CC BY
44
УДК 621.039.7.001.2
КОМП'ЮТЕРН1 ЗАСОБИ ПРОГНОЗУВАННЯ ТЕХНОГЕННИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА АТМОСФЕРУ
Запропонована тформацшно-прогнозна комп'ютерна система, яка визначае рiвень техногенних навантажень на атмосферу м^та вид потенцшно-небезпечних тдпри-емств
Ключовi слова: комп'ютерна система, СУБД, ризик негайних токсичних ефектiв, математична модель
Предлагается информационно-прогнозная компьютерная система, которая определяет уровень техногенных нагрузок на атмосферу города от потенциально-опасных предприятий
Ключевые слова: компьютерная система, СУБД, риск немедленных токсических эффектов, математическая модель
The proposed information and forecasting computer system that determines the level of anthropogenic load on the atmosphere of the city of potentially hazardous enterprises
Keywords: computer systems, database management, the risk of immediate toxic effects, a mathematical model
1. Вступ
На тепершнш час фахiвцями-екологами широко використовуються програми для розрахунку розпов-сюдження забруднення домшок в атмосферi та iншi спецiалiзованi еколопчш програми, що прогнозують розмiр викидiв вщ окремих тдприемств. Щ програми досить точно виршують задач^ орieнтованi на ощн-ку локальних навантажень на атмосферу. Проте для виршення найб^ьш актуальних задач мониторингу та контролю еколопчного стану атмосфери на рiвнi мшта або регюну необхiдно розробити принципово шш^ спецiалiзованi програмнi засоби, адаптоваш для роботи з рядом тдприемств одночасно
Розглянемо деяю сучасш комп'ютернi системи, якi використовуються для збереження даних щодо за-бруднюючих речовин та моделювання розповсюджен-ня домшок в атмосферi для окремих територш.
Розроблена фiрмою „1нтеграл" (Ро«я) комп'ютерна система розрахункового мониторингу стану якостi повiтряного басейну мшта (регiону) „Еколог-Мшто" призначена для автоматизацп дiяльностi територiаль-них природоохоронних оргашв, екологiчних служб
А.В. Яцишин
Кандидат техычних наук, завiдувач тематичноТ групи* Група "Еколопчний аналiз та прогноз" Контактний тел.: 8 (044) 424-91-68 E-mail: andic@ua.fm
О.О. Попов
Астрант*
Контактний тел.: 8 (044) 424-91-68
В.О. Артемчук
Астрант*
Контактний тел.: 8 (044) 424-91-68 *1нститут проблем моделювання в енергетиц iM. Г.£.
Пухова НАН УкраТни вул. Генерала Наумова, 15, м. КиТв, УкраТна, 03164
адмiнiстрацiй мiст (регiонiв), проведення зведених розрахунюв забруднення атмосфери мшт [4].
Недолiком дано! системи е те, що вона робить роз-рахунок приземних концентрацш шкiдливих речовин по методищ ОНД-86, оскiльки дана модель дозволяе визначити лише максимальний рiвень концентрацп за найбiльш несприятливих метеоролопчних умов, якими е поеднання нестшкого стану атмосфери та небезпечно! швидкостi вiтрy Даний напрямок моделювання роз-повсюдження забруднення е досить обмеженим тому, що дозволяе визначити рiвень концентрацп лише при одному фжсованому напрямку та фiксованiй швидко-сп вiтру. Тобто ОНД-86 - це детермшована модель, яка не враховуе iмовiрнiсний характер метеорологiчних умов, таких як стан атмосфери, напрям та швидюсть виру, що дуже суттево при визначенш середнього рiвня забруднення за певний перюд часу (мкяць або рiк).
Також вiдомим шструментом iнформацiйноi тд-тримки системи управлшня якiстю атмосферного повiтря на територп мiста е iнформацiйна система „Атмосферне повгтря", що входить до складу шформа-цiйно-аналiтичного комплексу „Екологiчний паспорт територп Санкт-Петербурга". Система дозволяе ште-
уз
грувати наявш даш за якiстю атмосферного повиря i проводити 1х сумшний аналiз. Вона включае блок збе-рiгання первинних даних i ряд шформацшних сервiсiв, що використовують технолопю ESRI ArcIMS, а також авторсью програмнi додатки i розрахунковi модулi [5]. Зазначимо, що недолiком дано1 системи е те, що вона штегруеться з продуктами фiрми ESRI, якi коштують занадто дорого для вичизняних користувачiв.
