Моделювання та прогнозування приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел

Скачати

Вступ

Атмосферне повітря, без сумніву, є однією з основних умов існування життя на Землі, її невід’ємною складовою. Існування живих організмів неможливе без атмосфери.
Дана тема є дуже актуальною. На сьогоднішній день в результаті діяльності людини до атмосфери потрапляє більше 500 забруднюючих речовин і з створенням нових цей перелік продовжує розширюватись. сучасні методи математичного моделювання та прогнозування стану атмосферного повітря є дуже актуальним. Це дає змогу встановити рівень забруднення атмосфери викидами стаціонарних джерел та розрахувати відстані від джерела викиду, на яких концентрація забруднюючих речовин буде повністю безпечною для людини. Користуючись прогнозами можна заздалегідь попередити непередбачені викиди забруднюючих речовин в атмосферу, які можуть бути пов’язані з природними умовами чи збільшенням потужності підприємств.
 Найбільш розповсюдженими забруднюючими речовинами, що надходять в атмосферне повітря від техногенних джерел, є: оксид вуглецю (СО), діоксид сірки (SО2), оксиди азоту, вуглеводні, пил. Ці з’єднання не так токсичні, проте знижують прозорість атмосфери, дають на 50% більше туманів, на 10% більше опадів, на 30% скорочують сонячну радіацію.
Мета нашого курсового проекту за допомогою методики ОНД-86 оцінити та з прогнозувати забруднення атмосфери стаціонарними джерелами. Створити математичну модель для оцінки і регуляції якості навколишнього середовища. З допомогою використання такої моделі розраховується максимальне значення приземної концентрації шкідливої речовини та сумарна концентрація шкідливих речовин.

 

1 Екосистема як об’єкт моделювання та прогнозування

         Забруднення атмосфери - результат викидів забруднюючих речовин з різних джерел. Причинно-наслідкові зв'язки цього явища потрібно шукати в природі земної атмосфери. Так, забруднення переносяться по повітрю від джерел появи до місць їхнього руйнуючого впливу; в атмосфері вони можуть перетерплювати зміни, включаючи хімічні перетворення одних забруднень в інші, ще більш небезпечні речовини.
Сталий зміст забруднень у повітрі (викиди) визначає ступінь руйнуючого впливу на даний регіон. Можна сказати, що ступінь забруднення атмосфери залежить від числа й маси викидів.
Оцінка результатів забруднення атмосфери включає негативний вплив на окремі об'єкти живої природи, тобто людей, тварин, рослини; на неживі складові природи, включаючи воду, ґрунт і ландшафт у цілому, і на будови й матеріали. У більше широкому змісті як такий негативний вплив можна розглядати саму забруднену атмосферу, клімат, а також ряд економічних і соціальних умов.
У загальному плані концепція забруднення атмосфери включає значне число дій й явищ, що ведуть до погіршення вихідної, природної якості її. У більше вузькому змісті, що відповідає концепції, погодженої в рамках країн, що входять у систему Комекон і ряду інших, забруднення атмосфери розуміється як викид твердих, рідких і газоподібних забруднюючих речовин. Уважається, що забруднюючі речовини - це ті, які впливають на навколишнє середовище або безпосередньо, після хімічних змін в атмосфері, або в сполученні з іншими речовинами.
Відповідно до концепції захисту атмосфери, прийнятої в деяких промислово розвинених країнах (наприклад, у Німеччині), забрудненням атмосфери вважається пряме або непряме введення в неї будь-якої речовини в такій кількості, що впливає на якість і сполуку зовнішнього повітря, наносячи шкоду людям, живій і неживій природі, екосистемам, будівельним матеріалам, природним ресурсам - всій навколишньому середовищу. Відповідно до цього визначення до забруднення атмосфери варто було б віднести викид більших кількостей водяної пари від градирень електростанцій, якби це привело до погіршення видимості через туман, утворенню ожеледі на дорогах, підвищенню корозійного впливу атмосфери й т.д.
У рамках Конвенції по великим міждержавним загрязненям повітря забрудненням атмосфери, крім викидів у повітря матеріальних часток, уважаються також, що приводять до збитку викиди, енергії. Отже, викиди теплоти шуму вібрацій і випромінювань (не тільки радіоактивних, але й електромагнітних, таких як мікрохвильові, радарні, ультрависокочастотні, тобто тих, які випускаються високовольтними лініями й т.д.) можуть уважатися видами забруднення.
Забруднення атмосфери є результатом діяльності промислових підприємств, транспортних засобів, утилізації побутових відходів. Атмосферні забруднювачі поділяють на первинні, які безпосередньо поступають в атмосферу, і вторинні, які є продуктом перетворення первинних. Так сірчистий газ окислюється до сірчаного ангідріду, який при взаємодії з водяною парою утворює сірчану кислоту. Подібним чином в результаті хімічних, фотохімічних, фізико-хімічних реакцій між забрудннючими речовинами і компонентами атмосфери утворюються вторинні забруднювачі [3].
Основним джерелом забруднення атмосфери є промислові підприємства, транспортні засоби, підприємтва комунального сектора, сільського господарства.
В результаті діяльності підприємств в атмосферу виділяються наступні газові викиди:
– вуглекислий газ (СО2);
– чадний газ (СО);
– сірчистий газ (SO2);
– оксиди азоту (N2O, NO2, NO);
– сполуки хлору;
– сполуки фтору та ін. [9].

