CC BY
45
УДК 519.2 С.В. Ковтун
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ В МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ ВЫБРОСОВ
В статье рассматриваются математические модели распространения опасных веществ и результаты вычислений распространения выбросов с помощью автоматизированного комплекса КРЕДО. Экологический анализ влияния автомобильного транспорта на окружающую среду необходим для определения эмиссии вредных веществ с учетом вклада каждого источника в общей концентрации придорожного пространства.
Ключевые слова: цифровая модель местности, интенсивность транспортного потока, эмиссия, предельно допустимая концентрация, линии уровня постоянных значений загрязняющих веществ.
S.V. Kovtun
DISTRICT DIGITAL MODEL USE IN THE MATHEMATICAL MODEL OF THE INDUSTRIAL AND TRANSPORT EMISSIONS
The mathimatical models of the dangerous substances spread by means of the automation complex CREDO are considered in the article. The ecological analysis of the moto transport influence on the environment is neses-sary for the harmful substances emissions determination, taking into consideration each source contribution to the general concentration of the roadside space.
Key words: district digital model, transport stream intensity, emission, maximum permissible concentration, lines of the level of the polluting substances constant values.
Красноярск - крупный промышленный центр, на территории которого находятся Красноярский алюминиевый завод, ряд химических предприятий, котельные ТЭЦ. Через город проходят федеральные автомобильные дороги М-53 «Байкал» и М-54 «Енисей».
Перепад высот между террасами Енисея, на которых расположена большая часть территории города, превышает 150 м. Отметка уреза воды в р. Енисей составляет 140 м над уровнем моря, в то время как отдельные вершины окаймляющего город с правого берега Торгашинского хребта и Николаевская сопка на левом достигают 500-метровых значений.
Все вышесказанное делает моделирование рассеяния промышленных и автомобильных выбросов с учетом климатических и орографических условий Красноярска сложной расчетной задачей [1]. Для оценки уровня выбросов в городских условиях в зависимости от типов застройки и орографии используется математическая модель Монина-Обухова [2].
В г. Красноярске контроль состояния атмосферного воздуха осуществляется Территориальным центром по мониторингу загрязнения окружающей среды. Наблюдения ведутся в стационарных пунктах, расположенных в разных административных районах города. В еженедельной справке о состоянии загрязнения атмосферного воздуха по районам города приводится перечень загрязняющих веществ, превысивших нормативные значения предельно допустимых концентраций (ПДК) в течение недели, и указывается величина зафиксированных максимальных выбросов в единицах ПДК.
Центральный район
Ленинский район
Ж* * '
•ж*«'
• Взв.в-ва ■ NO2
• этилбензол
• формальдегид 3KHF
-СО
■■ ■*
► Взв.в-ва ■ NO2
ь этилбензол • формальдегид к HF -CO
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55
Время(неделя)
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55
Время (неделя)
а б
Рис. 1. Еженедельное распределение выбросов в г. Красноярске: а) Центральный район; б) Ленинский район (данные Территориального центра по мониторингу окружающей среды)
7
6
5
S 4
Э 3
Э 3
2
0
В работе [3] на карту Красноярска была нанесена сетка с шириной ячейки 1,5 км. На ней выбраны 20 характерных точек, в которых измерялась интенсивность транспортных потоков (рис. 2). Информация о выбросах приведена по данным Территориального центра по мониторингу загрязнения окружающей среды. Посты наблюдения находятся: Центральный район - ул. Сурикова, 54; Советский район - ул. Тельмана, 18; Свердловский район - ул. Матросова, 6; Кировский район - ул. Кутузова, 92; Ленинский район - ул. Чайковского, 7, ул. Солнечная, 8; Железнодорожный район - ул. Тимирязева, 2.
Рис. 2. Карта г. Красноярска с нанесенной сеткой и пунктами контроля воздуха
С помощью программного комплекса были построены изолинии постоянных значений вы-
бранных веществ (рис. 2).
