CC BY
76
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗМЕЩЕНИЙ СТАЦИОНАРНЫХ ПОСТОВ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Башкатов Александр Майорович
кандидат технических наук, доцент кафедры программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем, Приднестровский госуниверситет им. Т.Г. Шевченко
МАТЕМАТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯРОЗМЩЕНЬ СТАЦЮНАРНИХПОСТ1В ЕКОЛОГ1ЧНОГО КОНТРОЛЮ Башкатов Олександр Майорович, кандидат техтчних наук, доцент кафедри програмного забезпечення обчислюваль-но'1 техтки та автоматизованих систем, Придтстровський держутверситет iм. Т.Г. Шевченка MATHEMATICAL JUSTIFICATION ACCOMMODATION OF THE STATIONARY POST ENVIRONMENTAL CONTROL Bashkatov A.M., candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Department of Software computing and automated systems, Transnistrian State University named after TG Shevchenko
Анотацiя
У статтi розглянуто фактори, що впливають на розташування стацiонарних nостiв екологiчного i метеоро-логiчного контролю повтряного середовища мкта та запропоновано алгоритм оптим1зацИ' таких розмщень з залу-ченням математичних засобiв.
Ключовi слова: екологiчна безпека, пост контролю, розмiщення вузлiв, матриця iндексiв; зональний критерш, районування.
Аннотация
В статье рассмотрены факторы, влияющие на размещение стационарных постов экологического и метеорологического контроля воздушной среды города, и предложен алгоритм оптимизации таких размещений с применением математических способов.
Ключевые слова: экологическая безопасность, пост контроля, размещение узлов, матрица индексов; зональный критерий, районирование.
SUMMARY
It's observed the factors which have influence to stationary ecological and meteorological controls point's dispositions for city air environments and proposed mathematical optimization methods their planned.
Key words: ecological safety, inspection station, accommodation units, matrix codes, zonal criterion, zoning.
Постановка проблемы.
Условием качества окружающей среды является соответствие ее экологическим требованиям, нормативам безопасности. При этом загрязнение воздуха химическими веществами остается одним из самых неблагоприятных, пагубно влияющих на здоровье людей.
С целью контроля этих параметров и предупреждения об опасности осуществляется экологический мониторинг [3,12], информационную базу которого формируют данные регулярных измерений, проводимые на постах метеоконтроля, в соответствии с [7].
Получаемая информация зависит от множества факторов, включая, как объективные (количество и погрешность измерений, расположение датчиков), так и субъективные причины (квалификация персонала, вероятность возникновения ошибок или отклонения в регламенте работ). Поэтому одним из ключевых моментов становится адекватность выбора средств контроля и их размещений поставленным задачам.
Анализ последних исследований и публикаций.
По данным Института Карнеги [5], если в 1990-х, выбросы СОх увеличились только на 1,3 процента по сравнению с предыдущими показаниями, то, с 2000 года, этот показатель достиг уже 3,3 процента в год.
Только за период с 1990 по 2006 гг. объемы ежегодных глобальных выбросов углекислого газа выросли на 35 процентов [5]. Не менее опасные тенденции наблюдаются и в отношении других загрязнителей (пыль, соединения серы, летучие углеводороды).
В работе [9] авторами делается акцент на том, что результаты контроля над состоянием воздуха в городе не обладают должной репрезентативностью. Размещение стационарных постов не учитывает специфику появления выбросов, особенности местности, аэродинамику процессов.
Другое исследование [10] показывает недостаток информационной поддержки при обработке данных поступающих со стационарных постов контроля.
Последние сведения, касающиеся экологической катастрофы - пожара на нефтебазе под Киевом [11] свидетельствуют о неоднозначности данных с постов наблюдений. Так, судя по поступающей информации содержание опасных веществ на отдельных постах значительно отличаются, что не отражает ситуацию в целом.
Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы.