1.1 Аналіз математичних моделей екосистеми та методів прогнозування процесів в ній

 

Вплив забруднюючих речовин на стан довкілля прямо залежить від їх фізичних і хімічних властивостей та властивостей продуктів їх розпаду, а також концентрації тих та інших. Найважливішим параметром, що визначає масштаб поширення забруднення в атмосфері, є тривалість його існування в атмосфері. Однією з головних задач екологічного моделювання є прогнозування розвитку того чи іншого екологічного процесу з метою оптимізації діяльності людини щодо забезпечення мінімального ступеня її негативного впливу на екологічне середовище.
Метод математичного моделювання процесів полягає в детальному аналізі причин можливих змін у стані довкілля, побудові теорії часткових процесів і подальшому створенні спрощеної версії будови загального процесу – об’єднаної моделі реальної системи. При прогнозуванні наслідків антропогенних впливів на природне середовище розрізняють геофізичні моделі (моделі процесів переносу або перетворення забруднюючих речовин у навколишньому середовищі) та екологічні моделі (зміни стану екосистеми під впливом забруднення) [3].
Регресійна модель поширення забруднення.
Для побудови моделі поширення забруднень по території, що оточує джерело забруднення, часто користуються методом регресії. У цьому методі істинна залежність концентрації забруднення від часу і координат апроксимуються деяким поліномом, що залежить від часу (t) і відстані (х) уздовж напрямку поширення забруднення. Період часу спостереження і підконтрольна ділянка простору розбиваються на однакові інтервали  і , а середню концентрацію забруднювача на кожному з таких інтервалів нормують шляхом ділення на певне значення концентрації С0. Поліном, за допомогою якого складають регресію, має наступний вигляд:

u(і, k) = a0 - a1u(i, k-2) - a2u(i+1, k-1) - a3u(i, k-1) + a4u2(i, k-1),  (1.1)

де u(і, k) = С(i, k)/С0 – відносна (нормована на С0) концентрація забруднювача.
Розсіювання речовини в атмосфері за умови відсутності і переміщування фаз внаслідок дії вітру, тощо проходить за рахунок явища молекулярної дифузії. Молекулярна дифузія – це самочинний процес переносу речовин внаслідок хаотичного руху атомів, молекул, іонів, колоїдних частинок у газах, рідинах і твердих речовинах у напрямку зменшення концентрації [4].
Кількісно молекулярна дифузія описується першим та другим законами Фіка:

 ,                                             (1.2)

де:
t – час;
С – концентрація дифузата;
D – коефіцієнт дифузії;
х – координата у напрямку дифузії.
Точні розрахунки переносу забруднювачів від точки викиду можна провести, розв’язавши рівняння (1.2). Проте це рівняння не має загального розв’язку, а може бути розв’язане лише при певних граничних умовах.
Якщо джерело викид забруднювача діє постійно, концентрація забруднювача у викиді стала і дорівнює С0, а концентрація С у початковий момент у будь-якій точці, крім точки викиду, дорівнює нулю, то тоді граничні та початкові умови мають такий вигляд:
а) С = 0 при t = 0;
б) С = С0 = Сonst при х = 0 і не залежить від часу.
Розв’язок рівняння при таких граничних умовах має вигляд:

