Моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел

Скачати

 

Початок ΧΧІ століття характеризується суттєвим погіршенням стану навколишнього природного середовища, що є наслідком технологічних досягнень людства. Збільшується концентрація парникових газів у атмосфері, виснажується озоновий шар планети, скорочується біологічне різноманіття, зменшується площа лісів, загострюється проблема якісної питної води, деградують екосистеми Світового океану – це лиш неповний перелік екологічних проблем, з якими стикнулося людство. Отже, наступає глобальна екологічна криза. Людству загрожує загибель, якщо воно не перегляне своє відношення до Природи. Людям нині необхідні нова натурфілософія життя, висока екологічна культура та екологічна свідомість.
Для успішної реалізації екологічної політики в існуючих умовах, необхідна достовірна, максимально достатня і своєчасна інформація про наявність і склад природних ресурсів, про якість та забруднення навколишнього природного середовища, а також про причини та наслідки несприятливих і надзвичайних екологічних ситуацій. Екологічний моніторинг якраз і є засобом для отримання, опрацювання, зберігання і відображення такої інформації, яка буде основою для прогнозів, і в кінцевому підсумку, для розробки екологічно-безпечних та економічно-ефективних рішень.
Атмосфера – це газова оболонка Землі, яка обертається разом з нею. Саме тут проходить озоновий захист життя Землі від жорсткого для всього живого випромінювання Сонця.
Атмосферне повітря – один з найважливіших природних ресурсів, без якого життя на Землі було б абсолютно неможливим. Атмосферний кисень О2, необхідний для дихання людей, тварин, переважної більшості рослин і мікроорганізмів. Організму людини і тварин необхідний постійний приток кисню. Основне джерело утворення кисню – це фотосинтез зелених рослин.
Забруднення атмосфери - результат викидів забруднюючих речовин з різних джерел.
Забруднення атмосфери мають як природний, так і антропогенний характер. Впливати на природні забруднення атмосфери людина не може, але регулювати характер забруднень в результаті власної діяльності людство не тільки може, але і повинно.
В даній роботі проводиться моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел та побудова карти розсіювання шкідливих речовин від стаціонарних джерел. Об’єктом моделювання та прогнозування даної роботи є три різні підприємства, з джерелами викидів таких речовин як: оксид карбону, діоксид нітрогену та пил. Математичне моделювання, розрахунок приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів груп джерел та прогнозування здійснюється на основі методики ОНД-86. Побудова регресійних залежностей та визначення похибок прогнозу процесів здійснено за допомогою MS Excel .

 