Если сравнивать виды постов наблюдений, то можно отметить, что применение подвижных средств контроля наряду с очевидной эффективностью (локальность, мобильность, точность проводимых замеров) не всегда возможно реализовать технически. Например, при оценке дорожной загазованности проблемы возникают уже на организационном этапе: из множества потенциальных мест дислокации надо выделить опорные точки замеров, что проблемно ввиду широкой разветвленности транспортной сети, необходимости учета рельефа, метеообстановки и экранных свойств местности.
В последние годы для таких задач применяют специализированное оборудование (GPS-навигаторы, данные дистанционного зондирования, индикаторы загазованности). Но и в этом случае репрезентативность получаемой информации обеспечивается проведением большого количества наблюдений, значительно увеличивающих трудоемкость исследований в целом.
Использование информации, получаемой на стационарных постах позволяет снизить затраты и является доступной альтернативой, особенно для городов с ограниченным бюджетом. Этот вариант также более приемлем для мониторинга промышленных зон. Тем не менее, актуальным остается решение двух вопросов: каким на исследуемой территории должно быть количество постов, и
насколько правильно они размещены. Рассмотрим существующие решения.
В соответствии с [6] выделяют два подхода к размещению стационарных постов.
Вариант 1. Пост должен располагаться на том участке местности, который не подвергается воздействию локальных источников выбросов. Благодаря возникающей конвекции, сопровождаемой турбулентностью аэродинамических потоков, происходит перемешивание городского воздуха. Поэтому уровень загрязнения в районе поста будет зависеть от действия всех источников выбросов, расположенных на исследуемой территории. Таким образом, получаем усредненные, фоновые значения загазованности.
Вариант 2. Отличается от приведенного ранее тем, что пост размещают непосредственно в зоне максимальных концентраций примесей, образуемых выбросами рассматриваемого источника. Здесь важно иметь сведения о мощности и характере функционирования (постоянно или временно) объекта, действующей розе ветров, направлениях наиболее вероятного распространения.
Местоположение поста - на открытой, проветриваемой со всех сторон площадке с покрытием, не создающим пыли (асфальт, твердый грунт, травянистый газон). В противном случае точность снятых показаний может быть сомнительной, т.к. размещение датчиков в иных местах (вблизи зданий, в узких коридорах, под кронами деревьев или вблизи низкого источника выбросов) будет снижать достоверность показаний.
Любой подход требует обязательного проведения предварительных исследований территории и действующих на ней источников выбросов. Это достигается в ходе инвентаризации объектов, выполнении серии замеров. Обязательным этапом работ является изучение влияния метеорологических условий на процесс рассевания примесей, определение преобладающих направлений в региональной розе ветров.
Размещение поста должно учитывать мощности функционирующих источников. Их может быть несколько, а сами точки выброса размещаться на разных уровнях. Кроме этого нередко наблюдается эффект сум-мации (когда выбросы нескольких источников усиливают общее негативное действие), что также должно учитываться во время наблюдений.
При высоком расположении источника, сильном ветре зона эмиссии расширяется, достигая значительных размеров (от нескольких километров до городских окраин). Кроме этого при выборе местоположения стационарных постов должен приниматься во внимание генеральный план развития города, площадки для строительства новых или реконструкции действующих производств.
^ = / у-
• р •• =
' насЦ
I V, I
Л}
Выводы об экологической ситуации базируются на сравнении получаемых данных: посты должны периодически собирать информацию о выбросах не только вблизи очага загрязнения, но и в селитебных, безопасных зонах. Это позволяет оценить динамику переходных процессов.
Основными факторами, определяющими количество стационарных постов, служат: демографический аспект (численность населения, плотность его распределения), план исследуемой территории, характер рельефа, количество и размещение постоянно-действующих источников загрязнений. В соответствии с [6] количество постов рассчитывают так: 1 пост - до 50 тыс. жителей; 2 поста - 50 - 100 тыс. жителей; 2 - 3 поста - 100 - 200 тыс. жителей; 3 - 5 постов - 200 - 500 тыс.жителей; 5 - 10 постов - более 500 тыс. жителей; 10 - 20 постов стационарных и маршрутных) - более 1 млн. жителей. Число постов может быть увеличено при наличии сложного рельефа местности, множества источников загрязнения, а также при наличии на данной территории объектов, для которых чистота воздуха имеет первостепенное значение (например, уникальных парков, исторических сооружений и др.).
