CC BY
9
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
УДК 515.2 Article info Received 17.01.2017
ЗНИЖЕННЯ Р1ВНЯ ЗАБРУДНЕННЯ ПОВ1ТРЯ ВИКИДАМИ ПОЖЕЖ1 ШЛЯХОМ ОПТИМАЛЬНОГО РОЗМ1ЩЕННЯ ПОЖЕЖОНЕБЕЗПЕЧНИХ ОБ'СКТШ
I. А. Чуб
НУ цивильного захисту Украши, м. Харк1в, Украша Побудовано математичну модель визначення рiвня забруднення атмосферного повiтря аерозольними продуктами горшня та його зниження шляхом оптимального розмщення пожежонебезпечних об'екпв, що е одним з ефективних методiв зниження негативного впливу на навколишне середовище викиIцiв пожеж та шдвищення загального рiвня еколопчноТ безпеки теригорй. Задача оптимального розмщення пожежонебезпечних об'ектiв зводиться до задачi визначення оптимального розмiщення вiдповiдних зон забруднення. Визначено основш типи обмежень розглядуваноТ оптимiзацiйноТ задачi. Ключоег слова: пожежонебезпечний об'ект, оптимальне розмщення, аерозольш викиди пожежi.
Постановка проблеми. Шдвищення ефективносп та iнтенсивностi господарсько! дiяльностi людини не-розривно пов'язане з посиленням його впливу на навколишне середовище, появою нових небезпек i зрос-танням негативного еколопчного впливу. Як показу-ють дослiдження (Kolektyv avtoriv, 2016), пожежi стали одним з чинниюв погiршення еколопчно! обстановки в УкраМ. Насамперед це стосуеться продукта горшня, що викидаються в атмосферу, i е газоподiб-ними i аерозольними забруднювальними домiшками.
Одним з ефективних методiв зниження негативного впливу на навколишне середовище викидiв пожеж та шдвищення загального рiвня еколопчно! безпеки територи е оптимальне розмщення пожежонебезпечних об'ектав у регюш. Для розв'язання вказано! задачi потрiбне кiлькiсне визначення р1вня забруднення атмосферного повггря продуктами горшня.
Мета роботи - побудова математично! моделi визначення рiвня забруднення атмосферного пов^я аерозольними продуктами горшня та його зниження шляхом оптимального розмщення пожежонебезпечних об'екпв.
Аналiз кнуючих публiкацiй. На сьогоднi в Укра-Ы немае затверджено! методики ощнювання впливу на навколишне середовище можливо! пожежi, хоча потребу подiбних прогнозiв закладено в низцi норма-тивно-правових документ1в (Proektuvannja, 2004; Za-kon Ukrainy, 2001). Аналiзуючи наукову лиературу, з'ясовано, що абсолютна бшьшкть авторiв розвива-ють методологiю математичного та комп'ютерного моделювання процес1в негативного еколопчного впливу пожеж з тим або шшим ступенем урахування динамжи атмосферних процесiв i конкретних мете-орологiчних умов (Beljaev, 2000; Novozhilova, Rezni-kova, & Pacuk, 2002). Проте виявлено невелику кшь-юсть публiкацiй з моделювання i ршення бiльш за-гально! задачi опгашзаци параметр1в (зокрема i параметров розмiщення) об'ект1в з джерелами викидгв шкiдливих речовин в атмосферу з урахуванням геок-лiматичних факторiв (Chub, & Morshh, 2004).
Виклад основного матерiалу. Нехай е деяка замкнута область ЭД с R3, що мiстить N об'ектiв Si, на кожному з яких може виникнути пожежа. У цьому ви-падку об'ект буде джерелом забруднення атмосфери,
що викидае на висоту Н з штенсившстю Mi аерозоль-нi продукти горiння, i = 1, 2,..., N. В обласп ЭД можуть бути присутш деякi зони (екологiчно значущi зони), ргвень забруднення в яких жорстко регламентуеться. Розмщення об'екпв Si в них не допускаеться. Моделями розглянутих зон можуть бути нерухомi областi заборони Kj (j = 1, 2,..., Р) iз заданою просторовою формою. Розмщення джерел забруднення допускаеться в деякш шдобласп W областi ЭД
W = I ЭД* \ U К
I j=1 J
де область ЭД - проекцiя областi ЭД на R2, тобто ЭД =
PrR2 ЭД .