1 Екосистема як об’єкт моделювання та прогнозування

Атмосфера – це газова оболонка Землі, яка обертається разом з нею. Саме тут проходить озоновий захист життя Землі від жорсткого для всього живого випромінювання Сонця. Енергія радіації, що абсорбується, перетворюється у теплову енергію газових молекул. Сонячна радіація, яка проходить до земної поверхні, має зовсім безпечні границі, а всі ультрафіолетові промені з меншою довжиною хвилі в'язнуть у цьому невидимому, легкому, але непроникному шарі повітряного океану.
З віддаленням від Землі змінюється не тільки густина повітря, а й його склад. Склад повітря залишається порівняно постійним на висотах до 100 км. До складу атмосфери входять азот – 78,08%, кисень – 20,95% і аргон – 0,93%. На частку вуглекислого газу, неону, гелію і всіх інших газів, які присутні у повітрі в мікрокількості, припадає лише трохи більше 0,04%.
У придонних шарах атмосфери, особливо в містах, склад повітря змінюється. Важливою змінною складової атмосфери є вуглекислий газ. Ще 100 років тому вміст вуглекислого газу в повітрі був 0,0298%, а тепер – 0,0318%, а в містах ще вищий.
Приблизно до висоти 400-600 км зберігається переважно киснево-азотний склад атмосфери. Істотна зміна складу повітря спостерігається лише з висоти близько 600 км. Тут починає переважати гелій. «Гелієва корона Землі», як назвав гелієвий пояс В.І.Вернадський, простягається приблизно до висоти 1600 км від поверхні Землі, а далі вище 2-3 тис. км переважає водень. Так поступово газова оболонка Землі перетворюється у міжзоряний газ, який складається на 76% (за масою) з водню і на 23% з гелію.
Атмосферне повітря – один з найважливіших природних ресурсів, без якого життя на Землі було б абсолютно неможливим. Атмосферний кисень О2, необхідний для дихання людей, тварин, переважної більшості рослин і мікроорганізмів. Організму людини і тварин необхідний постійний приток кисню. Основне джерело утворення кисню – це фотосинтез зелених рослин. Підраховано, що рослини за рік виділяють в атмосферу близько 70 млрд. т кисню. Близько 80% всього кисню в атмосферу постачає морський фітопланктон, 20% виробляє наземна рослинність [1].
Атмосфера регулює теплообмін Землі з космічним простором, впливає на її радіаційний та водяний баланс. Одним з найважливіших факторів, що визначають стан атмосфери, є її взаємодія з океаном, процеси газообміну і теплообміну між ними суттєво впливають на клімат Землі.
Атмосфера має здатність до самоочищення. Концентрація забруднювальних речовин через розпорошення їх у повітрі, осідання твердих часточок під впливом сили гравітації, випадання різних домішок з опадами. Проте від величезної кількості забруднювальних речовин, що надходять в атмосферу сьогодні, вона не встигає самоочищуватись. Так, при спалюванні за рік 2,1 млрд т кам'яного вугілля і 0,8 млрд т бурого в навколишнє середовище потрапляє 225 тис. т арсену, 225 тис. т германію, 153 тис. т кобальту і, крім того, мільйони тони пилу з металургійних заводів, майже 1/5 частина світового виробництва цементу.
За приблизними підрахунками, маса забруднювальних речовин в атмосфері становить 9-10 мли т. Порівняно з масою земної атмосфери це мізерна величина, однак на висоті 50-100 м від Землі, де саме концентруються забруднювальні речовини, частка їх є істотною відносно кількості чистого повітря [2].
Головними екологічними глобальними наслідками забруднення атмосфери є:
• парниковий ефект;
• озонова дірка;
• кислотні дощі;
• смог.
Атмосферне повітря забруднюється різними газами, дрібними часточками і рідкими речовинами, які негативно впливають на живі істоти, погіршуючи умови їх існування. Джерела його забруднення можуть бути природними і штучними (антропогенними):
Природне забруднення атмосфери. У нормі природні джерела забруднення не спричинюють істотних змін повітря. Інтенсивне поширення певного природного джерела забруднення на певній території (викиди попелу і газів вулканами, лісові і степові пожежі) можуть стати серйозною причиною забруднення атмосфери. Так, під час виверження вулкана Кракатау у 1883 р. маса попелу та пилу становила 150 млрд. т, і вони поширилися майже по всій земній кулі. Внаслідок виверження вулкана на Алясці в 1912 р. в атмосферу надійшло понад 20 млрд. т пилу, який тривалий час утримувався в повітрі. Такі катастрофічні явища зумовлюють іноді утворення світлонепроникного екрана навколо Землі, а також зміну її теплового балансу. Проте природні забруднення атмосфери здебільшого не завдають великої шкоди людині, бо відбуваються за певними біологічними законами і регулюються кругообігом речовин, виявляються періодично.
Штучне (антропогенне) забруднення атмосфери відбувається внаслідок зміни її складу та властивостей під впливом діяльності людини. За будовою та характером впливу на атмосферу штучні джерела забруднення умовно поділяють на технічні (пил цементних заводів, дим і сажа від згоряння вугілля) та хімічні (пило- або газоподібні речовини, які можуть вступати в хімічні реакції).
За агрегатним станом усі забруднювальні речовини поділяють на тверді, рідкі та газоподібні. Саме газоподібні забрудники становлять 90 % загальної маси речовин, що надходять в атмосферу.
Забруднення атмосфери неоднакове по регіонах. В індустріально розвинених районах воно може бути в тисячу разів більшим за середньопланетарні значення. У світі щороку спалюють понад 10 млрд т органічного палива, переробляють близько 2 млрд рудних і нерудних матеріалів. Лише при спалюванні вугілля и атмосферу щороку потрапляє близько 120 млн т попелу, а разом з іншими видами пилу – до 300 мли т. За приблизними підрахунками, в атмосферу за останні 100 років надійшло 1,5 млн т арсену, 1 мли т нікелю, 900 тис. т чадного газу, 600 тис. т цинку, стільки ж міді.
Серйозної шкоди навколишньому середовищу завдає хімічна промисловість. Особливо небезпечними є сірчисті сполуки, оксиди азоту, хлор та ін. Майже всі забруднювальні речовини можуть вступати між собою в реакції, утворюючи високотоксичні сполуки. У поєднанні з туманом це явище дістало назву фотохімічного смогу.
Значним джерелом забруднення довкілля є підприємства чорної металургії. Вони викидають в атмосферу багато пилу, кіптяви, сажі, важких металів (свинець, кадмій, ртуть, мідь, нікель, цинк, хром). Ці речовини практично стали постійними компонентами повітря промислових центрів. Особливо гостро стоїть проблема забруднення повітря свинцем.
Повітря забруднюють практично всі види сучасного транспорту, кількість якого постійно збільшується у всьому світі. Майже всі складові вихлопних газів автомобілів шкідливі для людського організму, а оксиди азоту до того ж беруть активну участь у створенні фотохімічного смогу. Одна вантажівка або один легковик викидає в повітря відповідно 6 м4 З м3 чадного газу СО. Забруднюється повітря і пилом гуми з покришок автомобілів і літаків (один автомобіль утворює близько 10 кг гумового пилу).
Найбільшу загрозу для людства становить забруднення атмосфери радіоактивними речовинами. Ця проблема вперше виникла в 1945 р. після вибуху двох атомних бомб, скинутих з американських літаків на японські міста Хіросиму й Нагасакі. Природна радіоактивність існує незалежно від діяльності людини. Живі істоти певною мірою пристосувалися до неї, хоч шкідливість її для них є очевидною [2, 3].

