CC BY
212
С.М. ДЗЮБА Д-р физ-мат наук, проф, зав каф РВС ГОУ ВПО ТГТУ (г. Тамбов,
Н.В. БЕЛЯНИНА, канд техк наук, доц, зав каф информатикёНАЧОУ ВПО СГА (г. Москва),
М.Н. ПРОКОПЕНКО, канд техн наук, доц каф информационных технологийГОУ ДПО БелРИПКППС(г. Белгород С.А.СЕРОВИКОЕ\ аспирантНАЧОУ ВПО СГА (г. Белгород
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ МЕГАПОЛИСОВ
В работе показано использованиесовременныхинформационныхтехнологий для решения актуальной рикладнойзадачиэкологическогомониторингазагрязнени!атмосферыиегаполисов Ил.: 2.Табл: 1.Библиогр: 11 назв
Ключевые слова информационныетехнологиц экологический мониторинг загрязнение атмосферы
Постановкап роблемы Уровень жизни н а селение проживающегсв крупных промышленных города* определяетсямногими параметрами основным из которых по данным ООН является индекс развития человеческогопотенциалр включающий такие составляющие ак уровень доходо? уровеньобразования п родолжительностккизни. В своюочереда продолжительноствкизни на 50% зависит от о бразажизнц на 20% -от генетической наследственностичеловекд на 20% - от экологической обстановка местахпроживаниячеловека! на 10% -от состоянияздоровья человека Причем последние два показателя имеют четко выраженную корреляционнуюсвязь
При о ценкеэкологическогосостояниягородской средыдоминирующим можнон азватьзагрязнениевоздухавыбросамьа втомобильногогранспорта Для оздоровлени58кологическойэ бстановкинеобходимосозданиесистемы экологической защиту решающей задачи по осуществлениюмониторинга воздушнойсреды оперативном уобнаружениюгекущегоизмененижостояния выбросов в атмосфере прогнозу их распространение пространствен выявлению мест повышенной концентрации вредных веществ с целью принятия обоснованных административных решений по санитарне гигиеническим проектнотехническим! другим мероприятиям
Таким образом проблема организации экологического мониторинга загрязненижтмосферыотавтотранспортавляетоактуальной
Анализ литературы В [1 - 3] представленоописание и задачи проведениякологическогсмониторингазагрязнениятмосферниегаполисор в частности выбросамиот автотранспортаВ [4 - 7] дано общееописание
математическихметодор использованныхпри р азработкематематических моделейпозволяющихрассчитыватьзначенияконцентрациизагрязняющих вещестЕВ зависимостиот различных наборов исходных данных В [8, 9] выполнен обзор ГИС, а в [10, 11] приведены некоторые результаты разработки
Цель статьи - разработкаюльзовательскогариложенияна базеГИС, позволяющегокачественнси к оличественнооценить уровень загрязнения приземногослояатмосферыиегаполисжыбросамют автотранспорта
Сущность экологического мониторинга При интенсивной урбанизацию* росте мегаполисовавтомобильныйтранспорт стал самым неблагоприятнымэкологическим факгороыв о хране здоровьям еловекач природнойсредыв городе Проблемава грязненижоздушнойсреды города выбросами от автотранспорта в последние годы становится наиболее актуальной для мегаполисов Это связанр во-первых с тенденцией увеличения автотранспортавдвое за каждые 3-5 лет и возрастанием количества производимых им выбросов до половины общего количества выбросов загрязняющих веществ в крупных города* во-вторых автотранспорт относится к подвижным источникам загрязнение пространственнарассредоточенносиоторыхвнепосредственноблизости< жилым районамсоздаетобщий повышенныйф он загрязнения! осложняет внедрениетехнических средств защиты от загрязненное- третьи* низкое пространственноволожениеисточниказагрязнения)тземнойповерхност1<в крупных городахпримесив основномсосредоточенш слоетолщиной1 - 2 км, а в неболыиихгородах- несколькосотенметроф приводите тому что отработанныеазы автомобилей капливаютсж зонедыханиялюдей слабее рассеиваются ветром по сравнению с промышленными выбросами и, естественнрнегативносказываютсяшздоровьешдей
