державного контролю являється жорсткий контроль контролю забруднення атмосферного повітря автотранспортом.

Метою даної курсової роботи є визначити оптимальний обсяг квот викиди в атмосферу автотранспортом, таким чином, щоб кількість автотранспорту була максимальною, але не становив небезпеки для навколишнього середовища і здоров’я людини в цілому .

Завдання курсової роботи – побудувати математичну модель і дослідити співвідношення автотранспорту та кількості створюваного ним забруднення атмосфери, при якому даний вилов не нестиме загрозу навколишньому середовищу і здоров’ю людини.

 

1 Характеристика основних забруднювачів повітря: класифікація, характеристика та вплив на здоров’я людини

1.1Атмосфера: її склад, роль та функції

 

Атмосфера - газова оболонка Землі, формування якої відбувалось в результаті геологічної еволюції і безперервної діяльності живих організмів. Склад сучасної атмосфери знаходиться в стані динамічної рівноваги, яка підтримується живими організмами, Світовим океаном, геохімічними явищами як природного, так і антропогенного походження глобального масштабу [1, 2].

Атмосфера ділиться та три основні частини: нижню - тропосферу; середню - стратосферу і верхню - іоносферу. В тропосфері зосереджено близько 80% маси повітря, основна маса атмосферних домішок, більша частина водяної пари. Стратосфера поширена до висоти 60км. На висоті 20-25км розташований шар з підвищеною концентрацією озону (озоновий шар). Вона розріджена, з незначним вмістом вологи. Іоносфера простежується на висоті до 2000 км. Вона поділяється на мезосферу і термосферу. Повітря знаходиться в ній в іонізованому стані.

Маса атмосфери складає 1/1000000 маси Землі. Однак її роль і значення в житті планети є надзвичайно важливі. Атмосфера виконує наступні функції:

  • містить кисень, необхідний для дихання живих організмів;
  • є джерелом вуглекислого газу для фотосинтезу рослин;
  • захищає живі організми від космічних випромінювань;
  • зберігає тепло Землі і регулює клімат;
  • трансформує газоподібні продукти обміну речовин;
  • переносить водяну пару по планеті;
  • є середовищем життя літаючих форм організмів;
  • служить джерелом хімічної сировини й енергії;
  • приймає і трансформує газоподібні і пилоподібні відходи.

Захисні функції атмосфери проявляються з одного боку в екрануванні земної поверхні від попадання на неї різноманітних космічних тіл (метеорів, метеоритного пилу), більшість яких згоряє в щільних шарах атмосфери. Озон відіграє надзвичайно важливу роль. Він поглинає частину інфрачервоного випромінювання Землі. Завдяки цьому озон затримує близько 20% теплового випромінювання Землі; регулюючи глобальний температурний баланс. Водночас стратосферний озон виконує роль фільтру для космічної та сонячної радіації, надійно захищаючи живі організми від надмірного ультрафіолетового проміння.

Кліматорегулюючі функції атмосфери проявляються в регуляції нею основних кліматичних параметрів: температури, вологості, тиску, швидкості і напрямку вітру. Завдяки атмосферній регуляції основних кліматичних параметрів на Землі представлені різноманітні кліматичні пояси і погодні умови. Присутність атмосфери істотно нівелює добові і сезонні контрасти температур біля земної поверхні. Циркуляція атмосфери виступає одним із провідних кліматоутворюючих чинників [3].

Атмосфера регулює інтенсивність протікання процесів кругообігу речовин і енергії, кожен з яких проходить атмосферну стадію. В залежності від прозорості атмосфери регулюється процес проникнення до земної поверхні сонячних променів.

Іони, які утворились в атмосфері під дією земного радіаційного випромінювання і космічних променів, позитивно впливають на живі організми.

Атмосфера - невід’ємна складова частина середовища існування живих організмів. Повітря насичує воду і пронизує ґрунти і гірські породи. Води насичені атмосферними газами, вони присутні в ґрунтах і гірських породах.

Атмосферні гази: кисень, вуглекислий газ і азот приймають безпосередню участь в біохімічних циклах і є важливими чинниками функціонування різноманітних екосистем [4, 5].