Цель статьи.
Из ранее приведенных рассуждений становится очевидным, что определение местоположения поста является нетривиальной многокритериальной задачей, требующей учета различных аспектов. Как правило, ее решение находят эмпирически, приближенно. Не всегда достаточное внимание уделяется демографическим изменениям, особенностям территории (наличию и виду застройки, экранным свойствам местности), влиянию сезонных факторов.
Количественный же учет факторов, влияющих на процесс планирования мест размещения постов, и необходимую методическую помощь обеспечивают математические методы.
В рамках задач экологического мониторинга их условно можно разделить на две группы: - графо-аналити-ческие; - статистико-вероятностные.
Применение матричных методов [2] экологической оценки ситуации основано на адресном представлении объектов. В ее основе - разбивка плана территории масштабной сеткой ^ х j) на зоны, для каждой из которых устанавливают величины индекса загазованности 1зу.
По карте жилой застройки и адресной информации определяют средние значения плотности населения рнасу, проживающего в пределах этих участков.
Полученные данные заносят в ячейки матриц и, путем вычисления определителя, находится индексный показатель - т.н. зональный критерий опасности
Рнас\\ Рнас\2 ' ' ' Рнас\] ' о,'
нас 2 J
Рнас1\ Рнас! 2 ' * * Рнас\]
(1)
I
Вследствие сезонных изменений расчет зональных критериев (1) лучше проводить для каждого из периодов и затем вычислять усредненную величину
1 4 1
KZr ~ 1 ^ ~ 1 (KZrWin + К1г8рг + К1г8иш + К1гЛиг )
4 4 , (2)
Г"
где t - времена года, ш - сезонные значения зональных критериев риска.
Исходя из полученных значений & в выражении (2) и для большей наглядности квадраты можно отобразить в градациях серого цвета, совместив с легендой - шкалой номинальных значений загазованности. Локализация
мест с наибольшей загазованностью позволит уточнить и скорректировать размещение постов наблюдения. Общее же их количество постов будет определяться исходя из численности населения и размеров исследуемой территории, в соответствии с [6].
Графическая интерпретация эффективна для задач, связанных с исследованием линейных сетей коммуникаций объектов (дорожных, трубопроводных, электрических и др.). В экологическом аспекте источниками загрязнения служат участки транспортной сети, формирующих граф. В качестве узлов такого графа выбираются то точки сети, где возможно образование повышенных концентраций опасных веществ (дорожные развязки и перекрестки, ложбины, места автостоянок и транспортные тупики). Трассы, связывающие отдельные узлы формируют ребра/дуги такого графа.
Технологически это реализуется следующим образом. На основе выделенного участка сети определяются узловые точки (вершины) и указываются линейные фрагменты между ними, т.е. строится граф [8]. Тип графа (конфигурация) определяется исходя из существующих направлений движения транспорта. Каждому узлу назначается весовой коэффициент - Wi. Его величина зависит от значимости узла (частоты перемещений через него транспорта за указанный период времени, количества трасс, которые его пересекают и др.). Веса периферийных вершин и узлов смежных сетей подвергаются численной интерполяции.
Для количественного назначения весов можно ориентироваться на усредненные уровни загазованности на выбранном участке, которые в общем виде отражает соотношение
W = W .(1+кисщ)
W = W (d1,Vwi,Nwi, pth)
(3)
d
где: ' - расстояние до ближайшего локального источ-
V .
ника выбросов (точки с max 1з); wi - скорость ветра в точке замера (среднемесячная);
N
wt - преобладающее направление ветра (по розе ветров);
- относительная влажность воздуха в зоне узла (среднемесячная);
h - высота точки замера (относительно min уровня на трассе).
