CC BY
81
УДК 504.064.36+504.75
К МЕТОДИКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
© Н.П. Петрова, Н.С. Попов, В.А. Лузгачев
Ключевые слова: система экологического мониторинга; выбор мест постов контроля; методика размещения постов.
Рассмотрена задача территориального обоснования мест размещения постов контроля приземных концентраций воздуха. Предложены четыре критерия для выбора предпочтительных вариантов. Приведено решение поставленной задачи для г. Тамбова. Определены инвариантные точки, удовлетворяющие всем критериям одновременно.
Задача оперативного контроля качественного состояния приземного слоя воздуха относится к числу актуальных задач региональных управлений по охране окружающей среды и природопользованию [1].
По результатам анализа работ [2-12], можно сделать вывод о наличии, как минимум, двух стратегий в проектировании автоматизированных систем экологического мониторинга. Первая из них базируется на предположении о том, что «внешние условия» детерминированы, а поэтому их действие можно учесть в процессе проектирования пространственной сети сбора данных. Искомые решения на основе такой стратегии могут выбираться по критериям максимальной концентрации, дозы или информации.
Другая возможная стратегия должна базироваться на полноте информации о состоянии техногенных систем. Она предполагает возможность возникновения аварий с выделением химических веществ на заводах или при перевозке потенциально опасных грузов автомобильным или железнодорожным транспортом, а также должна учитывать появление аномальных метеоусловий и их влияние на процессы рассеивания примесей. Такая стратегия выбора мест размещения постов контроля будет обладать гибкостью и осторожностью, по сравнению с первой, поскольку ей надлежит учитывать многое из того, что неизвестно заранее, и этим задача принятия решений напоминает «игру с природой» [13]. В данном случае природа ассоциируется с внешними условиями, направлением и скоростью ветра, координатами источников загрязнений, внезапно возникших в результате аварий, и т. д.
Формализуем задачу принятия решений о выборе мест расположения постов контроля.
Пусть существует множество возможных вариантов размещения постов контроля V.] е¥ . Как показал анализ вышеназванных работ, каждый вариант VI однозначно определяется качественным результатом 5г . Тогда согласно первой стратегии надо найти варианты с наибольшим значением 5г, т. е. max 5г. При этом в качестве 5г- выступают либо величины концентраций, доз, либо количество информации. Отсюда выбор оптимального варианта производится с помощью правила
V = {VI0 | V, е V л 810 = тах 5г }, (1)
г
где множество V оптимальных вариантов состоит из вариантов V, , принадлежащих множеству V всех вариантов и оценки 5го , а знак л требует, чтобы оба связываемых им утверждения были истинны.
Чтобы прийти к наивыгоднейшему решению в случае, когда вариантам Vi могут соответствовать разумные условия Б,, надо ввести оценочные (целевые)
функции. При этом матрица решений Цз^Ц сводится к
одному результирующему к-му столбцу, и каждому VI приписывается, таким образом, некоторый результат 8,к , характеризующий все последствия этого решения.
В теории принятия решений [13] известно несколько видов оценочных функций 5г£ , которыми здесь можно воспользоваться для выбора мест размещений постов контроля. Так, самая наихудшая по загрязненности позиция контроля может быть найдена по критерию
тах 5Л = тах^ тах 5] j. (2)
Если под 5^ понимать концентрационную нагрузку
вредных веществ в зоне, соответствующей варианту V, при наличии внешних условий Б,-, тогда поиск решения на основе (2) подразумевает размещение поста контроля в самой «загазованной» зоне, где достигается верхний пороговый уровень загрязненности.
Поиск решения по критерию
тах 5,к = тах| — 2 5у| (3)
I I \ Ш]=1 ')
позволяет найти позицию для поста контроля, в котором удобно следить за изменениями «среднего» уровня нагрузки на воздушный бассейн.
В случае поиска решения по критерию
1712
тах 5ік = тах| тіп 5у
(4)
можно определить вариант размещения поста контроля для слежения за «нижним пороговым уровнем» нагрузки на воздушный бассейн, близким к фоновым значениям.
Для оценочной функции (2) правило выбора оптимального варианта размещения поста контроля строится следующим образом:
К = {V, 1 V, е V л 5ю = тах тах 5]}. (5)
1 ]
Для оценочной функции (3) правило выбора варианта (места) размещения поста контроля имеет вид
I 1 т
V = У І Ую є V Л 5іо = тах (— Е 5і;)}.