В Украiнi аналогом шформацшно1 системи „Ат-мосферне повиря" можна вважати систему еколопч-ного мониторингу атмосфери, створену Донецьким Нащональним Технiчним Унiверситетом при розробцi комплексу АК1АМ (Апаратно-програмний комплекс екологiчного мониторингу атмосферного повiтря). В данiй системi е банк даних, в якому збертються метеорологiчнi параметри i значення концентрацш шкiдливих речовин на територп мiста з 2000 року. Накопичена юльюсть даних перевищуе 1 м^ьйон спостережень. Зiбранi данi дозволяють аналiзувати тенденцii змiни екологiчних параметрiв якост атмосферного повiтря, здiйснювати прогнози i обгрунтову-вати природоохороннi заходи.
Системи такого типу обробляють лише даш з по-стiв спостереження за станом атмосфери, де вимiрю-еться концентращя основних забруднюючих речовин вщ дii всiх джерел викидiв, але це не вирiшуе пробле-ми визначення рiвня техногенних навантажень, яю здiйснюють на атмосферу мшта потенцшно-небез-печнi пiдприемства. Потрiбнi точш розрахунки, якi могли б забезпечити можлившть нормування вики-дiв в атмосферу вщ стацiонарних пiдприемств.
Також тдкреслимо, що в iснуючих системах не ставиться питання щодо кiлькiсноi оцiнки екологiчних ризикiв проживання на територп мкта та прилеглих райошв, якi визначають рiвень екологiчноi безпеки населення. Для вирiшення розглянутих задач було розроблено спецiалiзовану шформацшно-прогнозну комп'ютерну систему (1ПКС), блок-схема якоi наводиться в данiй роботь
2. Структура комп'ютерно! системи для анаизу техногенно! безпеки
Запропонована шформацшно-прогнозна комп'ю-терна система складаеться з трьох блоюв, кожен з яких виршуе певний набiр задач (рис. 1) [1].
Перший блок представляе собою систему управлш-ня базами даних (СУБД) i складаеться з бази даних i засобiв, необхщних для перегляду i вiзуалiзацii даних, що зберпаються в нiй. Цей блок також встановлюе дво-стороннш зв'язок (iмпорт i експорт) мiж 1ПКС i iншими джерелами даних. Другий блок 1ПКС, заснований на комплект математичних i чисельних моделей, вщповь дае за проведення прогнозних розрахунюв. Вiн забез-печуе формування початкових даних, проведення роз-рахункiв по чисельних моделях i передачу одержаних результапв в базу даних для '¿х подальшоi обробки.
3. Система управлшня базами даних
цп про стащонарш джерела забруднення. На даний час розроблена система мктить лише ввдомост щодо об'ектiв паливно-енергетичного комплексу (ПЕК), як е найбiльшими стащонарними джерелами забруднення, а також про засоби обробки даних i обмшу iнформацii (рис. 1). Всi даш, що зберпаються в БД, тдроздшя-ються на п'ять груп: картографiчна, характеристика пiдприемства, параметри викидiв, метролопчш данi та iнформацiю про хiмiчнi речовини (рис. 2).
Картографiчнi даш мктять в собi цифровi карти регюшв, де працюють потенцiйно-небезпечнi тдпри-емства.
Характеристика пiдприемства - назва, мкцезнаход-ження дослiджуваних пiдприемств (географiчнi коорди-нати) та кiлькiсть труб, через яю здiйснюються викиди.
Параметри викидiв - вiдомостi про параметри джерела забруднення i потужнiсть викидiв забруднюючих речовин.
Метрологiчнi данi включають наступш параметри: дату, температуру повiтря, хмаршсть, атмосферний тиск, вологiсть повiтря, напрям i швидкiсть вiтру, а також шформащю про стан атмосфери.
1нформащя про хiмiчнi речовини заноситься до БД забруднюючих речовин, яка мктить гранично допустимi концентрацii (максимально разовi та середньодобовi), хiмiчнi формули та властивосп небезпечних речовин.