При определении характеристик (3) в определенной i-м узле используются значения параметров в инцидентных точках графа
P = Pi+1 + Рг -1) Лпр
2
(4)
где: i = 1,..., п - номера узлов графа транспортной сети;
р - исследуемый параметр (скорость, направление ветра, влажность, высота точки); п
пр - приведенный коэффициент затухания/усиления параметра.
Появление в расчетной формуле (4) приведенного коэффициента связано с возможным наличием вблизи заданного узла отдельного локального источника. Т.о. в заданное значение веса (3) вносится поправочный коэффициент
(5)
к
где: ис'т - коэффициент влияния на уровень загрязло < к < 1)
нения в узле внешнего источника ^ • '.
Назначение веса производят экологи с применением картографической основы, а полученные сведения в дальнейшем обрабатываются матричным способом, подстановкой в выражение (1) соответствующих значений
I
W,
зу.
р вместо индексов и последующей корректировки размещения постов контроля.
Векторное представление процессов в рамках данной задачи позволяет отразить динамику массопереноса вредных веществ на исследуемой территории. Поскольку уровни загрязнений меняются со временем, поэтому важно оценить направления, куда эти перемещения происходят чаще всего.
С этой целью в исследуемой точке плана указывается вектора (скоростей) движения воздушных масс и находится результирующий вектор переноса опасного вещества
(6)
V
где: к - скорость естественного конвекционного переноса компонента;
V*
"' - скорость воздушного потока, формируемого сторонними возмущениями (транспорт, ветер и пр.);
- скорость диффузии компонента в воздушных слоях; к к к
1 2' 3 - поправочные коэффициенты, лежащие в диапазоне 0 < к <1.
Данный прием позволяет сформировать сезонные диаграммы векторов наиболее вероятного распределения загрязнений и оптимизировать в этих условия размещение постов контроля.
Группа статистико-вероятностных методов основана на установлении вероятностных законов в смене факторов, влияющих на статус территории. И потому требует учета и статистической обработки достаточно больших массивов изменяемых параметров. Ниже приведены наиболее часто используемые на практике методы.
Метод главных компонент [4] предусматривает переход от исходного пространства признаков (например, величин измеренных концентраций опасных веществ) х1,...,хр к новой системе координат безусловных величин у1,...,ур, представляющей систему ортогонально нормированных линейных комбинаций. Линейные комбинации выбираются так, чтобы среди всех возможных линейных нормированных комбинаций уровней концентраций веществ первая главная компонента у1(х) имела & ^ тах . Формируя матрицы из дисперсий проекций концентраций загрязнителей в характерных точках плана территории можно скорректировать места расположения постов контроля или наметить границы зон, подлежащих обязательному экологическому мониторингу.
Факторный анализ ориентирован на выделение ключевых факторов (основных загрязнителей) из списка имеющихся для оценки их влияния на среду региона. Его отличительной чертой является возможность сравнить действие различных показателей из общего числа имеющихся критериев.
Дальнейшей задачей факторного анализа действующих загрязнителей будет необходимость установления коэффициента корреляции.
Применение факторного анализа эффективно при наличии достаточной информативности об объектах (например, о постоянно действующих источниках выбросов - промышленных производств, котельных, очистных и пр.). Поскольку главная цель - выявление наиболее значимых признаков происходит с использованием простых и специфических переменных. Созданная на их основе модель должна подвергаться проверке на адекватность, что может потребовать ввода дополнительных факторов, общее число которых не должно превысить допустимое количество исходных признаков. Это несколько ограничивает практичность метода и имеет большую эффек-
тивность при планировании размещения постов в промышленных, постоянно контролируемых зонах.
Метод контрастных групп [2] базируется на сравнении исходных экспериментальных данных (таблиц уровней загрязнения) с результатами «чернового» предварительного варианта оценки экологической ситуации исследуемой территории с формированием линейно изменяемых показателей.
В основе метода контрастных групп лежит предположение о том, что значительная часть параметров заданной «черновой» версии модели подобрана или угадана правильно и эту гипотезу надо подтвердить/или наоборот, опровергнуть в ходе статистического анализа.