Нормальний хімічний склад повітря: азот-78,08 %, киснь-20,94 %, інертні гази-0,94 %, діоксид Карбону-0,04 %. Ці показники в приземному шарі можуть коливатися в незначних межах. Людині головним чином потрібен кисень, без якого вона не зможе жити, як і решта живих організмів. Але зараз вивчено і доведено, що інші складові частини повітря також мають велике значення. У невеликій кількості в атмосфері містяться водень, метан, діоксид Нітрогену, сірководень, а також водяна пара (до 0,42 % від об'єму атмосфери, або 0,2 % її маси).

1.2Основні види забруднення повітря

 

Але в сучасному світі неможливо зберегти сталий склад атмосфери, а отже і хімічний склад повітря. Повітряна оболонка містить в собі значну кількість небажаних домішок. Найчистішою є атмосфера над океанською поверхнею, високо в горах, найзабрудненішою є біля джерел природного чи антропогенного походження. Крім того за походженням атмосфери забруднення поділяють на природне і штучне; за хімічним дисперсним складом - на газове і аерозольне; за дією на організм, навколишнє середовище і матеріальні цінності - на позитивне і негативне [5].

До природних джерел атмосферного забруднення відносять пилові бурі, виверження вулканів, космічний пил і т.п. Продукти природного забруднення атмосфери на 3/4 складені із неорганічних речовин. Це продукти вивітрювання гірських порід, частинки ґрунтів, попіл, сіль, вуглеводні спирти, органічні кислоти, ефіри, альдегіди.

Штучне забруднення атмосфери є результатом діяльності промислових підприємств, транспортних засобів, утилізації побутових відходів. Основним джерелом штучного забруднення атмосфери також є підприємства комунального сектора, сільського господарства. Атмосферні забруднювачі поділяють на первинні, які безпосередньо поступають в атмосферу, і вторинні, які є продуктом перетворення первинних. Так сірчистий газ окислюється до сульфатного ангідриду, який при взаємодії з водяною парою утворює сульфатну кислоту. Подібним чином в результаті хімічних, фотохімічних, фізико-хімічних реакцій між забруднюючими речовинами і компонентами атмосфери утворюються вторинні забруднювачі.

Атмосфера забруднюється в результаті впливу різноманітних факторів: промисловості, побутових котелень, транспорту тощо. Серед галузей промисловості головними джерелами атмосферних забруднень виступають: електроенергетика (27%), металургія (26%), будівельна індустрія (13%). Підприємства теплоенергетики, металургійних і хімічних галузей, котельні установки споживають щороку близько 70% твердого і рідкого палива, яке видобувається. В результаті їх діяльності в атмосферу виділяються шкідливі газові викиди.

Найпоширенішими шкідливими газовими забруднювачами є: оксиди сульфуру (ІV і VІ) - SO2, SO3; сірководень (Н2S); сірковуглець (СS2); оксиди нітрогену - NОx; бензопірен; аміак; сполуки хлору; сполуки флуору; сірководень; вуглеводні; синтетичні поверхнево-активні речовини; канцерогени; важкі метали; оксиди карбону (ІІ і ІV) - СО, СО2 [2].

Розглянемо деякі з них:

– Вуглекислий газ – продукт згорання палива, яких щорічно потрапляє в атмосферу понад 2 млрд. т. Нешкідливий для людського організму, використовується в побуті, господарських цілях. Особливу небезпеку створює вуглекислий газ, затримуючи теплове випромінювання в приземному шарі атмосфери. Ця властивість вуглекислоти в атмосфері отримала назву парникового або оранжерейного ефекту;

– Оксид карбону ІІ виникає при неповному згорянні вуглецевих речовин. У повітрі опиняється в результаті спалювання твердих відходів, з вихлопними газами й викидами промислових підприємств. Щорічно цього газу надходить в атмосферу не менш 250 млн. т. Газ без запаху, кольору, смаку. Оксид карбону ІІ - це сполука, що активно реагує зі складовими частинами атмосфери, він сприяє підвищенню температури на планеті й створенню парникового ефекту [1, 2, 3].

– Сірчистий ангідрид виділяється при спалюванні вугілля, переробці сірчистих руд (до 70 млн. т на рік), в процесі згоряння сульфуровмісного палива і т. і. Обсяги річних викидів атмосферу складають близько 200 млн. т. Окислення сірчистого ангідриду відбувається про фотохімічних і каталітичних реакціях. Формується аерозоль або розчин в дощовій воді, який підкислює ґрунти, водойми, прискорює корозію металів, загострює захворювання дихальних шляхів людини.