СУБД _
Адмшютрування даних
Засоби для роботи з даними
I
Експорт ¡ ¡мпорт даних
Аналгё даних
Майстер ¡мпорту
Майстер експорту
Модель 1
Розрахунковий модуль
Модель 2
Модуль розрахунку ризиюв
СУБД складаеться з бази даних, призначеноi для накопичення i зберiгання всiеi необхiдноi шформа-
Рис. 1. Структура ¡нформацшно-прогностичноТ комп'ютерноТ системи
Рис. 2. Структура бази даних 1ПКС
Засоби обробки даних
БД мае в своему складi два шструменти для ро-боти з даними, що збер^аються в нiй. Перший з них е набором форм для ввдображення даних у виглядi таблиць, як в основному призначеш для редагування i введення шформацп. Через них здiйснюеться зв'язок з шшими джерелами даних. Другий шструмент призна-чений для вiзуального вщображення даних у виглядi графiкiв. Описаш вище iнструменти застосовуються для обробки як натурних даних, так i результапв про-гнозних розрахункiв.
Засоби обмшу iнформацieю
За встановлення зв'язку iз зовнiшнiми джерелами даних ввдповвдае спецiальний iнструментарiй - „Майстер iмпорту" i „Майстер експорту", робота яких принципово один ввд одного не вiдрiзняеться, проте один призначе-ний для встановлення потоку даних iз зовнiшнього дже-рела в БД, а шший - з бази в зовшшне джерело.
Принцип роботи „майстра" заснований на посль довних дiях, що встановлюють зв'язок мiж полями таблицi джерела (стовпцями або рядками текстового файлу) i полями таблиц приймача.
База даних дозволяе виршувати наступнi задачi: аналiз норми перевищення ГДК конкретно! речовини в повир^ отримання рiзноi шформацп про хiмiчнi речовини (фiзико-хiмiчнi властивостi, токсична дiя) тощо. Управлшня базою даних здiйснюеться у виглядi SQL-запитiв. Виконання запитiв здшснюеться в зручному для користувача виглядь
Дана база призначена для роботи як на локальному комп'ютерi, так i в мереж^ завдяки використанню мережевих додатюв архiтектури клiент - сервер Microsoft Access.
Даний програмний продукт пред'являе мжмальт вимоги до конфиурацп апаратного забезпечення, i його робота здшснюеться на вах сучасних персональ-них комп'ютерах.
цьому блощ формуються початковi даш, проводяться розрахунки, потiм отриманi результати передають-ся в БД. Для проведення розрахунюв за допомогою математичних моделей необхщно виконати ряд по-слiдовних крокiв. Спочатку необхiдно вибрати модель, поим для не! встановлюють формат початкових даних. Опис формаив метиться в окремих файлах. Для кожно! математично! моделi шнують файли з !х описом, що мштять iмена файлiв з необхщними форматами, тому пiдключення формату вщбуваеться автоматично. На наступному кроцi визначаються по-чатковi данi, потiм - повш iмена файлiв, в яких будуть збережеш результати аналiзу. Шсля цього вщбува-еться запуск модель
5. Математична модель
На даному еташ створення системи визначен-ня рiвня техногенних навантажень вiд потенцш-но-небезпечних пiдприемств ПЕК здiйснюеться за допомогою математичного моделювання на основi розроблено! стохастично! моделi розповсюдження забруднення в атмосферь Побудована модель е вдо-сконаленням моделi гаусового розподшу концентра-цi!, яка е офщшно прийнятою моделлю МАГАТЕ. Для б^ьш точного визначення середнього рiвня забруднення за певний перюд часу здшснено штер-поляцiю ймовiрностей промiжних напрямкiв вiтру мiж основними вшьма, якi вiдповiдають основним сторонам свиу. Також, на вiдмiну вiд шших iснуючих моделей, створена модель враховуе iмовiрнiснi роз-подiли швидкостi виру та стану атмосфери, можли-вшть появи штилю, а також вплив опадiв та хiмiчно'i трансформацi'i на рiвень забруднення. Загальний вигляд моделi представлений формулою 1:
C(x,y) =
4. Розрахунковий модуль
А 72 k 6
"I iP-ml-п m-iti jt=II
Ps
-exp
2 2 \
У 2о2 exp z - ~22с22 + C P шт шт
_ 21 . _ J
f„L
(1)
Другий блок 1ПКС призначений для проведення розрахунюв за допомогою математичних моделей. У
де Q - потужшсть неперервного джерела, [г/с]; Pmj -ймовiрнiсть m - го напрямку виру при j - ш швидкостi
виру; к - юльюсть градацш швидкостей вiтру; р- - ймо-вiрнiсть i - го стану атмосфери при j - iй швидкост вiтру; и^ - швидкiстьвiтру на ефективншвисоп трубиза умов i -го стану атмосфери при j - ш швидкостi вiтру на висоп флюгера, м/с; оу ,ог вiдповiдно горизонтальна та вертикальна дисперсп Я стратифiкацii атмосфери, [м]; Сшт та Ршт розподш концентрацп забруднення за умов штилю та ймовiрнiсть штилю вiдповiдно; - коефiцieнти, якi
вiдповiдно враховують вплив опадiв та хiмiчноi транс-формацп на рiвень концентрацп забруднення.