                         (1.3)

де вираз, що стоїть у дужках – це трансцендентна функція Крампа, або додаткова функція похибок.
Значення функції Крампа залежно від значення аргументу визначаються за допомогою комп’ютера або спеціальних таблиць.
Однією з поширених задач екологічного прогнозування є отримання прогнозу якості довкілля. Її головним критерієм є показники якості атмосферного повітря.
Якість атмосфери оцінюється за результатами статистичної обробки проб атмосферного повітря. Для забезпечення достатнього представництва статистичної вибірки необхідно відібрати досить велику кількість проб, інакше важко одержати достовірну інформацію про наявність кореляції між складом проб і різними факторами, такими, як висота, швидкість вітру, напрямок вітру тощо.
Виявлення кореляції – це необхідна процедура для побудови прогнозу якості екологічного середовища. З цією метою проводять дисперсійний, кореляційний і регресивний аналіз бази даних, отриманих у ході відбору проб. При доборі проб фіксуються параметри, від яких прогнозується залежність стану атмосфери (напрям вітру, висоту добору проб тощо) [3].
Для кожного параметра відбирають не менше 5-10 проб, тобто, у кожній фіксуючій точці відбору проводять відбір проб не менше п’ять разів уранці й п’ять разів ввечері , щоб напрямок вітру був щоразу різним. За результатами аналізу проб будується багатофакторна база даних. Потім база даних групується в групи за кожним з факторів і проводиться дисперсійний аналіз результатів вимірювань.
Проблема забруднення навколишнього середовища набуває комплексного, широкомасштабного характеру. Таким чином, розв’язання цієї проблеми вимагає створення комплексної програми з розміщення продуктивних сил за регіонами, яка здійснюється на основі побудови глобальних та регіональних оптимізаційних моделей розвитку соціоекосистеми і здійснення на їх основі відповідного прогнозування. В основу оптимізації повітряного середовища покладені положення теорії молекулярної, термодифузії, статистичного аналізу.
Ймовірно-статистичний метод. Цей метод заснований на реалізації рівняння регресії, запропонованого Ковальчуком. Метод розроблений для умов, у яких перенос речовини здійснюється лише за рахунок дифузійних процесів у повітряному середовищі. Для роботи моделі задають початкові умови: значення концентрацій, отримані шляхом наземних вимірів у двох точках на відстані 0,5 і 1 км від джерела забруднення; висоту джерела; потужність викиду. При цьому визначається зміна відносної концентрації u забруднювача при збільшенні відстані R до джерела залежно від впливових факторів – висоти джерела Н і маси викиду М [5].
Візьмемо для прикладу модель поширення діоксиду вуглецю. Концентрація СО2 обчислюється за формулою (1.5):

             (1.4)

де Ri – відстань від джерела забруднення до точки виміру;
ui – відповідна відносна концентрація;
М – потужність джерела викиду в тоннах на добу.

 

1.2 Аналіз вихідних параметрів моделювання екосистеми

При роботі трьох підприємств (№ 3, № 27, № 29) в атмосферне повітря викидається такі речовини, як: діоксид азоту (NO2) та оксид азоту (NO).
Для розрахунку вказані такі параметри: висота труби (Н), діаметр труби (D), швидкість виходу пило-газової суміші з труби (V), температура пило-газової суміші Тг, маса забруднюючої речовини, що викидається в атмосферу (М).
Вихідні дані параметрів моделювання екосистеми наведені в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 – Вихідні дані параметрів моделювання екосистеми