– Сірчаний ангідрид утворюється при окислюванні сірчистого ангідриду. Кінцевим продуктом реакції стає аерозоль або розчин сульфатної кислоти в дощовій воді, що підкислює грунт, загострює захворювання дихальних шляхів людини. Випадання аерозолю сульфатної кислоти з димових факелів хімічних підприємств спостерігається при низькій хмарності й високій вологості повітря. Листяні пластинки рослин, що ростуть на відстані меншій за 1км від таких підприємств, звичайно бувають густо засіяні маленькими некротичними плямами, що утворилися в місцях осідання крапель сульфатної кислоти. Пірометалургійні підприємства кольорової й чорної металургії, а також ТЕС щороку викидають в атмосферу десятки мільйонів тонн сульфатного ангідриду [4].

Сірководень і сірковуглець надходять в атмосферу окремо або разом з іншими сполуками Сульфуру. Основними джерелами викиду стають підприємства з виготовлення штучного волокна, цукру, коксохімічні, нафтопереробні заводи, а також нафтопромисли. В атмосфері при взаємодії з іншими забруднювачами повільно окислюються до сульфатного ангідриду.

Оксиди Нітрогену утворюються при згоранні палива, виробництві добрив, кислот, віскозного шовку, целулоїду. Основними джерелами викиду є підприємства, що виробляють азотні добрива, азотну кислоту й нітрати, анілінові барвники, нітросполуки, віскозний шовк, целулоїд. Щороку в атмосферу від індустріальних джерел поступає близько 20 млн. т нітрогенвмісних сполук.

Сполуки хлору поступають в атмосферу від підприємств хімічної промисловості, виробництва пестицидів, органічних барвників, гідролізного спирту, соди, соляної кислоти. В атмосфері спостерігаються як домішки в молекули хлору і парів хлоридної кислоти. Токсичність хлору визначається видом сполук та їхньою концентрацією.

Сполуки флуору виділяються в атмосферу підприємствами по виробництву алюмінію, сталі, емалей, скла, кераміки, фосфоритних добрив. Флуоровмісні речовини надходять в атмосферу у вигляді газоподібних сполук - фтороводню або пилу флуориду натрію й кальцію. Похідні флуору є сильними інсектицидами і характеризуються особливо сильним токсичним ефектом. Надмірна концентрація фтористих сполук в кормах викликає хронічну інтоксикацію тварин, яку називають флуроозом. Дуже чутливими до сполук фтору є комахи [2].

У металургійній індустрії при виплавці чавуна й переробці його на сталь відбувається викид в атмосферу різних важких металів і отруйних газів. Так, у розрахунку на 1 т граничного чавуна виділяється крім 2,7кг сірчистого газу і 4,5кг пилових частинок, що складаються зі сполук Арсену, Фосфору, Стибію, Плюмбуму, пари ртуті й рідкісних металів, смоляних речовин гідроген ціаніду водню.

Розрізняють такі види забруднення: хімічне, автомобільними викидами, аерозольне, вуглеводневе, радіаційне, шумове, електромагнітне.

Але найсильніше позначається на навколишньому середовищі забруднення продуктами хімічних перетворень. Хімічні забруднення - тверді, газоподібні й рідкі речовини, хімічні елементи й сполуки штучного походження, які надходять - у біосферу, порушуючи встановлені природою процеси кругообігу речовин і енергії.

Викиди та витоки небезпечних хімічних речовин, загорання різних матеріалів, обладнання, будівельних конструкцій, аварії на транспорті при перевезенні небезпечних хімічних речовин, вибухових та пожежонебезпечних вантажів супроводжуються забрудненням навколишнього середовища. Хімічні аварії є дуже небезпечними, бо хімічні викиди здатні розповсюджуватись на значні території, де можуть виникати великі зони забруднення навколишнього середовища. До числа небезпечних для здоров'я людини газоподібних сполук, які забруднюють атмосферу, можна віднести: С12, НС1, HF, HCN, SO3, SO2, CS2, CO, СО2, NH3, COC13, оксиди Нітрогену та інші.