Экологическиймониторинг- это информационнавистеманаблюдений оценкии п рогнозаизменению состоянииокружающейсредц созданная целью выделенияантропогеннойсоставляющейэтихи змененийна фоне природныхпроцессов
Мониторингвключаеттриосновныхнаправленидеятельности
1. Наблюдениям факгорамвоздействияг состоянием;реды
2. Оценку фактическогссостояния:реды
3. Прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемогосостояния
Следует принять во внимание что сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среду но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации
Система мониторинга реализуетсяна нескольких уровня* которым соответствуюгпециальнсразработанныврограммы
- импактном(изучениесильныхвоздействи№ локалы-юшасштаб^
- региональном (проявление проблем миграции и трансформации загрязняющих вещестр совместного воздействия различных факгорор характерныщля эсономикирегион^;
-фоновом (на базе биосферныхзаповедникор где исключена всякая хозяйственнадеятельност)ь
В идеальном случае система импактного мониторинга должна накапливать и анализировать детальную информацию о конкретных источникахзагрязнения! их воздействиша окружающуюсреду
Информация полученная в результате измерений позволяет в определенноьсмыслеследитьза поведениеп/исследуемоСсистемц однако основнаязадачазаключаетсяв оценкевозможныхпоследствий'ехили иных воздействий и в поиске оптимальных решений при планировании хозяйственнокдеятельноств учетом допустим ыхнагрузок на окружающую средуи социальневкономическиж ритериев Поэтому толькос помощью экспериментальныжсследованив сочетании: методамиматематического моделированияможно сформулироватаффективныаподходык решению данногоклассазадач
Рольматематическогмоделированин экологическошониторинге
Развитиеметодовпрогнозаза грязненижоздухао сновываетсяна результатах теоретического и экспериментального изучения закономерностей распространения римесейот их источников Такое изучение определяется главнымобразомпо двум направлениямОдноиз них состоите разработке теории атмосферно(диффузии Другое направленивсвязанрв основном с эмпирикостатистически канал изоыраспространениаагрязняющижещестЕв атмосфере с использованиещля этой цели интерполяционныхмоделей большейнастьк) гауссовскогогипа
Первоенаправлениавляетс5болееуниверсальны|^госколькупозволяет исследоватьраспространенив римесейот источников различноготипа при разных характеристиках среды Оно дает возможность использовать параметрьтурбулентногообменд применяемые метеорологическиаадачах теплой влагообмена атмосфереЭто обстоятельствиесьмасущественно для практического использованиярезультатовтеориик прогнозированию загрязнения воздуха с учетом ожидаемого изменения метеорологических условий
К сожаление сложность в получении оперативной информации о выбросах а также недостаточноеразвитие пригодных для оперативного использования схем прогноза вертикального распределения
метеорологическихвеличин ограничивает внедрение методов численного прогноза загрязнения воздуха и затрудняет совершенствование
прогностическихехем Нарядус моделямипрогнозалокальныхконцентраций для городов целесообразнаразработка моделей прогноза осредненных характеристикзагрязнениявоздухд более тесно связанныхдля обширных
районовгородас метеорологическимпараметрамиИспользованиесредних характеристик и других методов фильтрации и сглаживания случайных процессов/южетсущественноювышатьоправдываемосиврогноза
Сравнительнопросты для описания закономерностейраспределения примесей гауссовы модели чем и объясняется довольно широкое использование различньютранафаботвторогонаправления