№ підприємства

Речовина

М, г/с

Н, м

D, м

V, м3/с

Tг, ºС

3

NO2

0,0785

23

1,5

0,3

100

NO

0,0977

23

1,5

0,3

100

27

NO2

0,0815

19,4

1,1

0,3

104,1

NO

-

-

-

-

-

29

NO2

0,0441

10,7

1,0

0,8

81,9

NO

-

-

-

-

-

1.3 Аналіз обмежень задачі моделювання екосистеми

При моделюванні екосистеми визначається значення приземної концентрації шкідливих речовин (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиничного джерела (труба), досягається при несприятливих метеорологічних умов на відстані від джерела.
Концентрація забруднюючих речовин в повітрі навколо підприємств, що являються джерелами викидів залежить від впливу багатьох факторів, які її визначають. До таких факторів відносяться:

  • висота труби (Н), з якої здійснюється викид забруднюючих речовин –  чим вища труба, тим краще забруднювачі розсіюються в повітрі;
  • діаметр труби (D) – із збільшенням діаметра труби збільшується кількість забруднюючих речовин, що надходять в атмосферу;
  • кількість труб для здійснення викидів на одному підприємстві;
  • швидкість викиду газоповітряної суміші;
  • температура газоповітряної суміші, що викидається;
  • температура навколишнього середовища;
  • постійність або періодичність здійснення викидів в атмосферу;
  • швидкість та напрям вітру – при високій турбулентності повітря краще перемішується і забруднюючі речовини розсіюються;
  • метеорологічні умови;
  • особливості рельєфу;
  • наявність або відсутність забудови території, на якій знаходиться джерело забруднення;
  • відстань від джерела забруднення.

Враховуючи всі ці фактори, розроблені певні математичні моделі для розрахунку забруднення атмосферного повітря. При розрахунку концентрації ЗР враховуються безрозмірні показники та коефіцієнти, а також враховується температура стратифікації атмосфери, рельєфу місцевості тощо [6].

 

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”. Ця методика призначена для розрахунку приземних концентрацій в двометровому шарі над поверхнею землі, а також вертикального розподілу концентрації.
Ступінь небезпеки забруднення атмосферного повітря характеризується найбільш розрахованим значенням концентрації, що відповідає несприятливим метеорологічним умовам, в тому числі небезпечності швидкості вітру. Норми не розповсюджуються на розрахунок концентрацій на дальніх (більше 100 км) відстанях від джерела викиду [7].
Для джерел в розрахункових формулах довжина (висота) виражена в метрах, час – у секундах, маса забруднюючих речовин – в грамах, їх концентрація в атмосферному повітрі – в міліграмах на кубічний метр, концентрація на виході з джерела – грамах на кубічний метр.
Розрахунок концентрації забруднюючих речовин, що повністю або частково хімічно трансформуються в більш небезпечні речовини, проводиться по кожній вихідній і утвореній речовині окремо. При цьому потужність джерела для кожної речовини встановлюється з розрахунком максимально можливої трансформації вихідної речовини в більш токсичні. Розрахунками визначаються разові концентрації [8].
Математичне моделювання та прогнозування стану атмосферного повітря за вмістом забруднюючих речовин у відповідності до методики ОНД-86 є досить простим та 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 [5].

2.1 Розрахунок приземних концентрацій ЗР викидів стаціонарних джерел по вісі факелу

Розрахунок концентрації забруднюючих речовин в атмосфері без врахування впливу забудови здійснюється за методикою ОНД-86 для точкових джерел і проводиться за допомогою програмного забезпечення Mathcad.
Розраховуємо максимальне значення приземної концентрації ЗР См (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиничного точкового джерела з круглим устям, що досягається при несприятливих метеорологічних умовах на відстані хм від джерела:
,                                        (2.1)

де, А – коефіцієнт, що залежить від температурної стратифікації атмосфери, для території Країни А=200;
F – безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання ЗР в атмосферному повітрі, F=1 для газів та мілкодисперсних аерозолів;
m, n – коефіцієнти, що враховують умови виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду;
η – безрозмірний коефіцієнт, що враховує вплив рельєфу місцевості. Для всієї Вінницької області, де перепади висот не перевищують 50 м на 1 км, η=1;
∆Т (ºС) – різниця між температурою газоповітряної суміші та температурою навколишнього середовища [9].
Розраховуємо середню швидкість виходу газоповітряної суміші з устя джерела викиду (м/с):
,                                               (2.2)