Важливим джерелом атмосферних забруднень є транспортні засоби всіх видів. Автомобільні викиди - це суміш близько 200 речовин, серед яких альдегіди з різким запахом і сильною подразливою дією, канцерогенні речовини, які можуть викликати ракові захворювання та інші.

Середньостатистичний автомобіль за рік пробігу забирає з атмосфери 4,35 т кисню, викидаючи 3,25 т вуглекислого газу, 0,53кг оксиду Карбону, 0,093 т вуглеводнів, 0,027 т оксидів Нітрогену. Наприкінці ХХ століття у світі нараховувалось близько 1 млрд. автомобілів.

Автомобільний транспорт забруднює головним чином атмосферу трьома основними каналами:

  • відпрацьованими газами що викидають через вихлопну трубу;
  • картерними газами;
  • вуглеводнями внаслідок випаровування палива з бака, карбюратора та трубопроводів.

У складі відпрацьованих газів автомобіля найбільшу питому вагу за об’ємом мають - монооксид Карбону (0,5 - 10%), оксиди Нітрогену (до 0,8%) неспалені вуглеводні (0,2 - 3%), альдегіди (до 0,2%) та сажа [5].

У абсолютних величинах на 1000л палива карбюраторний двигун викидає з вихлопними та картерними газами: 200кг монооксиду вуглецю, 25кг вуглеводів, 20кг азоту, 1кг сансі, 1кг сірчастих сполук.

Також негативно впливають на атмосферу накопичення вуглекислого газу, кількість якого, на жаль, чимдалі збільшується. Це може призвести у найближчому  майбутньому до збільшення середньорічної  температури  на     Землі.

Основними джерелами забруднення повітря над сільською місцевістю є тваринницькі і птахокомплекси, агрохімічні склади, сховища протравленого насіння, поля з внесеними на них отрутохімікатами і мінеральними добривами.

Аерозольне забруднення також відносять до атмосферних забруднень. Аерозолі – це тверді чи рідкі мікроскопічні частини, що знаходяться у завислому стані в атмосфері. Тверді компоненти аерозолей техногенного походження – це продукти діяльності теплових електростанцій, збагачувальних фабрик, металургійних, магнезитових, цементних, сажових заводів.

Тверді компоненти аерозолів дуже небезпечні для живих організмів, у людей вони викликають специфічні захворювання. Розрізняють пасивні та активні аерозолі в залежності від їх дії на організм людини. Пасивні аерозолі акумулюються на стінках органів дихання і можуть викликати ряд захворювань при певних концентраціях. Активні аерозолі залучаються до процесу кровообігу і є більш небезпечними для людського організму, тому що можуть викликати різноманітні захворювання, потрапляючи в клітини організму людини [1].

Одним із найяскравіших представників аерозольного забруднення атмосфери є органічний пил, що містить у собі аліфатичні й ароматичні вуглеводні, солі кислот. Він утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, у процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних та інших подібних підприємствах.

В атмосфері аерозольні забруднення також можна спостерігати у вигляді диму, туману, імли або серпанка. За певних погодних умов в приземних шарах атмосфери відбуваються особливо значні скупчення газоподібних і аерозольних домішок, які отримали назву смогів. Смоги вкрай небезпечні за своєю фізіологічною дією для органів дихання, кровоносної системи.

До атмосферних забруднювачів належать вуглеводні - насичені й ненасичені, що включають від 1 до 13 атомів Карбону. Вони можуть зазнавати різних перетворень, окиснення, полімеризації, особливо якщо почнуть взаємодіяти з іншими атмосферними забруднювачами після збудження сонячною радіацією. Результатом цих реакцій стає поява перекисних сполук, вільних радикалів, сполук вуглеводнів з оксидами нітрогену й сульфуру, часто у вигляді аерозольних частинок. За деяких погодних умов у приземному шарі повітря можуть формуватися особливо великі скупчення шкідливих газоподібних й аерозольних домішок. Звичайно це трапляється, коли в шарі повітря прямо над джерелами газопилової емісії відбувається інверсія - розташування шарів холоднішого повітря під теплим, що перешкоджає рухові повітряних мас і затримує перенесення домішок угору. У підсумку шкідливі викиди концентруються під шаром інверсії, вміст їх у повітрі різко зростає, що стає однією з причин утворення раніше невідомого в природі фотохімічного туману.

