Сравнительный анализ программных средств для исследования загрязнения атмосферы составляющими дымовых газов

Загрязнение атмосферного воздуха является одной из самых серьезных экологических проблем. Повышение концентрации загрязняющих веществ наблюдается в атмосфере практически любого города мира. Возникает необходимость в решении задачи моделирования распространения загрязняющих веществ в атмосфере, а именно от точечных источников таких как, например, мусоросжигательный завод с целью прогнозирования, мониторинга, оценки, а впоследствии, уменьшения их воздействия на экосистему.

Источники загрязнения подразделяются на стационарные и мобильные.

Стационарным источником называется источник, сосредоточенный в определенном месте и выбрасывающий в атмосферу загрязняющие вещества из стационарного отверстия.

Для городов такие источники являются: дымовые труби заводов, теплоэлектростанций, отопительных котельных, технологических установок, печей, шахт и т.д.

Если проанализировать, что выбрасывают стационарные источники то это главным образом: сернистый газ, окислы азота, угарный газ, фенолы, серная кислота, пыль и т.д. [1]

В основном трубы для выброса стационарных источников находятся на большой высоте, что приводит к распространению загрязняющих веществ на большие расстояния и охватывают огромные площади.

Чтобы представить процессы, которые происходят при выбрасывании загрязняющих веществ необходимо использовать математические модели. Такие модели используются в программных средствах и состоят из нескольких подмоделей, которые взаимодействуют между собой при моделировании, переносе и преобразовании загрязнения воздуха.

Лидером по разработке программ, которые используют математические алгоритмы для расчета загрязнения в атмосферном воздухе, являются Соединенные Штаты Америки, Великобритания, и Европейские страны  рис.1. К сожалению страны СНГ, отстают в этом плане, имея в своем арсенале всего лишь такие программные продукты как «Монитор», «Экосфера», «Эра-Воздух». Два из которых «Монитор» и «Экосфера» остановили свое развитие и не являются актуальными на сегодняшний день. [2]

Программы условно можно разделить рис.2:


Рис.1 Классификация программ по странам


Рис.2 Условная классификация программных средств
моделирующих атмосферное загрязнение

 

  • Наиболее распространенные, которые чаще всего применяются в мире.
  • Альтернативные - в эту группу входят программные продукты с бесплатным доступом. [3]
  • Скрининг - это модели, которые часто используются перед применением уточненной модели качества воздуха, чтобы определить, какая модель необходима.
  • Фотохимические – модели качества воздуха, которые стали широко использовать инструменты для оценки эффективности управления стратегий, принятых регулирующими органами
  •  Эти модели являются высококачественными моделями дисперсии, которые имитируют изменения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Модели описывают химические и физические процессы в атмосфере. Эти программы применяются в различных географических масштабах, начиная от местного и регионального до национального и глобального. [4]
  •  Остальные модели – не часто встречающиеся и довольно сложные в использовании.

Для сравнительного анализа рассмотрим программы (они же модели): AERMOD, CALPUFF, AUSTAL 2000.

Программа AERMOD

Модель атмосферной дисперсии, которая включает три модуля: AERMOD (модель состояния дисперсии) предназначена для моделирования состояния в радиусе до пятидесяти километров от стационарных промышленных источников; AERMET – принимает наземные метеорологические данные, вычисляет атмосферные параметры необходимые для дисперсионной модели, такие как турбулентная диффузия в атмосфере, смешивание высот, скорость рассеивания, длины Монина-Обухова и теплового поверхностного потока; AERMAP – препроцессор местности основной целью, которого является обеспечение взаимосвязи между особенностями рельефа и поведения распространения загрязнения [5].

Программа основана на алгоритме Гауссовой модели. Данный алгоритм является самым распространённым при моделировании анализа воздушной дисперсии. Алгоритм базируется на нормальном распределении, при котором математическое ожидание равняется нулю, а стандартное отклонение единице.

Преимущество данной модели заключается в следующем: прогнозирование  непрерывных, плавучих выбросов от уровня земли, также модель может использоваться для прогнозирования дисперсии прерывистых выбросов; концентрация загрязняющих веществ не влияет на разряженный поток, при моделировании турбулентные потоки линейные, боковая средняя скорость и вертикальная скорость ветра равны нулю; модель принимает метеорологические данные с нескольких высот; возможность создания профилей температуры, ветра, турбулентности; использование вертикальной и горизонтальной дисперсии; учет строительных эффектов; моделирования сухого, а также мокрого осаждения частиц.

Недостатки данной модели: существенные затраты при подготовке входных данных, данные модели можно использовать для оценки экологических рисков от промышленных стационарных источников.