В рядестран получил ираспространениюетоду в которых в качестве предикторов* предикатовиспользуютсятолько метеорологическищанные Такие методы рекомендуетсяиспользоват,ь прежде всегс) при наличии обширных индустриальных территорий слабо освещенных данными наблюденийза содержаниеміримесеРв воздухе В района* где организован регулярный контроль загрязнения атмосфера рекомендуетоя как определенныйшаг впереди спользоватьстатистическиесхемьі в число предикторов которых входят и измеренные значения концентраций Достоинством этих схем являетсяразработанноспформалы-югоаппаратэ относительная простота реализации возможность эффективного использование рамках систем автоматизированногоонтроля загрязнения атмосфернії достаточнсвысокаяоправдываемость
Ограниченность статистических схем связан? главным образом с недостаточной степенью физичности используемых моделей (или предполагаемых связей, и с малой разработанностью методов статистическогопрогноза сравнительнсредко встречающихсяявлений что имеет местод ля случаев особо высокого загрязнениявоздухд а также с трудностямиучета изменению режимевыбросоЕв атмосферуПри оценке статистикоэмпирических методов прогнозаза грязнениявоздухав городах следуетучестЬ) что оно обусловленсдействиемболыиогочислафакгорора интерватаблюденийэграничен Поэтомупримененишаиболеаювременных способовстатистическогсанализане всегдадостаточної для повышениях эффективностиужно выяснитьвлиянифядаглавныхфакгороЕна основании физическиххюбражений
Междузтимидвумяподходамизуществуетблизкаясвязі? они описывают одной тожеявленироднакообластшх примененияне всегдаперекрываются Имеетсфядзадачатмосфернойиффузиигдерассмотрениеозможнсгголько на основеодной из этих теорий С точки зренияпрактическогоприменения возможностьсопоставленирезультатодвухразличныхюдходовк описанию турбулентной диффузии оказывается весьма полезной Она позволяет обоснованно выбирать коэффициентыполуэмпирического уравнения для определенныяадау определят» конкретныхслучаяхобластьлрименимости того или иного подхода поскольку каждый из них и меети преимуществам недостатки В частности в некоторых случаях рационально применять комбинациюэтих подходов
Таким образомс точки зренияпрактическогоприменения методы прогноза загрязнения воздуха должны сочетать в себе преимущества
указанныхметодовмоделировани&начительныбозможностиздесьсвязаны с совершенствованиенисленныхметодовпрогнозана основеболееполного учета физикии химии атмосферныхфоцессор определяющихзагрязнение воздух? с широкими спользованиемданных автоматизированныхмстем контролязагрязненижоздуха
Применение геоинформационныхсистем для экологического мониторинга Для реализации разработанных математических моделей необходимоприменениевысокотехнологичногоПО. Поскольку работа во многом связана: картографическойнформаци^визуализациерезультатов расчетор то поиск необходимого ПО можно провести в классе геоинформационных систем (ГИС). Анализ и сравнительная оценка существующих на рынке геоинформационных мониторинговых систем (ГИМС) показав что ни одна из них не обладает возможностью взаимодействиЯ'ИМС с другими приложениями внешнимитехническими устройствами осуществляющимкрегулированиегранспортногодвиженияс целью минимизациивредэ наносимогонаселеникэи не отвечаем полной меретребованиямоткрытости программныхкодов мониторинговыхсистем (таблицф. Таким образом определяетсянеобходимостьсоздания ГИМС-приложени? котороепозволитсовмещатшроцедурывизуализацикл расчета значений концентрацийзагрязняющихвещестр что, в своюо чередь даст возможность оценить уровень экологической опасности рассматриваемой ограниченной’ерриториш выработатюредложенияпо его снижению
Результаты работы пользовательского ГИМС-приложение осуществляющегоэкологический мониторинг В обобщенном виде разработанное ГИМС-приложение представляет собой совокупность отдельных модулей интегрированных в единую программную оболочку (рис 1). Принцип модульности предполагает процесс синтеза ГИМС-приложения как совокупности связанных компонент допускающих их относительнснезависимукразработку! использование