де V, м3/с – витрата газоповітряної суміші;
D, м – діаметр устя джерела викиду.
Для визначення коефіцієнтів m i n розраховуємо f, ν, ν1:
,                                     (2.3)
,                                     (2.4)
,                                      (2.5)
……………………………(2,6)
Оскільки  , коефіцієнт m визначається за формулою:

,                          (2.7)

Коефіцієнт n у випадку  та при  визначається за формулою:

,                      (2.8)

Розраховуємо відстань до джерела викиду, при якому приземна концентрація досягає максимального значення при несприятливих метеорологічних умовах:

,                                            (2.9)

де Н, м – висота джерела викиду над рівнем землі;
F – безрозмірний коефіцієнт, що враховує швидкість осідання ЗР в атмосферному повітрі, F=1 для газів та мілкодисперсних  аерозолів;
d – безрозмірний коефіцієнт, що при f<100 та при 0.5<ν<2,  визначається за формулою:
,                              (2.10)

Розрахунок максимального значення приземної концентрації забруднюючих речовин См (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиничного точкового джерела з круглим устям, що досягається при несприятливих метеорологічних умовах на відстані хм від джерела для підприємства № 3 наведена в додатку А.
Розрахунок максимального значення приземної концентрації забруднюючих речовин См (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиничного точкового джерела з круглим устям, що досягається при несприятливих метеорологічних умовах на відстані хм від джерела для підприємства № 27 наведений в додатку Б.
Розрахунок максимального значення приземної концентрації забруднюючих речовин См (мг/м3) при викиді газоповітряної суміші з одиничного точкового джерела з круглим устям, що досягається при несприятливих метеорологічних умовах на відстані хм від джерела для підприємства № 29 наведений в додатку В.

2.2 Розрахунок приземних концентрацій забруднюючих речовин від викидів групи джерел та побудова карти

Розрахунок концентрації забруднюючих речовин в атмосфері без врахування впливу забудови 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 2.1[8].

 

Таблиця 2.1 – Параметри району


Параметри

Значення

Коефіцієнт стратифікації атмосфери, А

200

Коефіцієнт впливу рельєфу місцевості, η

1,0

Середня температура навколишнього середовища, °С 

теплого місяця

25,0

холодного місяця

-10

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

10

Вибираємо розрахунковий прямокутник 500 м х 500 м .Параметри джерел викиду наведені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Параметри джерел викиду


№ джерела викиду

Н, м

D, м

V, м3/с

T, °С

Координата X, м

Координата Y, м

3

23

1,5

0,3

100

210

260

27

19,4

1,1

0,3

104,1

85

130

29

10,7

1,0

0,8

81,9

240

350

Результати розрахунку по речовинам, що викидаються в атмосферне повітря наведені нижче.
Речовина: 1 – діоксид нітрогену
ГДК, мг/м3:=0,085
Коефіцієнт осідання: 0,1
Cmax=0,0619
Cmin=0,0030

 

Таблиця 2.3 – Джерела, які викидають Діоксид нітрогену


№ підприємства

Викид, г/с

Xm, м

№3

0,0785

60,174

№27

0,0815

52,022

№29

0,0441

38,87

Карта розсіювання забруднюючої речовини (діоксид нітрогену) представлена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1 - Карта розсіювання забруднюючої речовин (діоксин нітрогену) від стаціонарного джерела

 

Речовина: 3 – Оксид нітрогену
ГДК, мг/м3: 0,0850
Коефіцієнт осідання: 1,0


№ підприємства

Викид, г/с

Xm, м

№3

0,0977

60,174

№27

-

-

№29

-

-

Карта розсіювання забруднюючої речовини (Оксид нітрогену) представлена на рисунку 2.3.


Рисунок 2.3 – Карта розсіювання Оксид нітрогену

 

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 ніведені в таблиці 3.1.