Программа CALPUFF

Модель была принята Соединенными Штатами, Агентством  по охране окружающей среды, является передовым решением с интегрированной Гауссовой моделью для моделирования атмосферной дисперсии. Модель основана на базе «Руководства по качеству воздуха», как предпочтительная модель для оценки переноса загрязняющих веществ на большие расстояния и воздействия их на федеральные области, включая сложные метеорологические условия. [6]

Система моделирования состоит из трех основных компонентов и множества предварительных обработок и предобработок данных. Основными компонентами системы являются CALMET – диагностические трехмерные метеорологические модели; CALPUFF – модель дисперсии качества воздуха; CALPOST – пакет постобработки. Каждый из этих компонентов  имеет графический интерфейс, к дополнению к этим пакетам программа включает в себя множество других процессоров которые используются для подготовки геофизической статистики с использованием метеорологических данных. [7].

Модель предназначена для моделирования дисперсии непрерывных, плавучих выбросов, как от точечного источника, так и от линейных источников. Модель также включает в себя алгоритмы для обработки эффекта скоса на близлежащие здания на пути распространения загрязняющих веществ.

Основные преимущества данной программы: использование модели Эйлера которая имитирует эффекты во времени и пространстве при меняющихся метеорологических условиях; имитирует суточные циклы для каждого загрязняющего вещества; использует трехмерные метеорологические поля; также возможность удаления из шлейфа мокрых либо же сухих осаждений; дает понятие о химических преобразованиях, а также вертикальном сдвиге ветра.

Главные недостатки: требует высокой квалификации оператора, дисперсия газов тяжелее воздуха не рассматривается, нет алгоритма вычисления температуры источника, не моделирует сухое осаждение.

Программа AUSTAL 2000

Программа для моделирования дисперсии загрязнителей воздуха в окружающей среде. Была разработана в Германии по контракту с Министерством по вопросам окружающей среды, охраны природы и безопасности ядерных реакторов. Эта модель является эталонной, так как она базируется на «Технической инструкции по контролю за качеством воздуха». [8]

Построена на модели Лагранжа, которая предсказывает дисперсию загрязняющего вещества зная изменения базовых показателей. Модель описывает перенос отдельных воздушных потоков под действием атмосферных полей и распространения примесей загрязняющего вещества.

Преимуществом программы: моделирование эффектов распределения загрязняющих веществ на пути сооружений; моделирование сложного рельефа местности; моделирование шлейфа загрязняющих веществ по сухим или мокрым осаждениям, в порядке химических реакций.

Модель Лагранжа дает эффективную в вычислительном плане систему.

Недостатки: трудность моделирования взаимодействия большого количества отдельных источников загрязнения, требующее использование нелинейной химии.    

Выводы

Программные комплексы, применяющиеся на сегодняшний день, в основном, строятся на трех моделях: Лагранжа, Гаусса, Эйлера. Лидером на рынке таких продуктов являются Соединённые Штаты Америки. Из представленных на рынке программ наиболее эффективные: AERMOD компании «Lakes Environmental», CALPUFF  «Earth Tech Inc.», AUSTAL 2000 «Lakes Environmental». Помимо данной классификации  программы можно также дифференцировать по моделям, на которых они построены; по задачам, для которых они применяются; алгоритмам моделирования; масштабам использования; методикам вычисления; сложности исполнения и т.д. Для задач прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха от таких стационарных источников как дымовые трубы заводов, теплоэлектростанций, мусоросжигательных заводов лучшим решением будет применение программных продуктов: AERMOD, CALPUFF, AUSTAL2000.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. В.С. Бабков, Т.Ю. Ткаченко, Наукові праці ДонНТУ Серія "Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка"  випуск 13(185), 2011, ст.148
  2.  В.А. Порєв, О.О. Костира, Методи та прилади контролю якості, № 20, 2008, ст.75
  3.   Alternative Models [электронный  ресурс], режим  доступа: http://www.epa.gov/scram001/dispersion_alt.htm
  4. Turner, D.B. (1994). Workbook of atmospheric dispersion estimates: an introduction to dispersion modeling (2nd Edition ed.). CRC Press.
  5. http://www.epa.gov/scram001/7thconf/aermod/aermod_mfd.pdf
  6. http://www.ofcm.gov/atd_dir/pdf/calpuff.pdf
  7. Beychok, M.R. (2005). Fundamentals Of Stack Gas Dispersion (4th ed.). self-published.
  8. http://en.wikipedia.org/wiki/AUSTAL2000

УДК 004.942 (504.054)
Шило Ар. С. Сравнительный анализ программных средств для исследования загрязнения атмосферы составляющими дымовых газов [Електронний ресурс]  / [Шило Ар. С., Шило Ан. С.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.136–139. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet