МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ.

В последние годы возрос интерес к построению математических моделей загрязнения воздуха, воды и почвы, прогнозу и экономической оценке возможных последствий загрязнений на основе методов математического моделирования, к разработке на основе математических моделей систем контроля и управления загрязнениями; к разработке научно обоснованных методов долгосрочного планирования мероприятий, направленных на сокращение выбросов вредных веществ.

На первоначальном этапе моделирования происходит сбор сведений об изучаемом явлении. Это пассивный банк данных и сценарии. Сценарий влияет на выбор исходной информации и на формирование минимальной модели, которая должна ответить на вопросы, заложенные в сценарий. Затем формируют определенные допущения об этом явлении на языке математики, который обычно используется для описания модели.

Следующий блок предназначен для испытания построенной модели, а в случае необходимости и для ее модификации (это блок - активный банк данных).

Для проверки модели желательно получить некоторые данные о реальном явлении. На основе проверки модели можно сделать выводы, которые можно разделить на два типа:

• одни относятся к ранее наблюдавшимся ситуациям и носят объяснительный характер;

• другие относятся к новым, ранее не наблюдавшимся ситуациям и используются для предсказания или прогноза.

На основе новых данных и сведений о прогнозе, рассчитанном по модели, модель модифицируется, и процесс исследования циклически повторяется по тому же контуру. Таким образом, любая математическая модель признается лишь временной. Циклический процесс продолжается все время, и новые порции данных должны повышать объяснительную способность модели.

Типы моделей. Известно много типов математических моделей. Некоторые математические модели являются детерминированными, тогда как другие - вероятностные. Детерминированные модели дают точный прогноз, вероятностные - прогноз о том, что некоторое событие произойдет с определенной вероятностью.

Существует также разделение моделей на прескриптивные и дескриптивные. Прескриптивная модель описывает, как некое лицо, группа, общество, правительственный орган должны были бы вести себя в определенной идеализированной ситуации Дескриптивная модель описывает, как они в действительности себя ведут. Для построения математических моделей важными являются сведенья о путях поступления загрязнения, его поведении в окружающей среде, влиянии и путях исчезновения. Для этого немаловажными являются сведенья о распределении газообразных веществ в атмосфере, жидкостей в воде и на почве.

Существует множество факторов, которые влияют на размер и на форму зон опасности, возникающих вследствие выброса паров и газов в атмосферу. Выделяются четыре стадии движения облака по направлению ветра. В нулевой момент времени формируется мгновенное облако, концентрация пара в котором близка к 100%-ной (концентрация чистого пара, а воздух вокруг облака еще не загрязнен)

В следующий момент времени облако вырастает в размере за счет смешивания с воздухом, а та его часть, где концентрация пара все еще 100%, становится меньше, концентрация пара в промежутке изменяется от 100% у границы с ядром до 0 у границы облака. В следующие моменты времени ядро 100% пара становится еще меньше, а затем исчезает вообще, начиная с этого момента пик или максимальная приземная концентрация и будет уменьшаться. На дисперсию газов и паров в атмосфере наибольшее влияние оказывают следующие условия: уровень и количество выброса; факторы стабильности атмосферы; плавучесть газов и паров; высота выброса; физическое состоянием загрязнителя;скорость выброса; рельеф местности; изменения в направлении ветра.

Рассмотрим систему прогнозирования качества атмосферного воздуха, которая находит сегодня широкое применение для оперативного и долгосрочного прогнозирования и для идентификации выбросов

Для решения задач долгосрочного и оперативного прогнозирования положены известные подходы к моделированию распространения вредных примесей загрязнения в атмосферном воздухе и прогнозированию загрязнения атмосферного воздуха. К моделям долгосрочного прогнозирования относятся модели прямого моделирования и расчетные.

Для долгосрочного прогнозирования наиболее часто применяются расчетные (модели, полученные на основе решения уравнений турбулентной диффузии. Эти модели положены в основу «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86), широко используемой для инженерных расчетов и реализованной в ряде программных комплексов для расчетов загрязнения атмосферного воздуха.

Для оперативного прогнозирования широкое распространение получили статистические модели линейной и нелинейной регрессии. Их несомненным преимуществом является простота реализации и алгоритмизации. Основное ограничение применения данных моделей - отсутствие непосредственного учета физических особенностей процесса загрязнения воздуха, вследствие чего они характеризуются невысокой (хотя во многих случаях и приемлемой) точностью прогнозирования. Выбор конкретной модели (или моделей) определяется в конечном итоге целями прогнозирования и постановкой решаемой задачи прогнозирования Результатами расчетов по прогнозированию являются:

- для долгосрочного прогнозирования - получение профилей концентрации загрязняющих веществ, определение расстояний и опасных скоростей ветра, соответствующих образованию максимальных концентраций загрязняющих веществ, расчет величин предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ в атмосферу и минимальных высот источников выбросов, при которых содержание загрязнителей не будет превышать допустимого значения;

- для оперативного прогнозирования - получение регрессионных или других видов зависимостей для прогнозирования концентраций загрязняющих веществ на другие периоды времени и заданные расстояния от источников загрязнения;

- для идентификации источников загрязнения - выявление возможных источников загрязнения атмосферного воздуха.

На первом этапе долгосрочного прогнозирования определяют влияние постоянно действующих источников загрязнения атмосферы на состояние и качество атмосферного воздуха в районе, непосредственно прилегающем к производственной площадке.

На следующем этапе долгосрочного прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха типовыми точечными источниками для загрязняющих веществ проводится оценка границ валовых выбросов, приводящих к превышениям ПДК_СС и ПДК_мр в различное время года. Полученные значения необходимо использовать для оценки последствий залповых (аварийных) выбросов и принятия оперативных решений по идентификации источников зафязнения, оперативному прогнозированию концентраций зафязняющих веществ. В рамках оперативного прогнозирования проводится прогнозирование концентраций наиболее опасных загрязняющих веществ при максимально неблагоприятных метеоусловиях на расстояниях, соответствующих образованию этих концентраций (по результатам вычислительного эксперимента, полученного на этапе долгосрочного прогнозирования).

Лекция №11.