Таблиця 3.1 Дані спостережень за вмістом забруднюючих речовин в атмосферному повітрі


Дата

Згачення концентрації

01.02.2007

3,72

02.02.2007

5,12

03.02.2007

4,78

04.02.2007

6,81

05.02.2007

11,30

06.02.2007

32,43

07.02.2007

16,18

08.02.2007

32,95

09.02.2007

21,00

10.02.2007

19,62

11.02.2007

22,71

12.02.2007

26,8

13.02.2007

29,04

32.02.2007

30,2

15.02.2007

32,59

16.02.2007

32,41

17.02.2007

32,42

18.02.2007

40,38

19.02.2007

37,38

20.02.2007

38,6

21.02.2007

46,28

22.02.2007

46,38

23.02.2007

50,45

24.02.2007

50,46

25.02.2007

53,38

26.02.2007

53,43

27.02.2007

56,17

28.02.2007

57,97

01.03.2007

62,15

02.03.2007

60,28

3.1 Побудова регресійних залежностей для прогнозування процесів в екосистемі

 

Прогнозування процесів в екосистемі, а саме концентрацій забруднюючих речовин в атмосферному повітрі з основних джерел та побудова регресійних залежностей, здійснюється за допомогою Microsoft Excel.
Для прогнозування зміни концентрації ЗР в повітрі застосуємо поліноміальне рівняння  n-го порядку. Здійснивши апроксимацію поліномом 1-го степеня, отримали прогнозовані значення концентрації на наступний місяць. Зміна концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі на наступний місяць 2005 року показана на рисунку 3.1.


Рисунок 3.1 – Зміна концентрації забруднюючих речовин в атмосферному
 повітрі на наступний місяць 2007 року

Здійснивши апроксимацію поліномом 2-го степеня отримаємо прогнозовані значення концентрації на наступний місяць. Графік зміни концентрації забруднюючих речовин в повітрі на липень місяць 2005 року показано на рисунку 3.2.


Рисунок 3.2 – Графік зміни концентрації забруднюючих речовин в
 атмосферному повітрі на липень місяць 2007 року

Спрогнозувавши концентрації забруднюючих речовин в повітрі за допомогою полінома 3-го степеня отримали прогнозовані значення концентрації. Графік прогнозу зміни концентрації забруднюючих речовин в повітрі на липень місяць 2005 року показано на рисунок 3.3.


Рисунок 3.3 – Графік зміни концентрації забруднюючих
                       речовин в повітріна липень місяць 2007 року

Провівши прогнозування за допомогою логарифмічної залежності                     y=log(х), степеневої (y=x2) та експоненціальної (y=ex) залежностей, отримали прогнозовані значення концентрації на наступний місяць. Графік логарифмічної залежності зміни концентрації забруднюючих речовин в повітрі показано на рисунку 3.4.

Рисунок 3.4 – Логарифмічна залежність зміни концентрації ЗР в повітрі

Графік функції у=х2,  та залежність концентрації від дня вимірювання показано на рисунку 3.5 – 3.6.


Рисунок 3.5 – Графік функції у = х2 та залежність
  концентрації від дня вимірювання

Рисунок 3.6 – Графік функції та залежність
    концентрації від дня вимірювання

3.2 Визначення похибок прогнозу процесів в екосистемі

 

Для прогнозу математичної моделі, рівняння якої найкраще описує процеси, що відбуваються в системі та прогнозування за якою буде найбільш вдалим, потрібно визначити похибки математичних моделей по відношенню до експериментальних даних.
Для цього визначаються відносні похибки для усіх математичних залежностей з ідентифікованими на попередньому етапі параметрами, за формулою (3.1).

                                         (3.1)

де, yi , f(xi) відповідно, виміряне та дійсне значення змінної.
Провівши ідентифікацію математичної залежності - із ідентифікованих залежностей обирається така, яка має найменшу похибку, знайдену на попередньому етапі наведено в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 — Відносні похибки математичних залежностей різного порядку


Регресійні залежності

Рівняння залежності

Відносна похибка, %

y(x)=k·x+b

y = 2,0664x - 80823

30,83

y(x)=a·x2+k·x+b

y=-0,0012x2 + 97,778x - 2E+06

30,81

у(х)=с·х3 +а·х2 +k·x+b

0,0003x3 + 29,986x2 - 1E+06x + 2E+10

30,80

logx

80856Ln(x) - 854988

30,78

уі = х2

y = 26,084x0,3212

30,79

y = 31,73e0,01x

30,83

Для прогнозування зміни концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі оптимальною моделлю є рівняння логарифмычної залежності. Оскільки воно має найменшу похибку і дає найбільш точні результати при прогнозуванні.