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
"16 18 20 22
СО
Ззвешенные вещества Рис. 3. Линии уровня и поля скоростей загрязняющих веществ для г. Красноярска
Цифровая модель местности и ее роль в моделировании промышленных и транспортных выбросов рассматривается в работе [4].
Упрощенная модель рассеивания вредных выбросов. Более простая модель распространения вредных веществ заложена в алгоритме автоматизированного комплекса CREDO [5]. Фактическая концентрация определяется двумя основными процессами:
- выбросом (эмиссией) вредных веществ с отработавшими газами автомобильных двигателей;
- распределением вредных веществ в придорожном пространстве.
Выброс вредных веществ зависит не только от интенсивности и состава транспортного потока, но и от режима движения. Тот или иной режим работы автомобиля и двигателя водитель выбирает, анализируя технический уровень и эксплуатационное состояние дороги на данном участке, и это то, что определяет расход топлива, объем отработавших газов, концентрацию вредных веществ в них.
Распределение вредных веществ в придорожном пространстве определяется мощностью источника загрязнения (г/с), то есть эмиссией - выбросом с отработавшими газами, а также климатическими, погодными условиями и характеристиками рельефа.
Как отмечается в [6], источником выбросов следует считать всю проезжую часть, в границах которой формируется некоторый площадной источник, который представляется в виде группы равномерно расположенных одиночных точечных источников. В связи с неравномерностью выбросов по длине дороги в практических расчетах концентрации всю дорогу следует делить на ряд смежных площадных источников. Мощность каждого источника формируется всей совокупностью автомобилей, входящих в состав транспортного потока, и определяется режимами их движения на данном участке дороги. Такие особенности автомобильнодорожного источника выбросов требуют разработки соответствующих алгоритмов расчета концентраций вредных веществ в придорожном пространстве.
Таким образом, экологический дорожный анализ представляет собой достаточно сложную задачу, как в постановке (в ней должны быть учтены теории автомобилей и двигателей, теории транспортных потоков, координатной геометрии, метеорологии и т.п.), так и в вычислительной части. Комплекс CREDO может быть использован для получения оценок выбросов в первом приближении на достаточно большой протяженности дороги. С его помощью можно провести многочисленные численные эксперименты при любых сочетаниях геометрических характеристик дороги, рельефа, транспортных потоков, климатических факторов.
В данном комплексе реализована методика, в которой все токсичные вещества приведены к одному условному показателю обобщенной токсичности, вычисляемому по формуле
Т = Ссо + KchCch + KnoCno + КсжСсж + KpbCpb,
где Ссо, Cch, Cno, Ссж, Cpb - концентрация, соответственно, оксида углерода, углеводородов, оксида азота, сажи, свинца;
Kch, Kno, Ксж, Kpb - коэффициенты относительной токсичности углеводородов, оксидов азота, сажи, свинца, вычисленные по отношению ПДК оксида углерода (3 мг в м3) к ПДК этих веществ, например, для соединений свинца: Kpb = 3(мг/м3) / 0,0003 (мг/м3)=10000.
С помощью данного комплекса можно выполнить экологические расчеты для автомобильной дороги, запроектированной на цифровой модели местности автоматизированным способом. Ниже представлены расчеты экологических мероприятий, выполненные автоматизированным способом при помощи комплекса CREDO.
Модель транспортного потока вблизи КрасТЭЦ
Марка автомобиля Процент в потоке Количество единиц/ч
Легковой 83 5466
Грузовой легкий 6 395
Г рузовой средний 3 198
Грузовой тяжелый 1 66
Автобус 7 461
Всего 100 6585
Проводится сопоставление результатов численного моделирования с экологическими расчетами, выполненными в программном комплексе CREDO на основе разработанной цифровой модели уличнодорожной сети г. Красноярска [7].
Рис. 4. Улично-дорожная сеть и рельеф г. Красноярска.
(Белым цветом показаны основные действующие магистрали, красным - планируемые к вводу и эксплуатации)
Изолинии диоксида азота, взвешенных веществ (РМю), СО, этилбензола и направления воздушных потоков показывают, что исторический центр Красноярска образует своеобразный «остров», созданный постоянно контрастирующими с температурой окружающего воздуха водами Енисея. Незамерзающая зимой полынья от нижнего бьефа Красноярской ГЭС способствует появлению туманов. В летний период охлажденные воды Енисея также играют существенную роль в распределении выбросов.