До специфічних атмосферних забруднень належить радіаційне - забруднення радіоактивними аерозолями, які поступають в атмосферу з ядерними вибухами, аваріями на об’єктах атомної енергетики, утилізації і переробки відпрацьованого ядерного палива, військових конфліктах. В подальшому атмосферна радіація поступає в ґрунти, водні розчини, живі організми. Радіоактивні забруднення викликають ракові захворювання та захворювання генетичного апарату людини [3].

Шумове забруднення атмосфери  –  одна з форм хвильового, фізичного забруднення, адаптація організму до нього є неможливою. Інтенсивність шумового забруднення (тиску) вимірюється в децибелах (дБ). Шуми інтенсивністю 30-80 дБ не наносять шкоди людському організму. Водночас шуми інтенсивністю 85 дБ і більше призводять до фізіологічних і психологічних негативних наслідків на нервову систему, сон, емоції, працездатність.

Електромагнітне забруднення особливо відчутне в умовах міських поселень, де рівень електромагнітних полів в сотні раз перевищує рівень природних полів. Напруга електромагнітних полів (ЕМП) в 1000 в/м викликає несприятливий вплив ЕМП на людський організм, який проявляється у порушенні нервової системи, ендокринного апарату, обмінних процесів.

1.3Вплив шкідливих домішок в повітрі на здоров’я людини

 

Протягом усього часу свого існування людина була нерозривно пов'язана з природою. Але з моменту виникнення високо індустріального суспільства ми все більше втручаємося в її життя. На сьогоднішньому етапі це втручання загрожує повним знищенням природи. Постійно витрачаються невідновлювані види сировини, число орних земель катастрофічно скорочується, тому що вони стають місцем будівництва нових міст і промислових підприємств. Людина почала втручатися у функціонування біосфери - тієї частини нашої планети, де, власне, й існує життя. Крім того останнім часом значно погіршився екологічний стан атмосфери. Змінився склад повітря. З’явилася ціла низка хвороб, спричинених появою в повітрі, яким ми дихаємо, різноманітних шкідливих речовин [2].

Атмосферне повітря населених пунктів постійно забруднюється і за всіма параметрами докорінно відрізняється від повноцінного природного повітря, яке є чистим і стимулює біологічні процеси. У людей, які проживають у районах з інтенсивно забрудненим повітрям, є зміни показників імунобіологічного статусу організму. У водіїв і пасажирів автобусів змінюються показники розумової та фізичної працездатності.

Розрізняють місцеву і загальну дію біологічного ефекту забруднення повітря. Місцева дія може спричинювати гострі захворювання дихальних шляхів і легенів. Загальна дія зводиться до того, що більшість цих речовин діє на процес обміну речовин. Часто перед загальною дією має місце місцева дія, тому загальна дія завжди повинна розглядатись у сукупності з місцевою дією. Можуть бути захворювання, які є характерними обмінними захворюваннями, але виникли внаслідок загальної дії  повітряних  забруднень [3].

Найбільш поширеною шкідливою домішкою повітряного середовища є монооксид вуглецю. При вдиханні цього газу наступає швидка втомлюваність, головний біль, запаморочення, порушення сну, не стабільність настрою, послаблення пам'яті, порушення діяльності серцево-судинної системи та інших систем організму. Оксид КарбонуII утворює з гемоглобіном крові стійку сполуку – карбоксигемоглобін, який блокує транспорт кисню в організм.

Доведений прямий зв'язок між концентрацією бензопірену в повітрі і смертністю від раку легенів. Взагалі смертність від раку легенів серед мешканців міст вдвічі більша, ніж серед мешканців села.3 тих елементів, які забруднюють повітря, виникненню раку легенів крім бензопірену сприяють молібден, арсен, цинк, ванадій і кадмій. У загазованих районах від раку легень вмирає у 10 разів більше людей, ніж у віддалених передмістях. У відпрацьованих газах автомобілів постійно присутній також свинець, внаслідок чого у крові у водіїв і пасажирів знаходять його кількість, шкідливу для здоров'я. Чим більше свинцю в повітрі, тим більше його в крові, і це веде до зниження активності ферментів, що беруть участь у насиченні крові киснем, і до порушення обмінних процесів в організмі [2].