Зв'яжемо область W з нерухомою системою координат XOY, а кожен пожежонебезпечний об'ект Si - iз рухомою (власною) системою координат XiOiYi. Поз-начимо через (xi, y) параметри положения системи координат XiOiYi (параметри розмщення) ввдносно системи XOY, i = 1, 2,..., N. У цьому випадку розмiщення множини об'екпв S в областi W визначаеться вектором Z виду
Z = (Х1, У1, Х2, У2,---, XN, yN),Z е R2N .
Кiлькiсною характеристикою забруднення областi ЭД продуктами горшня е !х концентрацiя С, яка е фун-кцiею просторових координат (x, y, z) точок ЭД, часу t, параметр1в розмщення джерел забруднення, характеристик пожеж^ а також метеоролопчних умов в об-ластi розмiщення (Chub, & Morshh, 2003). У цш робо-тi пожежу розглядаемо на заключнш стади свого роз-витку, коли штенсившсть викиду продукт1в горiння М = const, a концентращя продукпв горiння в атмосферi вiдповiдае сталому значенню i не залежить ввд часу. Далi розглядатимемо концентрацию з продукпв горш-ня на земнш поверхнi, тому можна вважати, що вона не залежить ввд висоти z (область W с R2)
с = C (x, y, Z, G,Q), де: G={g1, g2,..., gk) - множина фiзичних параметрiв пожежi; Q={q1, q2, ..., qr) - множина параметрiв, як1 характеризують природно-клiматичнi умови в ЭД (Chub, Morshh., & Pustovarov, 2002).
Концентрацшне поле забруднювальних викид1в пожежi визначали як розв'язок рiвняння турбулентно! дифузи з постiйними коефiцiентами (Berljand, 1975).
Citation APA: Chub, I. (2017). Reducing Air Pollution Caused by Fire Emissions Through Optimal Placement of Flammable Objects. Scientific Bulletin of UNFU, 27(1), 203-205. Retrieved from http://nv.nltu.edu.ua/index.php/journal/article/view/198
Отже, концентрацiя аерозольних викидiв, що виз-начае величину piBHH забруднення, залежить вiд роз-мiщення джерел забруднювальних викид1в (пожеж). Це призводить до потреби розв'язання задачi оптимь заци pозмiщення пожежонебезпечних об'екпв в об-ластi W.
Як показано в (Chub, & Morshh, 2004), задача оп-тишзацп pозмiщення скiнченого набору S = {S,} пожежонебезпечних об'ектiв, що е джерелами забруднювальних аерозольних викидiв, у заданш областi W зво-диться до задачi розмщення вiдповiдних зон забруднення Ti. Зона Ti через невизначенiсть часу виникнен-ня пожежi видаеться як багатокутник, побудований на pозi приземного вггру, характерно! для дано! мкце-востi. Границя ГК отриманого восьмикутника РК - це лiнiя, в кожнш точцi яко! досягаеться максимальна концентращя домiшки в певному напрямку l С(х, у) |(х, у)еГк= тахС(х, у) |я= См l.
Така побудова областi забруднення гарантуе, що за и межами концентращя домшки буде менша, шж на гранищ (рис.).
Пiд час побудови моделi форми зони забруднення викидами пожежi було зроблено таю допущення:
• область О - плоска горизонтальна рiвнина, рельеф вщ-сутнш;
• у межах облает О роза приземного вiтру не змь нюеться.
Урахування зазначених припущень дае змогу мо-делювати форму вах зон забруднення подiбними восьмикутниками, вщповвдш сторони яких паралель-ш. Змiна положення джерела призводить до змши по-ложення пов'язано! з ним зони забруднення без змши 11 форми i метричних характеристик. Це дае змогу звести задачу розмщення джерел забруднювально! домiшки до оптишзацшно! задачi розмiщення орiен-тованих восьмикутних зон забруднення в обласп О.