а б
Рис. 5. Уровни концентрации на участке проспекта имени газеты «Красноярский рабочий»: а) от ул. Кольцевой до ул. Затонской; б) вблизи КрасТЭЦ
Выводы
С помощью программного комплекса CREDO получены данные по обобщенной токсичности для магистральных улиц.
Построены изолинии фоновой концентрации для выбросов, контролируемых Территориальным центром по мониторингу загрязнения окружающей среды.
Литература
1. Проблемы экологии Сибири: прил. к «Вестнику КрасГАУ»: сб. науч. ст. / Краснояр. гос. аграр. ун-т. -Красноярск, 2003. - 155 с.
2. Алоян, А.Е. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды / А.Е. Алоян, В.В. Пе-ненко, В.В. Козодеров // Современные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. - М.: Наука, 2005. - Т. 2. - С. 279-351.
3. Адмаев, О.В. Моделирование оценки выбросов автотранспорта в Красноярске / О.В. Адмаев // Вестн. Краснояр. гос. ун-та. - 2005. - №4. - С. 143-151.
4. Адмаев, О.В. Моделирование выбросов автотранспортного потока при различных скоростях ветра с использованием уравнений газовой динамики в программном комплексе CREDO / О.В. Адмаев, Т.В. Гавриленко // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании: тр. Х Байкальской Всерос. конф. Ч. 1. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. - С. 160-166.
5. CAD_CREDO. Проектирование автомобильных дорог. Руководство пользователя. - Т. 5. - Кн. 1. - 43 с.
6. Говорущенко, Н.Я. Проблемы и методы оценки экологического и энергетического качества автомобильных дорог // Н.Я. Говорущенко, В.В. Филиппов, Г.В. Величко // Автоматизированные технологии CREDO-2000. - С. 45-51.
7. Ковтун, С.В. Оценка уровня выбросов транспортных потоков на улично-дорожной сети г. Красноярска / С.В. Ковтун, И.С. Тетерин // Тез. докл. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых-физиков НКСФ - XXXV (2006) / под ред. доц. П.П. Турчина; Краснояр. гос. ун-т. - Красноярск: РИО КрасГУ, 2006. - С. 32.
УДК 630* 3; 630*3:51-7 А.Н. Сухих
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛЕСОЗАГОТОВИЕЛЬНЫХ МАШИН ЛПК ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Предлагаются методики оценки использования лесозаготовительных машин. Для каждого условия предлагаемые модели помогут провести оптимизацию параметров и режимов работы лесозаготовительных машин, выбрать менее затратную технологию с целью их дальнейшего внедрения в ЛПК Иркутской области.
Ключевые слова: лесопромышленное производство, моделирование, методика, оптимизация, параметры и режимы работы, лесозаготовительные машины.
A.N. Sukhikh MATHEMATICAL MODELING OF PARAMETERS AND OPERATION MODES OPTIMIZATION OF THE LUMBERING MACHINES OF THE IRKUTSK REGION TPC
Estimation techniques of the lumbering machines use are offered. For each condition the proposed models will help to optimize the parameters and operation modes of the lumbering machines and choose the cheapest technology in order to implement them in the Irkutsk region TPC.
Key words: timber production, modeling, technique, optimization, parameters and operation modes, lumbering machines.
Современные условия динамично развивающегося лесопромышленного производства определяют требования к современной науке по созданию высокоэффективных и производительных лесозаготовительных машин, при этом должны выполняться условия эксплуатации и эффективной технологии заготовки лесных ресурсов.
Для определения производственной мощности лесозаготовительного производства используется методика [1].
ПМ = Рсм ■ Нсм • Др ■ Ксм ■ КП1г ■ Кр ■ Кор , (1)
где ПМ - производственная мощность;
Рсм - сменная производительность техники, м3;