У містах швидко зростає кількість захворювань на кон'юнктивіт, екзему, фарингіт, ларингіт внаслідок забруднення атмосфери оксидом вуглецю, оксидами азоту, аміаком, вуглеводнями, сірчистим газом, формальдегідом, фторидами, аерозолями сульфатної кислоти, поверхнево-активними речовинами тощо, які викликають отруєння, а, крім того, знижують імунобіологічні властивості організму.

Оксиди азоту викликають подразнення слизових оболонок верхніх дихальних шляхів і в тяжких випадках можуть призвести до смерті внаслідок набряку легенів. Захворюваність на пневмонію, інфаркт міокарда, алергічні хвороби, зокрема бронхіальну астму, також пов'язана із забрудненням повітря. Негативний вплив факторів навколишнього середовища на організм людини може проявлятись у вигляді запалення, дистрофічних змін, алергічного стану, порушення у розвитку плоду і пошкодження спадкового апарату клітини, 70-80% усіх випадків раку викликані дією хімічних канцерогенів. Вже тепер близько 4% новонароджених відрізняється генетичними дефектами, які ведуть далі до виражених спадкових захворювань.

Забруднення атмосферного повітря сприяють появі підвищеної кількості запальних захворювань органів дихання і очей, захворювань серцево-судинної системи, інфекційних захворювань, раку легенів. Люди, які проживають у районах, забруднених атмосферними викидами, часто мають низькі масу тіла і рівень фізичного розвитку, а також функціональні відхилення серцево-судинної і дихальної систем. Захворюваність хворобами органів дихання становить в середньому 73,5% від загальної захворюваності.

Внаслідок науково-технічної революції і урбанізації нашої планети навколишнє середовище неухильно погіршується в результаті антропогенної діяльності, яка піддає його щораз більшій дії фізичних, хімічних і біологічних навантажень. Люди вже не спроможні адаптуватися до цих швидких і глобальних змін. Крім того, постала проблема демографічного вибуху і обмеженості природних ресурсів та життєвого простору Земної кулі.

Внаслідок катастрофічного погіршення стану навколишнього середовища загальний рівень здоров'я населення України в останні роки різко знизився. Смертність перевищила народжуваність. Порушились генетичні процеси, народження дітей з різними спадковими хворобами збільшилось у 2-4 рази. Україна посіла перше місце в світі за рівнем дитячої смертності. Зменшилась тривалість життя людей на 6 років, виріс показник первинної інвалідизації [4, 5].

Значно збільшилась кількість серцево-судинних захворювань, особливо інфаркту міокарда та ішемічної хвороби серця, судинних уражень мозку, захворювань на рак, бронхіальну астму, цукровий діабет, алергічних захворювань та захворювань травного каналу.

 

2.Формалізація задачі. Вхідні ті вихідні змінні. Змінні стану та управління. Методи та алгоритми їх оцінювання. Побудова математичної моделі екосистем

 

Статистичні дані про кількість викидів від автотранспорту та частоту захворювань органів дихання за кожним районом Вінницької області наведено в [7, 8]. Враховуючи, що площі різних районів Вінницької області суттєво відрізняються, замість абсолютних величин викидів використовуватимемо відносні, а саме масу викидів на 1 кв. км. Відповідні початкові дані зведемо у табл.2.1 та табл. 2.2.

Таблиця 2.1– Маса викидів на 1 кв. км

Район

2005р.

2006р.

2007р.

2008р.

2009р.

2010р.