БЯьш детальний опис моделi наведений в [4].
6. Модуль розрахунку ризимв
Даний модуль дае можливкть користувачевi отри-мати оцiнку негативно! ди техногенного забруднення атмосфери на здоров'я населення, яке проживае на прилеглих територiях (в зонi впливу об'екту ПЕК), що може реалiзуватися у формi негайних токсичних ефекив або хронiчних проявiв. Для ощнки ризику негайних токсичних ефекпв використовуеться модель iндивiдуальних порогiв впливу, яка розглянута в робот [2].
1
RIs = J exp(-T2/2)dT
+ blgc
(2)
де а i b - параметри, що залежать вщ токсиколопч-них властивостей речовини;
с — концентрацiя токсиканта в атмосфер^ т — параметр штегрування.
7. Висновки
1. В результат аналiзу вiтчизняноi та закордон-но! лiтератури було встановлено, що розроблеш на даний момент комп'ютерш системи розрахункового монiторингу атмосфери дозволяють визначати та про-гнозувати стан повггряного басейну мiста шляхом аналiзу даних з постiв спостереження, яю враховують всi джерела забруднення. Аналiз даних здiйснюеться методами статистики, яю не дають точних оцiнок рiвня екологiчноi небезпеки для населення прилеглих територш.
2. Розроблено iнформацiйно-прогнозну комп'ю-терну систему, що забезпечуе умови для виршення досить актуально! задачi охорони навколишнього се-редовища - нормування викидiв в атмосферу вщ ста-цiонарних потенцiйно-небезпечних пiдприемств. Це стало можливим в результат математичного моделю-
вання на основi ново1 стохастично1 моделi, яка е вдо-сконаленням офiцiйно прийнято! моделi МАГАТЕ.
3. Запропоноваш програмнi засоби можуть визначати рiвень техногенних навантажень на приземний шар атмосфери за рiзних метеоролопчних умов та сценарпв викидiв, що не було враховано в шших ана-логiчних системах. Результати аналiзу представленi у виглядi екологiчних карт забруднення.
4. Також суттевою перевагою розроблено! системи е наявшсть модуля розрахунку ризикiв проживання на прилеглих територiях, якi теж вщображаються на електронних картах. Отже, створена система допо-може вщповщним органам управлiння оперативно здiйснювати корективи у викидах тдприемств, щоб забезпечити виконання норм закону про навколишне середовище.
Лиература
1. Белолипецкий ВМ., Генова С.Н., Гуревич К.Ю., Дегер-менджи А.Г., Косолапова Л.Г., Дрюккер И.И. "Компьютерная система для исследования динамики гидрофизических и радиоэкологических характеристик речной системы" - Вычислительные технологии - Том 6, № 2, 2001 год, с. 14-24.
2. Каменева 1.П., Попов О.О., Яцишин А.В., Артемчук В.О. Методи визначення еколопчного ризику за атмосфер-ним фактором / 1.П. Каменева, О.О.Попов, А.В. Яцишин, В.О. Артемчук // Моделювання та шформацшш технологи. - Ки!в: 1ПМЕ ¡м. Г.е. Пухова НАН Укра!ни. - 2009 - № 53 - С. 15-22.
3. Математическое моделирование выброса и рассеяния в атмосфере газообразных примесей / Скоб Ю. А. // Вестник Харк. нац. ун-та. - 2007. - № 775 . Сер. "Математическое моделирование. Информационные технологии. Автоматизированные системы управления", вып. 7. - С. 236-245
4. Попов О.О. Стохастична модель забруднення приземно! атмосфери вщ тдприемств паливно! енергетики (на прикладi ТЕЦ) Зб. наук. праць 1ПМЕ ¡м. Г.е.Пухова НАН Укра!ни. - Ки!в: 1ПМЕ ¡м. Г.е. Пухова НАН Укра-!ни. - 2009 - № 53 - С. 10-17.
5. Соснин А.С. Обзорная статья по программам серии «ЭКОЛОГ» http://www.integral.ru/article_program.php.
6. Франк-Каменецкий Д.А., Шпакова Е.Н. Информационная система «Атмосферный воздух» - ArcReview - № 1 (44), 2008, с. 7-10