Рисунок 2 - Этапы работ по планированию размещений стационарных постов контроля
Смысл применения такого метода заключается в оценке правильности размещения поста по тем данным, которые он же сам и собирает. Результат будет зависеть не только от объемов и правильности сделанной выборки, но и от квалификации экспертов.
Выводы и предложения.
Учитывая существующие принципы, положенные в основу принятия решений при размещении на территории
постов контроля и рассмотренные математические подходы появляется возможность перейти от интуитивных способов к точным, математически аргументированным. В этой связи общая схема принятия решений может иметь вид, представленный на рис.2.
В качестве отдельных комментариев к рисунку можно отметить следующее. Содержание работ на всех этапах (вплоть до 1-приближения) осуществляется по классической схеме и применением описанных методов и нормативов.
Однако здесь не учитываются объективные условия расширения инфраструктуры населенного пункта (развития и освоение новых площадей промышленными объектами). Поэтому далее в ход вступают методы прогнозирования и вариационного моделирования, большая часть которых основана на анализе статистического материала, выявлении новых тенденций и перспектив. Особенно это касается выбора топологии размещения постов (Рис.3) и необходимости комплексного учета действующих факторов.
А) линейная Б) распределено-узловая В) фрагментарная
Рисунок 3 - конфигурации участков для размещений постов контроля
Располагая однородными по структуре объектами, необходимо опираться на его геометрию. Так, в соответ-
ствии с зонированием территории (Рис.3), на которой планируется размещение постов, можно рекомендовать следующий критерий выбора схемы
^ АЯ-1 * 1
; ¿—1 Т I 'I
^ схема линеиная
' ,=1 L' 2
^ > — ^ схема распределенно-узловая
' L 2
(7)
где: n - число i-х фрагментов, as - нормируемый масштабный коэффициент, F - ширина фрагмента, L - длина фрагмента, ДН - рельефный перепад высот.
В целом размещения постов является не тривиальной задачей, поскольку требует учитывать множество условий (среди которых - демографические, транспортные, рельефные и др.), определяющих их назначение.
В качестве перспективы развития данного подхода видится изучение возможностей и технологий математической оптимизации не только размещений, но и функций решаемых отдельными постами контроля.
Используемые источники
1. ГОСТ 17.2.3.01-86. «Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов» [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://files.stroyinf.ru
2. Дюк В.А. Конструирование психодиагностических тестов: традиционные математические модели и алгоритмы [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://psyfactor.org /lib /dyuk2.htm
3. Кольцова О.В. Физико-химическое моделирование превращений ингредиентов воздушной среды в системе мониторинга на примере г. Зеленограда / Автореферат на соиск. учен. степ. к.т.н, спец. 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий - М., МИЭТ -2012 г.
4. Метод главных компонент - Википедия [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http ://www.machinelearning. ru/wiki/index.php
5. Объемы углекислого газа в атмосфере за 16 лет выросли на 35% [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://www. cvbersecurity.ru /prognoz/34177.html
6. Размещение постов наблюдения / Развитие современной экологии [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://ecotext.ru
7. РД 52.04.186-89 Руководство по контролю загрязнения атмосферы
8. Теория графов [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://www. exponenta.ru
9. Тасейко О.В., Сугак Е.В. Репрезентативность пунктов наблюдения при оценке качества воздуха в городской среде / Современные проблемы науки и образования, №6, 2014 - [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http:// www.science-education.ru/120-15560
10. Теплова Я.О. Развитие теории информационной поддержки средств повышения эффективности экологического мониторинга городской инфраструктуры Автореферат на соиск. учен. степ. к.т.н, спец.05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий - М., МИЭТ - 2012 г.
11. Что за воздух в Киеве: информация с постов наблюдения [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://mignews.com.ua/ regiony /kiev/5855301.html
12. Экологический мониторинг - Учебно-методический комплекс [Электронные данные] / Электронный ресурс - Режим доступа: http://rudocs.exdat.com