Носителеминформацию значенииконцентрациивредноговеществш какой-либо точке рассматриваемогсучастка может быть семантическая харакгеристиканекотороготочечного объекту который не имеет реального представленияа местности Карта районап оделенжа ячейки заданного размерэа в узлах "сетЫ1 расположеныреперныеточки, несущие помимо метрической информации - координат положения на карте числовую семантическую характеристику представляющуюсобой рассчитанныепо математической модели значения концентраций вредных примесей в атмосфернопоздухе
Длявизуализацицоезультатобылопредложенотрименитьрастркачеств
- растровая/1 одельместности получаемая1утем анализасвойствобъектов местности градациях по заданнымуровнями заполненижлементофастра соответствующиыцветом
Сравнительнахарактеристикапрограммныэтродукгоз предназначенныдля оценкиэкологическойзитуациина местности
Возможносттрограммньвомплексов гопе Агсу/еиг вЯ Магив траль
Поддержкаполнойцифровойиодел тандшафта (включаяхарактеристикюодстилающей поверхности рельефзданиям сооружение автомагистрацтрочиеисточникиантропогенного загрязнений ДА ДА НЕТ
Расчеттрехмерныхюлейзагрязненияатмосферьв учетомэкранирующегсвлияниязданий ДА НЕТ НЕТ
Использованишстроенны)методических материалово организациърасчетов ДА НЕТ ДА
Вводи учет в вычислениян'екущей метеорологическойнформации ДА ДА ДА
Формы представленнаценкиинтенсивности осаждениэтримесейна пэдстилающукловерхность ДА ДА ДА
Расчетполейсреднегодовыхонцентраций ДА ДА ДА
Возможносттрогнозаразвитиязитуациина основанишмеющихсяцанных ДА ДА ДА
Совместимостформатощанныхс другими программами НЕТ ДА НЕТ
Открытостьмодификации НЕТ ДА НЕТ
Необходимостиримененищругих программных средстЕИ расчетныхуюдулей ДА ДА ДА
Возможносттодключенижнешнихтехнических устройств НЕТ НЕТ НЕТ
Разработчик ЗАО "Лен ЭкоСЭД^ ЕЭИ (США) Фирма "Интег- ра/Т
Полученныепри заданныхпараметра>расчетазначениж онцентраций вредных вещестр растровыепредставленифасчетных оценок приземной концентрациквредныхвещестрпоказаньна рис 2.
Отображение полученного растра совместно с цифровой картой изучаемогфайонамегаполисаюзволяеъыделитьзоныособойопасностицля населенияинтенсивностьавтомобильнопдвижениявблизикоторых требует существенногоснижения Таким образом разработанно4ГИМС-приложение позволяет оценить уровень экологической опасности рассматриваемой территории выработатюредложенияпо его снижению
Рис 1. Схемафункци он и рований'ИМ С-приложения
Рис 2. Растровыв1редстааленирасчетных)ценок приземнойюнцентрациквредныхвеществ
Выводы 1. Проведен анализ существующих геоинформационных мониторинговых систем показавший чтод ля достижения поставленной исследовании цели необходимо создать авторское ГИМС-приложение позволяющее совмещать процедуры визуализации и расчета значений кон центрацийза грязня ющижеществ 2. Разработа ниатем этическая од ел I? позволяющая проводить расчеты значений концентрации загрязняющих
веществ в атмосфере с учетом гидрометеорологических условий и антропогенных факторов 3. Разработаноприкладное ГИМС-приложение позволяющее проводить расчет значений концентрации загрязняющих вєщєстев атмосфере проводить визуализациюполей концентраций на цифровой<артегорода
Списокл итературы 1. ПененкоВ.В. Моделии методыдлязадачохраны окружающей среды / В.В.ПененкрА.Е. Алоян - Новосибирск Наука 1985. - 256с. 2. РусякИ.Г. Структураи возможности информационжанапитической системы экологического мониторинга Ижевска I И.Г. Русяц М.М. Горохов А.В. Микрюкод Б.В. Севастьянов! Информационныегехнологиив инновационньїхіроектахїр. Ill Междунар науч-технич конференцик(23-24мая2001г.).-Ч. 1.