1.1 Аналіз математичних моделей екосистеми та методів прогнозування процесів в ній

Розвиток методів прогнозу забруднення повітря ґрунтується на результатах теоретичного та експериментального вивчення закономірностей розповсюдження домішок від їх джерел. Причому всі існуючі моделі розповcюдження забруднення можна поділити на: 1) найпростіші моделі, які ґрунтуються на алгебраїчних залежностях; 2) статистичні моделі; 3) гаусові моделі турбулентного розсіювання домішок; 4) дифузійні моделі, які ґрунтуються на рівняннях турбулентної дифузії у граничному шарі атмосфери [4].
Прості детерміновані моделі (Е) – ґрунтуються на емпіричних даних і формулюються у вигляді алгебраїчних співвідношень [5]. Моделі описують зміну в часі і просторі показників забруднення повітря, а характеристики якості (попереджуючі чи небезпечні) використовують для оповіщення громадськості і навчання правилам поведінки (в епізодичних ситуаціях) при раптовому забрудненні повітря.
Моделі зниження до попереднього рівня – це загальний клас емпіричних моделей, що пов'язують прогноз якості повітря при зростанні викидів і ретроспективні дані щодо ступеню забруднення навколишнього повітря [4]. Поняття «зниження до попереднього рівня» введено для аналізу змін якості повітря, а не для кількісної характеристики забруднення повітряного середовища. Воно використовується при плануванні допустимих викидів забруднення в атмосферу як метод одержання оцінки ступеня необхідного скорочення викидів для узгодження із стандартами якості повітря.
Прості балансові моделі контрольного об’єму [5]. Ці моделі засновані на використанні контрольного об’єму з основою на поверхні землі і верхньою границею на поверхні шару інверсії (вершині шару перемішування). Бічні поверхні об’єму розташовані так, щоб охопити досліджувану міську зону.
Концентрація забруднення визначає її усереднене значення над місцем і не залежить від просторових координат вибору позиції рецептора. Це спричиняє те, що результати прогнозних оцінок мають обмежене застосування.
Статистичні моделі (Е). У статистичних моделях поширення забруднень використовуються стохастичні рівняння для встановлення співвідношень між показниками якості повітря і даними метеорології. Вони встановлюють співвідношення між оцінками концентрацій і значеннями параметрів, які дійсно вимірювалися при аналогічних обставинах.
Статистичні моделі мають невисоку вартість розробки і низькі потреби в обчислювальних ресурсах, однак, вони не можуть використовуватися поза межами початкових умов, які визначаються вихідними даними, що застосовувалися при їхній розробці й оптимізації. Ці умови звичайно містять у собі обмеження на варіації метеорологічних умов і варіацію просторового розміщення викидів. Статистичні моделі не можна застосовувати також при значних змінах у розподілі джерел викидів. Дані статистичних обробок не можуть бути перенесені на інші об'єкти без переоцінки емпіричних параметрів чи коефіцієнтів.
Моделі декількох контрольних об’ємів. Приземний шар повітря розділяється на двовимірні чи тривимірні ряди об’ємів з добре перемішаними домішками. Може змінюватися концентрація забруднення в кожному об’ємі від одного до іншого, а також у часі змінюватися середній вітер. Забруднене повітря надходить і залишає обрані об'єкти, але на границях об’ємів відсутній дифузійний обмін [6].
Перевага використання ряду контрольних об’ємів пов'язана з наступним:
- геометрія контрольних об’ємів адаптована з топографічними рисами місцевості, легко підключити варіації висот інверсії в часі;
- модель проста для інтерпретації і застосування (описується системою звичайних диференціальних рівнянь).
Недоліки моделі обумовлені:
- жорсткістю диференціальних рівнянь, якщо спостерігаються великі варіації у швидкостях переміщення макрочасток, і тому необхідно використовувати метод неявного інтегрування, що вимагає великих витрат комп'ютерного часу;
- нехтуванням вертикальною дифузією.