1

Барський

1,67

1,77

2,22

2,31

2,19

2,27

2

Бершадський

2,39

2,55

3,05

3,37

3,29

3,09

3

Вінницький

2,38

2,56

3,42

3,56

3,31

3,49

4

Гайсинський

2,29

2,39

3,22

3,08

2,75

2,85

5

Жмеринський

0,73

0,73

1,4

1,57

1,44

1,48

6

Іллінецький

1,85

1,86

2,38

2,51

2,25

2,34

7

Калиньвський

2,25

2,35

3,06

3,14

2,81

2,81

8

Козятинський

1,17

1,17

2,06

2,16

1,85

1,83

9

Крижопільський

2,11

2,27

2,83

3,32

2,96

3,02

10

Липовецький

1,45

1,47

2,05

2,29

2,05

2,09

11

Літинський

1,43

1,54

1,96

1,91

1,82

1,88

12

Могилів-Подільський

0,92

0,97

1,57

1,68

1,6

1,67

13

Мурованокуриловецький

0,91

0,96

1,41

1,49

1,47

1,44

14

Немирівський

1,68

1,72

1,97

2,06

1,94

1,92

15

Оратівський

1,17

1,19

1,76

1,85

1,71

1,78

16

Піщанський

1,15

1,25

1,64

1,69

1,61

1,62

17

Погребищенський

1,05

1,10

1,62

1,65

1,61

1,61

18

Теплицький

1,31

1,43

1,94

2,07

1,89

1,94

19

Тиврівський

1,72

1,87

2,36

2,59

2,32

2,38

20

Томашпільський

2,3

2,26

2,9

2,86

2,78

2,78

21

Тростянецький

1,59

1,69

2,2

2,28

2,17

2,25

22

Тульчинський

2,73

2,75

2,55

2,65

2,47

2,57

23

Хільницький

0,62

0,66

1,56

1,7

1,53

1,65

24

Чернівецький

0,97

1,02

1,92

1,92

1,84

2

25

Чечельницький

0,98

1,06

1,34

1,4

1,34

1,39

26

Шаргородський

1,68

1,71

2,58

2,59

2,33

2,46

Таблиця 2.2 – Частота захворювань органів дихання (випадків на 10 тис.осіб)

2005р.

2006р.

2007р.

2008р.

2009р.

2010р.

1

Барський

2800

2830

3100

3130

3100

2992

2

Бершадський

4000

4050

3975

3975

3880

3976

3

Вінницький

4735

4781

4786

4780

4720

4760,4

4

Гайсинський

4700

4750

4750

4700

5050

4790

5

Жмеринський

3500

3550

3075

2850

3065

3208

6

Іллінецький

2800

2950

3100

3150

5750

3190

7

Калиньвський

5800

6000

5750

5700

4750

5800

8

Козятинський

4400

4350

4400

4450

4100

4470

9

Крижопільський

3950

4000

4050

4075

4900

4035

10

Липовецький

5000

5050

5050

4850

5900

4970

11

Літинський

5700

5750

5850

5850

3930

5810

12

Могилів-Подільський

3650

3750

3950

3750

4000

3806

13

Мурованокуриловецький

3900

4000

3900

4000

4000

3960

14

Немирівський

4000

4100

4250

4400

4425

4235

15

Оратівський

3900

4000

4075

4650

5200

4365

16

Піщанський

4000

4100

4150

4850

4800

4380

17

Погребищенський

4250

4300

4800

4300

4700

4470

18

Теплицький

4900

5000

5750

4950

5850

5290

19

Тиврівський

3400

3500

3750

3700

3750

3620

20

Томашпільський

3850

3900

4050

4450

4500

4150

21

Тростянецький

3400

3500

4000

4000

4650

3910

22

Тульчинський

3450

3900

3750

4000

4050

3770

23

Хмільницький

4950

5000

5150

4450

4800

4870

24

Чернівецький

3625

3800

3800

3800

4500

3905

25

Чечельницький

2100

2300

2400

2600

2900

2460

26

Шаргородський

5000

5200

5250

5000

5000

5090

27

Ямпільський

3000

3200

3900

3500

3850

3490

 

 

Вибірку даних з табл. 2.1 та 2.2 запишемо таким чином:

де  — щільність викидів від автотранспорту та частота захворювань органів дихання; в i‑му районі в t‑му році.

Задача ставиться таким чином: знайти регресійну модель y f = (x), для якої середня квадратична нев’язка на вибірці (2.1) є мінімальною.

Регресійні моделі

За типовим регресійним аналізом отримано лінійну та квадратичну моделі з великими нев’язками RMSE = 812,1 та RMSE = 811,7. Нев’язки майже однакові, тому підвищувати порядок полінома немає сенсу.

За розподілом експериментальних даних евристично виявлено розшарування на 2 кластера з візуально помітною корельованістю між щільністю викидів та частотою захворювань. Відповідно з 27 районів сформуємо 2 групи (A і B), для кожної з яких визначимо свою регресійну залежність. В групу включимо усі райони, для яких середнє відношень частоти захворювань до щільності викидів за 2005-2010 рр. менше за деякий поріг T . Усі інші райони сформують групу .