- Ижевск Изд-во Ижевского радиозавода2001. -С. 65-67.3. ПрокопенксМ.Н. Мероприятия направленные^ снижениевыбросовавтотранспортё М.Н. Прокопенко// Сводныйтом "Охрана атмосферш предельнодопустимыевыбросы(ПДВ) города Белгорода - Белгород 2008. -С. 71-89.4. БерлянСМ.Е. Прогноз регулированиязагрязнениж тмосферь/М.Е. Берлянд - J1.: Гидрометеоиздэт1985. - 272:. 5. Мжркжо в/\. В. Моделирование спрост ранения римесеіга атмосферет источниковзагрязненигі А.В. МикрюковП Высокиетехнологиив механике Матер науч-практ. конференции - Ижевск Изд-во ИжГТУ, 2002. - С. 87. 6. Атмосферная турбулентностьи моделированиераспространенияпримесей / Под ред А.М.Яглома - Л.: Гидрометеоиздэт1985. - 352с. 7. СофиеёЛ.А. Оценка выбросовзагрязняющиже щестш атмосферу по данным моделирования и измерений / М.А. Софией В.Ф. Софиева //Математическоаиоделирование- 2000. -Т. 12. -№ 4. -С. 20-32.8. КовальВ.Н. Изменение экологической обстановки в г. Белгородес учетом прироста автотранспорта/В.Н Коваль М.Н.Прокопенко //Экологические системы и приборы - 2009. - № 3. - С. 20-23.
9. ПрокопенксМ.Н. Возможность примененияраспределенньивычиспению решении задачи экологическогомониторинга/ М.Н. Прокопенко С.А. Серовикв // Гуманитарныенауки: сборник научных трудов вып. 16 /Современнаягуманитарная академия Белгородский филиал -Белгород ООО "ГиК", 2008. - С. 201-210. 10.ПараіцукЕМ. Результаты моделирования распространении ыбросовавтотранспорташ ограниченнойтерриториигорода/ Е.М.Паращук В.Н. Коваль М.Н. Прокопенко//Экологическиесистемьи приборы - 2007. -№ 3. - С. 56-59.
11. ПрокопенксМ.Н. Геоинформационнаясистема экологического мониторинга загрязнения атмосферют автотранспортна ограниченнойгерриториіУ М.Н.ПрокопенксІІ Молодыеученые СГА. - М.: СГУ, 2009. -С. 27-31.
УДК 004.94
Вживання інформаційних технологій для вирішення завдань екологічного моніторингу забруднення атмосфери мегаполісів / Дзюба С.М., Беляніна Н.В., ПрокопенкоМ.М., СєровікоаС.А. // Вісник НТУ "ХПІ". Тематични£вип уск Інформатика моделювання-Харків: НТУ "ХПІ". - 2010. -№21. -С. 58 - 65.
У роботі показано використання сучасних інформаційних технологій для вирішення актуальногоприкладногоаавданнжкологічногомоніторингузабрудненнжтмосферімегаполісів Іл.: 2.Табл: І.Бібліогр: 11 назв
Ключовіслова інформаційнігехнології екологічниймоніторинп забрудненнятмосфери
UDC 004.94
The application of Information technologies for ecological monitoring of megalopolis air pollution / DzjubaS.M., Beljanina N.V., Prokopenko M.N., Serovikov/SMerald of the National Technical University "KhPi". Subject issue: Information Science and Modelling. - Kharkov: NTU "KhPi". - 2010. -№. 21. - P. 58 - 65.
The article shows how to use modem Information technologies to solve an actual application problem dealt with ecological monitoring of megalopolis air pollution. Figs: 2. Tabl.: 1. Refs: 11 titles.
Key wordslnformation technologies, ecological monitoring, air pollution.
Поступилт редакцию13.10.2009