1.2 Аналіз вихідних параметрів моделювання екосистеми

Вихідними параметрами для моделювання процесів розсіювання забруднюючих речовин в атмосферному повітрі є:
а) підприємство № 19, що розташоване на рівній відкритій поверхні в
м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 16,4 метра, діаметр труби (D) = 0,6 метра. Швидкість виходу пило-газової суміші з труби (V) складає 0,4 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 80,5 °С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства:
– карбон (ІІ) оксид, СО – 0,0245г/с;
– нітроген (IV) оксид , NO2 – 0,0625 г/с;
– пил – 0,0638 г/с.
б) підприємство № 20, що розташоване на рівній відкритій поверхні в
м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 12,4 метра, діаметр труби (D) = 0,7 метра. Швидкість виходу пило-газової суміщі з труби (V) складає 0,6 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 104,3 °С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства:
– карбон (ІІ) оксид, СО – 0,0883 г/с;
–  нітроген (IV) оксид, NO2  – 0,0310 г/с.
в) підприємство № 39, що розташоване на рівній відкритій поверхні в
м. Вінниця. Об’єкт має одну димову трубу висотою (Н) 15,3 метра, діаметр труби (D) = 1,1 метра. Швидкість виходу пило-газової суміщі з труби (V) складає 0,4 м3/с. Температура пило-газової суміші Тг = 111,9 °С, температура навколишнього середовища Тп = 25°С.
Викиди забруднюючих речовин а атмосферне повітря від даного підприємства:
– сульфур(ІV) оксид, SO2 –  0,0431 г/с.
– карбон (ІІ) оксид, СО – 0,0885 г/с;
– нітроген (IV) оксид , NO2 – 0,0104 г/с;
– пил – 0,1047;
– нітроген (IІ) оксид , NO – 0,0118 г/с.

1.3 Аналіз обмежень задачі моделювання екосистеми

Концентрація забруднюючих речовин в повітрі навколо підприємств, що являються джерелами викидів залежить від впливу багатьох факторів.
Обмеження задачі моделювання екосистеми залежить від:
- висоти джерела забруднюючих речовин над рівнем земної поверхні;
- діаметру джерела викиду;
- маси шкідливої речовини, викинутої в атмосферу за одиницю часу;
- різниці температур, викинутої газоповітряної суміші;
- швидкості газоповітряної суміші;
- середньої швидкості виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду;
- відстані джерела викиду газоповітряної суміші забруднюючих речовин.
Враховуючи всі ці фактори розроблені певні математичні моделі для розрахунку забруднення атмосферного повітря.

 

2     Математичне моделювання та прогнозування екосистеми на основі методики ОНД 86

Розрахунок забруднення атмосферного повітря викидами одинарного джерела проводиться згідно вимог нормативного документу ОНД-86 “Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий”. ОНД-86 призначені для розрахунку приземних концентрацій в двометровому шарі над поверхнею землі, а також вертикального розподілу концентрації.
Математичне моделювання та прогнозування стану атмосферного повітря за вмістом забруднюючих речовин у відповідності до методики ОНД  86 є досить простим. Воно дає змогу проводити обчислення як «вручну», так і за допомогою пакетів прикладних програм, що автоматизують розрахунок. Розрахунок проводиться в програмному середовищі Mathcad, яке дозволяє автоматизовано проводити обчислення та виводити графіки залежностей концентрації забруднюючих речовин в повітрі від відстані до джерела здійснення викиду [7].