 

4 Оцінка стану екосистеми за даними моделювання та прогнозування

Як показало моделювання, досліджувана екосистема (атмосферне повітря) знаходиться в гарному стані. Викиди від підприємств 3, 27, 29 та їхні сумарні викиди не перевищують допустимі норми, а концентрації забруднюючих речовин, що встановилися в приземних шарах повітря майже не перевищують гранично-допустимих концентрацій (ГДК), встановлених для даних речовин наведено в 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 № 3

NO2

0,084

40

NO

0,013

 

Підприємство № 27

NO2

0,015

40

NO

-

-

Підприємство № 29

NO2

0,023

40

NO

-

-

В даній таблиці наведені максимальні значення концентрацій забруднюючих речовин, які можуть встановитися в результаті здійснення викидів. Максимальні концентрації встановлюються на певній відстані від джерела викиду (в залежності від роду викидів та потужності підприємства) за умови, якщо середньозважена небезпечна швидкість вітру дорівнює 0,5 м/с, оскільки висота труб, з яких здійснюється викид, невелика. Із збільшенням відстані від джерела викиду концентрація забруднюючих речовин в повітрі зменшується і стає повністю безпечною для людини.
Використовуючи поліноміальне рівняння третього ступеня і логарифмічну залежність, ми можемо найточніше спрогнозувати зміну концентрації забруднюючих речовин в атмосферному повітрі від викидів стаціонарних джерел, оскільки вони є оптимальними аналітичними залежностями, що описують процеси, які відбуваються в атмосфері.

 

 

Висновки

В курсовому проекті ми провели моделювання та прогнозування  розсіювання забрунюючих речовин від викидів стаціонарних джерел.
Було охарактеризовано вплив  підприємств на навколишнє середовище, Було обрано програмне забезпечення , яке максимально відповідає поставленій задачі та проведено розрахунок викидів.
Приведені математичних моделі, що описують забруднення атмосферного повітря та методи прогнозування концентрацій забруднюючих речовин. Проаналізували 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, групи джерел та побудовано карти розсіювання забруднюючих речовин від викидів даних джерел.
Зпрогнозували приземні концентрації забруднюючих речовин від викидів стаціонарних джерел за даними спостережень за один місяць.
Визначено похибки прогнозу процесів в атмосферному повітрі та обрано оптимальну модель для прогнозування заданого ряду значень. Для даного випадку такою моделлю є логарифмічна залежність.
Проведено оцінку стану екосистеми – атмосферне повітря за даними моделювання та прогнозування.

 

 

Література

1. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. – М.: Высшая школа, 1987. – 320 с.
2. Калверта С.Г., Инглунд Г. М. Защита атмосферы от промышленных загрезнений. – М.: Металлургия, 1988. –  712с.
3. Данилов А.Д., Кароль И.Л. Атмосферный озон: сенсации и реальность. – Л.: Гидрометиздат, 1999. – 120 с.
4. Михеев А.В. и др. Охрана природы. – Москва: Просвещение, 1987. – C.57-77.
5. Бусыгин Б.С., Гаркуша И.Н., Серединин Е.С., Гаевенко А.Ю. Инструментарий геоинформационных систем (справочное пособие). — К.: ИРГ "ВБ", 2000. —172 с.
6. Збірник показників емісії (питомих викидів) забруднюючих речовин в атмосферне повітря різними виробництвами, т 1. – Донецьк: УНЦТЕ,  2004. – 58с.
7. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. – Ленінград: Гидрометеоиздат, 1986. – 136с.
8. Петрянов И.В. Сутугин А.Г. Вездесущие аерозоли. М.: Педагогика, 1992. –152 с.
9. Монин А.С., Шишков Н.А. Глобальные экологические проблемы. Серия: Науки о Земле. М.: Знание, №6, 1991. – 136 с.
10. Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города: Учеб. пособие – Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1998. –  109 с.

 

Скачати

Види навчальних матеріалів: 
Оцінка: 
0
No votes yet