і т у=1
(6)
По аналогии запишем и правило выбора для оценочной функции (4):
Х-У. После формирования двумерного массива номеров осуществлялся переход к одномерному варианту их обозначения: 1; 2; 3, что позволило рассматривать любую г-ю ячейку в качестве возможного варианта
размещения поста контроля V , г = 1,1408. Тогда состояния этих ячеек Б/ (/ = 1,8 ) будут определяться направлениями переноса примесей из источников под действием средневзвешенной опасной скорости ветра, составляющей 5 м/с.
Использование правила (9) предполагает знание розы ветров для г. Тамбова. Значения д; (/ = 8 румбам)
для сезонов года приведены в атласе [14]. На их основе была построена «годовая» роза ветров со значениями д = 11,75; д2 = 6,75; д3 = 8,75; д4 = 17,25; д5 = 15,25; д6 = 14,0; д7 = 13,75; д8 = 13,0. Отметим, что д1 - вероятность повторения ветра с севера, а д2, 9 соответствуют румбам по часовой стрелке.
В качестве оценки 5 у , соответствующий варианту
Vі и состоянию Б у, использован коэффициент вариации
V = { Vo 1 Vo Є У Л Ъю = тах тіп 5і, }.
(7)
Ъу = / р./ 100 % ,
Как уже отмечалось выше, конкретные состояния Б}- заранее неизвестно:, однако вероятности этих состояний могут быть определены из статистических данных (например, многолетних наблюдений за направлениями и скоростями ветра). В этом случае обозначим qj - вероятность появления внешнего состояния
Б] . И для максиминного критерия (4) можно записать
где ц ] - среднее значение концентраций примесей,
попавших при расчете в г'-ю ячейку при ,-м направлении ветра.
Величина Цу вычислялась по формуле
= І/Мі
Г Мі Е Сп / С
п=І
\
! Ііт
Ъ,к=Е ъу • ■
у=1
о < д, < 1,
Е ду=і, (8)
у=1
а правило принятия решений о размещении поста контроля при этом будет иметь вид
V = іу V Є V Л 5 =
'о І'іо іо '' "го
т т
= тах Е Ъу • л Е = 1}
і У=1 У=1
(9)
где С", С
! Ііт
соответственно, расчетная и пре-
дельно-допустимая концентрации п-го вещества в г-й ячейке; N - число «значимых» концентраций, попавших в результате расчета в г-ю ячейку.
Величина среднеквадратического отклонения Су вычислялась по формуле
Это правило предполагает, что матрица решений ||8,|| дополняется еще одним столбцом, содержащим
математическое ожидание значений каждой из строк. Выбираются те варианты Уго , в строках которых стоит наибольшее значение столбца 5^ .
Согласно работе [11] для г. Тамбова минимальное число станций составляет т = 4-5.
Практическое решение задачи выбора мест размещения постов контроля осуществлялось следующим образом. Территория г. Тамбова размерами 16x10 км (по осям X и У) разбивалась на ячейки размерами 360x345 м. Общее их количество составило 1408. Номер ячейки (г, /) определялся по координатным осям
Расчетные значения С.. находились по известным
Ч
формулам методики ОНД-86. В качестве загрязняющих веществ рассматривались диоксид азота, диоксид серы и оксид углерода. На рис. 1 -3 представлены результаты расчетов в графическом виде. На них черным цветом отмечены те ячейки, которые были выбраны в соответствии с правилами (5)-(7). Для удобства анализа результатов производилась нормировка значений 5 у .
Изучение рис. 1-3 показало, что каждое правило допускает несколько равноценных вариантов размещения постов контроля V■o. Например, при использовании (7) число равноценных позиций оказалось равным
V
т
т
2
Су =
у
V
1713
трем. Для (6) оно равно шести, а для (5) - пятидесяти. позиций для трех постов контроля среди равноценных.
В этой связи возник вопрос об окончательном отборе Решение было найдено после совмещения рис. 1-3.