2.1 Розрахунок приземних концентрацій забруднюючих речовин викидів стаціонарних джерел по вісі факелу

2.1.1 Підприємство № 19

Джерело № 19, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такими речовинами, як карбон (ІІ) оксид, нітроген (ІV) оксид та пил.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.1, 2.2.

 

Таблиця 2.1 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 19


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №19)

А

200

F

1

Н, м

16,4

 

М, г/с

СО

0,0245

NO2

0,0625

пил

0,0638

D, м

0,6

Т1,ºС

80,5

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

55,5

1

V1,м3/с

0,4

0,5

Таблиця 2.2 – Розраховані значення параметрів джерела викиду


№ підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

19

 

С1, мг/м3

СО

0,264

NO2

0,673

пил

0,687

f

0,01

0,719

0,024

f0

0,011

m при f<100

1,324

                   n при f<100 

1,874

d

3,779

х1, м

61,979

u1, м/с

0,728

 

2.1.2 Підприємство № 20

Підприємство № 20, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такими речовинами, як карбон (ІІ) оксид та нітроген (ІV) оксид.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.3, 2.4.

Таблиця 2.3 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 20


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №20)

А

200

F

1

Н, м

12,4

 

М, г/с

СО

0,0883

NO2

0,0310

D, м

0,7

Т1,ºС

104,3

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

79,3

1

V1,м3/с

0,6

0,5

 

Таблиця 2.4 – Розраховані значення параметрів джерела викиду


№ підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

 

20

С1, мг/м3

СО

0,738

NO2

0,289

f

0,014

1,018

0,037

f0

0,04

m при f<100

1,241

                   n при f<100 

1,513

d

5,518

х1, м

68,418

u1, м/с

1,042

2.1.3 Підприємство № 39

Підприємство № 39, здійснює викиди від стаціонарних джерел в атмосферне повітря такими речовинами, як сульфур (ІV) оксид, карбон (ІІ) оксид, нітроген (ІV) оксид, пил та нітроген (ІІ) оксид.
Алгоритм розрахунок максимального значення приземної концентрації шкідливої речовини С1 (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиночного джерела на відстані х1 (м) від джерела наведений в додатку А.
Вхідні дані для розрахунку концентрації забруднюючої речовини та розраховані значення параметрів джерела викиду наведені в таблицях 2.5, 2.6.

 

Таблиця 2.5 – Вхідні дані для розрахунку приземних концентрацій забруднюючої речовини від джерела викиду № 39


Вхідні дані

Значення даних для розрахунку концентрацій забруднюючої речовини в атмосфері (під. №39)

А

200

F

1

Н, м

15,3

 

М, г/с

SO2

0,0431

СО

0,0885

NO2

0,0104

пил

0,1047

NO

0,0118

D, м

1,1

Т1,ºС

111,9

Т2, ºС

25

ΔТ, ºС

86,9

1

V1,м3/с

0,4

0,5

Таблиця 2.6 – Розраховані значення параметрів джерела викиду


№ підприємства

Параметри джерела викиду

Розрахункові значення

 

 

 

39

 

С1, мг/м3

SO2

0,347

СО

0,818

NO2

0,096

пил

0,967

NO

0,328

f

0,014

0,854

0,047

f0

0,082

m при f<100

1,182

                   n при f<100 

1,698

d

4,744

х1, м

72,576

u1, м/с

0,884

2.2 Розрахунок приземних концентрацій ЗР викидів групи джерел та побудова карти

Розрахунок концентрації забруднюючих речовин в атмосфері без врахування впливу забудови  та побудова карти здійснюється за допомогою програми ОНД-86 для точкових джерел. Метеорологічні характеристики та коефіцієнти, які визначають умови розсіювання забруднюючих речовин в атмосфері міста, представлені в таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 – Характеристика району


Параметр

Значення

Коефіцієнт стратифікації атмосфери, А

200

Коефіцієнт впливу рельєфу місцевості, η

1,0

Середня температура навколишнього середовища, °С

 

теплого місяця

25,0

холодного місяця

-3,0

Швидкість вітру V* повторюваність перевищення якого  складає 5%, м/с

8

Відповідно за ОНД-86 вибираємо розрахунковий прямокутник 500 м х 500 м з кроком сітки 50 м (таблиця 2.8, 2.9).