 

  1. Моделювання системи

Виконаємо моделювання системи, використовуючи  Mathcad. Математично це розбиття запишемо таким чином

 

Рисунок 3.1 Щільність викидів від автотранспорту

 

Після цього, для кожної із груп побудуємо лінійні регресійні моделі. Поріг T оберемо таким чином, щоб нев’язка на усій вибірці (2.2) була б мінімальною. В результаті вирішення цієї задачі райони розбито на такі групи:

A={1, 2, 3, 4, 6, 9, 19, 20, 21, 22, 25, 27}

та B={5, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 23, 24, 26}. Регресійні моделі є такими:

  • для групи A – y = + 1593,3 897x ;
  • для групи B – y = + 3224,3 801,7x .

Рисунок 3.2 – Кількість районів у групі А

Результати моделювання добре збігаються з експериментальними даними з нев’язкою . З рис. 4 випливає, що для обох груп районів збільшення щільності викидів від автотранспорту майже однаково відбивається на прирості захворювань органів дихання. Але в районах групи приблизно в 2 рази вище фоновий рівень таких захворювань, який можна визначити за отриманими регресійними моделями за відсутності забруднень від автотранспорту.

Рисунок 3.3 – Зіставлення даних та результатів моделювання

Рисунок 3.4 – Теоретичні та експериментальні досліджувані залежності

 

 

ВИСНОВКИ

Оскільки навантаження на атмосферне повітря збільшується, нам потрібно звести до мінімуму. Через постійне збільшення кількості автомобілів збільшується і кількість забрудників, які потрапляючи до атмосфери викликають різні захворювання у людей.

В першому розділі була розглянута атмосфера в цілому, її складові, функції.

В другому розділі були опрацьовані вхідні дані з вибірок (2.1 та 2.2), в яких містилався інформація про кількість викидів та кількості захворювань органів дихання в районах Вінницької області.

В третьому розділі було змодельовано за допомогою MathCad із вхідних даних математичну модель і доведена пряма залежність між щільністю викидів від автотранспорту та частоту захворювань органів дихання, що є задачею курсової роботи.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Петров С. Б. Эколого-эпидемиологическое исследование по оценке влияния взвешенных веществ в атмосферном воздухе городской среды на развитие болезней органов дыхания / С. Б. Петров, Е. Н. Онучина, Б. А. Петров // Успехи современного естествознания. – 2011. – № 11. – С. 346 – 349.

2. Умрихіна Л. М. Роль і значення забруднення атмосферного повітря, метеорологічних факторів та соціально-побутових умов у формування показників захворюваності дитячого населення м. Києва / Л. М. Умрихіна // ДУ ІГМЕ. – 2010. – № 56. – С. 64–69.

3. Сигора Г. А. Применение метода регрессионного анализа к количественному описанию степени влияния загрязнения на здоровье населения / Г. А. Сигора, О. Н. Кучеренко // Вісник СевДТУ. Вип. 97 : Механіка, енергетика, екологія : зб. наук. пр. – 2008–2009. – С. 188–191.

4. Климчук М. А. Стан навколишнього середовища та його вплив на здоров’я населення Львівської області // Довкілля та здоров’я. – 2005. – № 3 (34). – С. 43–48.

5. Скорина Л. М. Вплив викидів автотранспорту на розвиток хвороб органів дихання у Вінницькій області / Л. М. Скорина, А. В. Нагорна // ВісникВінницького політехнічного інституту. – 2011. – № 6. – С. 20–23.

6. Нагорна Н. В. Екологія та патологія органів дихання у дітей: медико-соціальні аспекти / Н. В. Нагорна, Г. В. Дубова // Здоровье ребенка. – 2009. – № 4(19). – C. 37–39.

7. Основні показники діяльності установ охорони здоров’я Вінницької області за 2009 рік / Головне управління статистики у Вінницькій області. — Вінниця, 2010. – 231 с.

8. Статистичний щорічник Вінниччини за 2006–2010 рр. / Головне управління статистики у Вінницькій області. – Вінниця, 2011. – 653 с.

Види навчальних матеріалів: 
Оцінка: 
0
No votes yet