Рис. 1. Поле коэффициентов вариаций (критерий (4))
Рис. 2. Поле коэффициентов вариаций (критерий (6)) 1714
ав пя 1 г * п! ат 02*
Рис. 3. Поле коэффициентов вариаций (критерий (7))
Оказалось, что существуют такие «инвариантные» ячейки на территории города, выбор которых не противоречит всем названным выше правилам размещения постов контроля. Одна из таких ячеек расположена в Октябрьском районе, другая - в Ленинском и третья - в Советском. Интересно и то, что одна из таких ячеек расположена вблизи действующего поста периодического контроля загрязнения воздуха на ул. Аэрологической. Две другие ячейки, выбранные по критериям (5) и (9), также оказались вблизи расположения действующих в городе постов контроля (на территории Областной больницы и Кардиологического санатория). Отсюда был сделан вывод о непротиворечивости экспериментально выбранных мест размещения постов контроля расчетным и о полезности разработанного подхода при создании сети автоматизированного мониторинга воздушного бассейна.
ЛИТЕРАТУРА
1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2002 году: государственный доклад Минприроды РФ. М., 2003. С. 371-376.
2. Burger L. W., Mulholland M. Real-time prediction of point - source distritutions using an anemometer - bivane and a microprocessor // Atm. Env. 1988. V. 22. № 7. P. 1309-1317.
3. Balzer W. and al. An autonomic station for measuring air pollutants in remote areas // Atm. Env. 1987. V. 21. № 1. P. 179-183.
4. Системы контроля загрязнения воздушного бассейна выбросами промышленных примесей предприятий. М.: ЦНИИТЭИ, 1978. 64 с.
5. Munshi U., Partil R.S. A method for selection of air quality monitoring sites for multiple sources // Atm. Env. 1982. V. 16. № 8. P. 1915-1918.
6. Houghland E.S. Air pollutant network design using mathematical programming. Ph.D. thesis. Virginia Polytechnical Institute and State University. Virginia, 1977.
7. Noll K.E., Miller T.L. Design of air monitoring surveys near large power plants. Power Generation, 1976. P. 121-122.
8. Houghland E.S., Stephens N.T. Air pollutant monitoring sitting by analytical techniques // J. Air Pollut. Control Ass. 1976. V. 26. P. 51-53.
9. Noll K.E., Mitsutomi S. Design methodology for optimum dosage air monitoring site selection // Atm. Env. 1983. V. 17. № 12. P. 25832590.
10. Husain T., Khan S.M. Air monitoring network design using Fisher’s information measures - a case study // Atm. Env. 1983. V. 17. № 12. P. 2591-2598.
11. Примак А.В., Щербань А.Н. Методы и средства контроля загрязнения атмосферы. Киев: Наукова думка, 1980. 296 с.
12. Драмлич М., Иованович—Курепа М. Автоматическая мониторинг-система наблюдения за загрязнением атмосферы воздушных бассейнов. М., 1982. 14 с.
13. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972. 552 с.
14. Атлас Тамбовской области. М.: ПКО «Картография» ГУГК, 1981. 33 с.
Поступила в редакцию 11 июля 2014 г.
Petrova N.P., Popov N.S., Luzgachev V.A. ON METHO-DICS OF PROJECTING OF SYSTEMS OF ECOLOGICAL MONITORING
The purpose of this study is to justify the decisions of placing the ground-level air concentration control stations. It proposes four criteria for selection of the preferred embodiments. The solution to the problem is given for Tambov. The invariant points that satisfy all criteria are defined.
Key words: environmental monitoring system; choice of places of control stations; dislocation of control stations.
Петрова Надежда Петровна, Управление по охране окружающей среды и природопользованию Тамбовской области, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, начальник, e-mail: eco@nnn.tstu.ru
Petrova Nadezhda Petrovna, Management for protection of environment and nature use of Tambov region, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Head, e-mail: eco@nnn.tstu.ru
1715
Попов Николай Сергеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой природопользования и защиты окружающей среды, e-mail: eco@nnn.tstu.ru
Popov Nikolay Sergeyevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor, Head of Nature Use and Environment Protection Department, e-mail: eco@nnn.tstu.ru
Лузгачев Валерий Алексеевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры природопользования и защиты окружающей среды», e-mail: luzga@nnn.tstu.ru
Luzgachev Valeriy Alekseyevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Nature Use and Environment Protection Department, e-mail: luz-ga@nnn.tstu.ru
1716