Таблиця 2.8 – Параметри розрахункового прямокутника


Довжина, м

Ширина, м

Крок по X, м

Крок по Y, м

500

500

50

50

Таблиця 2.9 – Параметри джерел викиду


Номер джерела викиду 

Висота, м

Діаметр, м

Об’ємна витрата газів, м3/с

Температура газів, °С

Координата X, м

Координата Y, м

1

19

16,4

0,6

0,40000

80,5

215

270

2

20

12,4

0,7

0,60000

104,3

355

220

3

39

15,3

1,1

0,40000

111,9

272

352

Результати розрахунку по речовинам та сумуюча дія забруднюючих речовин, що викидаються в атмосферне повітря наведені в таблицях 2.10, 2.11, 2.12, 2.13.
Речовина: 1246 – Сульфур (IV) оксид
ГДК, мг/м3: 500,0000
Коефіцієнт осідання: 1,0

Таблиця 2.10 – Джерела, які викидають речовину 1246


№ підпр.

Викид, г/с

Сm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

39

0,043100

0,0001

68,6

0,9

Всього джерел, які викидають дану речовину: 1
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,043100
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0001
Середня швидкість вітру, м/с: 0,9
Карта розсіювання забруднюючої речовини (сульфур (IV) оксиду) представлена на рисунку 2.1.


Рисунок 2.1 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (сульфур (IV) оксиду)
Речовина: 1521 – Карбон (ІІ) оксид
ГДК, мг/м3: 250
Коефіцієнт осідання: 1,0
Таблиця 2.11 – Джерела, які викидають речовину 1521


№ підпр.

Викид, г/с

Сm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

19

0,024500

0,0001

65,4

0,7

20

0,088300

0,0002

71,5

1,0

39

0,088500

0,0002

68,6

0,9

Всього джерел, які викидають дану речовину: 3
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,201300
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0005
Середня швидкість вітру, м/с: 0,9
Карта розсіювання забруднюючої речовини (карбон (ІІ) оксиду) представлена на рисунку 2.2.


Рисунок 2.2 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (карбон (ІІ) оксиду)
Речовина: 0301 – Нітроген (IV) оксид
ГДК, мг/м3: 0,8500
Коефіцієнт осідання: 1,0
Таблиця 2.12 – Джерела, які викидають речовину 0301


№ підпр.

Викид, г/с

Cm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

19

0,062500

0,0431

65,4

0,7

20

0,031000

0,0224

71,5

1,0

39

0,010400

0,0072

68,6

0,9

Всього джерел, які викидають дану речовину: 3
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,103900
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0728
Середня швидкість вітру, м/с: 0,8
Карта розсіювання забруднюючої речовини (нітроген (IV) оксиду) представлена на рисунку 2.3.


Рисунок 2.3 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (нітроген (IV) оксиду)
Речовина: 10431 – Пил
ГДК, мг/м3: 1,0000
Коефіцієнт осідання: 1,0
Таблиця 2.13 – Джерела, які  викидають пил


Викид, г/с

Cm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

19

0,063800

0,0374

65,4

0,7

39

0,104700

0,0619

68,6

0,9

Всього джерел, які викидають дану речовину: 2
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,168500
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,0993
Середня швидкість вітру, м/с: 0,8
Карта розсіювання забруднюючої речовини (пилу) представлена на
рисунку 2.4.


Рисунок 2.4 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (пилу)
Речовина: 0330 – Нітроген (ІІ) оксид
ГДК, мг/м3: 0,0600
Коефіцієнт осідання: 1,0
Таблиця 2.13 – Джерела, які  викидають пил


Викид, г/с

Cm, од. ГДК

Xm, м

Um, м/с

39

0,011800

0,1163

68,6

0,9

Всього джерел, які викидають дану речовину: 1
Сумарний викид по всіх джерелах, г/с: 0,011800
Сума Сm по всіх джерелах, од. ГДК: 0,1163
Середня швидкість вітру, м/с: 0,9
Карта розсіювання забруднюючої речовини (нітроген (ІІ) оксиду) представлена на рисунку 2.5, а карта розсіювання сумуючої дії забруднюючих речовин від стаціонарного джерела представлена на рисунку 2.6.


Рисунок 2.4 – Карта розсіювання забруднюючої речовин (нітроген (ІІ) оксиду)

Рисунок 2.6 – Карта розсіювання забруднюючих речовин від стаціонарного                   джерела

 

3 Прогнозування концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел

Вихідними значеннями для прогнозування концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі є дані спостережень за один місяць (таблиця 3.1).

Таблиця 3.1 Дані спостережень за вмістом забруднюючих речовин в атмосферному повітрі


Дата

Концентрація забруднюючої речовини, мг/м3

Дата

Концентрація забруднюючої речовини, мг/м3

01.01.2007

6,06

17.01.2007

18,67

02.01.2007

6,7

18.01.2007

20,86

03.01.2007

8,14

19.01.2007

22,41

04.01.2007

8,88

20.01.2007

23,59

05.01.2007

7,88

21.01.2007

23,22

06.01.2007

11,73

22.01.2007

24,03

07.01.2007

9,67

23.01.2007

24,53

08.01.2007

12,04

24.01.2007

26,07

09.01.2007

12,07

25.01.2007

30,46

10.01.2007

16,6

26.01.2007

27,59

11.01.2007

16,9

27.01.2007

30,3

12.01.2007

15,53

28.01.2007

32,52

13.01.2007

15,53

29.01.2007

31,5

14.01.2007

16,22

30.01.2007

35,02

15.01.2007

16,66

31.01.2007

34,29

16.01.2007

18,71

 

 

3.1 Побудова регресійних залежностей для прогнозування процесів в екосистемі

Прогнозування концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі здійснюється за допомогою використання різних регресійних залежностей у пакеті MS Excel.
Для прогнозування зміни концентрації забруднюючої речовини в повітрі застосуємо такі залежності як: лінійну, логарифмічну, поліноміальну (2-го, 3-го степеня) та степеневу. Ці залежності у вигляді графіків зображені на рисунках 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 відповідно.


Рисунок 3.1 – Лінійна залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.2 – Логарифмічна залежність забруднення атмосфери за один місяць

Рисунок 3.3 – Поліномінальна (2-го степеня) залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.4 – Поліномінальна (3-го степеня) залежність забруднення атмосфери за один місяць


Рисунок 3.5 – Степенева залежність забруднення атмосфери за один місяць
Використання для прогнозування, лінійної, логарифмічної, поліномінальної 2-го порядку та степеневої функцій виявилось недоцільним, оскільки апроксимація цими функціями не дає бажаних результатів і похибка найбільша. Це видно на рисунках 3.1, 3.2, 3.3 та 3.5. Тому найбільш доцільніше для прогнозування використовувати для прогнозування поліномінальну функцію 3-го порядку. Спрогнозована на 5 одиниць вперед поліномінальна (3-го стпеня) залежність забруднення атмосфери зображена на рисунку 3.6.


Рисунок 3.6 – Спрогнозована на 5 одиниць вперед поліномінальна (3-го стпеня) залежність забруднення атмосфери

3.2 Визначення похибок прогнозування

Для того, щоб визначити, яка функція найкраще підходить для апроксимації та екстраполяції вхідних даних необхідно розрахувати похибку прогнозування.
Для цього була використана формула:

                                (3.1)

де  – відносна похибка, %;
  – виміряні значення вхідної величини;
 – дійсні значення вхідної величини.
Після проведення розрахунків з використанням програми Microsoft Office Excel, отримані дані було зведено в таблицю 3.2.

Таблиця 3.2 – Похибки прогнозування при використанні лінійної, логарифмічної, поліноміальної (2,3 порядків) та степеневої функцій.


Функція

Відносна похибка, %

38,7

30,01

y(x)=a·x2+k·x+b

15

0,604

96,7

Отже, як видно з таблиці, в даному випадку найбільш доцільно використовувати поліном 3-го степеня, оскільки він дає найменшу похибку 0,803 % і найбільш точні результати, тому його можна використовувати систематично.
Таким чином, концентрації забруднюючих речовин з 05.01. 2007 по 09.01.2007 року мають приймати значення, наведені в таблиці 3.3.

Таблиця 3.3 – Прогнозовані значення концентрації забруднюючих речовин


Дата

05.10.07

06.10.07

07.10.07

08.10.07

09.10.07

Прогнозовані  концентрації забруднюючих речовин, мг/м3

7,88

11,73

9,67

12,04

12,07

 

4 Оцінка стану екосистеми за даними моделювання та прогнозування

Як показало моделювання, досліджувана екосистема (атмосферне повітря) знаходиться нормальному стані. Викиди від підприємств 19, 20 та 39 та їхні сумарні викиди не перевищують допустимі норми, а концентрації забруднюючих речовин, що встановилися в приземних шарах повітря не перевищують гранично-допустимих концентрацій (ГДК), встановлених для даних речовин (таблиця 4.1).

Таблиця 4.1 – Порівняння рівня забруднення атмосферного повітря від викидів стаціонарних джерел з нормами ГДК

 

Джерело викиду

Забруднююча речовина, що викидається

Максимальна концентрація забруднюючих речовини, що встановилась в повітрі, мг/м3

 

ГДК, мг/м3

Підприємство № 19

СО

0,264

250

NO2

0,673

40

пил

0,687

1

Підприємство № 20

СО

0,738

250

NO2

0,289

40

Підприємство № 39

SO2

0,347

500

СО

0,818

250

NO2

0,096

40

пил

0,967

1

NO

0,328

0,06

Дані таблиці показують максимальні значення концентрацій забруднюючих речовин, що можуть встановитися в результаті здійснення викидів. В залежності від роду викидів та потужності підприємства, максимальні концентрації встановлюються на певній відстані від джерела викиду.
Також спостерігається зміна концентрації забруднюючих речовин в повітрі з відстанню. При збільшені відстані х1, концентрація забруднюючих речовин зменшується, тобто є безпечною для людини і не досить сильно впливає на стан атмосферного повітря.
Забруднення атмосферного повітря NO2 та SO2 можливо зменшити в результаті зміни сировини, палива, технологічного обладнання та його герметизації.
Вивчивши роботу даних підприємств та провівши розрахунки, можна зробити висновок, що найбільш негативний вплив діяльності даних підприємств має місце в результаті викиду токсичних речовин в повітря, незважаючи на дотримання всіх норм і правил.

 

Висновки

В роботі було проведено моделювання та прогнозування розсіювання забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел.
Охарактеризовано вплив підприємств на навколишнє природне середовище, дано характеристику усім джерелам викидів підприємства, вибрано програмне середовище, яке максимально відповідає поставленій задачі та проведено розрахунок впливу викидів.
Наведено огляд математичних моделей, що описують забруднення атмосферного повітря та методи прогнозування концентрацій забруднюючих речовин. Проаналізовано вихідні дані для моделювання і прогнозування та встановлено обмеження задачі моделювання екосистеми.
Згідно з методикою ОНД-86 розраховано приземні концентрації забруднюючих речовин від викидів трьох стаціонарних джерел та побудовано карти розсіювання забруднюючих речовин від викидів даних джерел.
Здійснено прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел за даними спостережень за один місяць.
Проведено оцінку стану екосистеми – атмосферне повітря за даними моделювання та прогнозування.

 

Література

1. Кучерявий В.П., Урбоекологія: Підручник. – Львів: Світ, 2001 – 440 с.
2. Экология города: Учебник. Под ред. док. тех. наук Стольберга Ф.В.- К.: Либра, 2000.- 464с.
3. Клименко М.О., Прищепа А.М., Вознюк Н.М., Моніторинг довкілля: Підручник. – К.: Видавничий центр “Академія”, 2006. – 360 с.
4. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1985.
5. Довгий С.А., Прусов В.А., Копейка О.В. Математическое моделирование техногенных загрязнений окружающей среды. – Киев: Наук. думка, 2000.
6. Згуровский М.З., Скопецкий В.В., Хрущ В.Х. и др. Численное моделирование распространения загрязнения в окружающей среде. – К., 1997.
7. Монин А.С., Шишков Н.А. Глобальные экологические проблемы. Серия: Науки о Земле. М.: Знание, №6, 1991. – 136 с.

Скачати

Види навчальних матеріалів: 
Оцінка: 
0
No votes yet