Постановка оптишзацшно! задачi розмщення пожежонебезпечних об'ектiв в обласп О з урахуванням параметр1в можливо! пожежi i клiматичних умов об-ластi мае такий вигляд:
необхiдно в заданш областi О знайти таке розми щення множини пожежонебезпечних об'eктiв (I = 1, 2,..., Ы), щобрiвень забруднення в екологiчно значу-щих зонах К а = 1, 2,..., р) не перевищував встановле-ного рiвня, i сумарна концентрацт аерозольних вики-дiв пожежi (в разi його виникнення) на межi Г облас-тi О була мiнiмальною:
min max C (x,y,Z,G,Q) (1)
ZeW (x,y)E Г
Результатом розв'язання задачi (1) е вектор Z = (х1, у1, х2, у2,..., х„, уп) паpаметpiв pозмiщення пожежонебезпечних об'екпв (полюс1в об'ект1в Т).
При цьому на розмщення об'ектiв Т i на результу-юче концентpацiйне поле накладаеться система ге-ометричних та фiзичних обмежень W (Beljaev, 2000). Геометричш обмеження:
• умови, що визначають взаемне розмiщення об'еклв St i
Sj, ij
• умови, що визначають взаемне розмщення об'еклв Sj i нерухомих областей заборони К";
• умови приналежностi об'еклв Si областi розмiщення W. Для фоpмалiзацil геометричних обмежень вико-
ристано апарат Ф-функщ! двох геометричних об'ектш (Chub, Morshh, & Pustovarov, 2002). Фiзичне обмеження: сумарне значення концентраци аерозольних вики-д1в пожеж у заданш системi точок контролю мае не перевищувати ГДК.
Аналиичний опис фiзичних обмежень грунтуеться на результатах параметризащ! концентpацiйного поля в обласп W (Novozhilova, Reznikova, & Pacuk, 2002).
Висновки. Використання запропоновано! матема-тично! моделi i методу оптимального розмщення пожежонебезпечних об'ектав на стади розроблення гене-ральних план1в i план1в реконструкци промислового пiдпpиемства дае змогу мiнiмiзувати негативний еко-логiчний вплив можливо! пожежi i цим самим шдви-щити загальний piвень техногенно! (екологiчно! та по-жежно!) безпеки pегiону.
Перелж використаних джерел
Beljaev, N. N. (2000). Prognozirovanie kachestva vozdushnoj sredy metodom vychislitelnogo jeksperimenta. Dnepropetrovsk: Nauka i obrazovanie, p. 208. [in Russian]. Berljand, M. E. (1975). Sovremennye problemy atmosfernoj diffuzii i zagrjaznenija atmosfery. Leningrad : Gidrometeoizdat, p. 448. [in Russian].
Chub, I. A., & Morshh, E. V. (2003). Parametrizacija koncentraci-onnogo polja ajerozolnyh vybrosov pozhara. Problemy pozharnoj bezopasnosti, 13, pp. 159-162. [in Russian]. Chub, I. A., & Morshh, E. V. (2004). Modelirovanie razmeshhenija pozharoopasnyh obektov s uchetom opasnyh faktorov voz-mozhnogo pozhara. Problemy pozharnoj bezopasnosti, 15, pp. 224-227. [in Russian]. Chub, I. A., Morshh, E. V., & Pustovarov, V. E. (2002). Modeliro-vanie vlijanija pozhara na okruzhajushhuju sredu. Sistemi obrob-lennja informacii, 5(21), pp. 174-176. [in Russian]. Kolektyv avtoriv. (2016). Nacionalna dopovid pro stan tehnogennoi ta pryrodnoi bezpeky v Ukraini u 2015 roci. Kyiv: UkrNDICZ, p. 359.
Novozhilova, M. V., Reznikova, S. Yu., & Pacuk, V. N. (2002). Modelirovanie proizvodstvennyh sistem s uchetom jekologiches-kih faktorov pri nalichii trass kommunikacij. Vestnik HGPU, 10, pp. 105-110. [in Russian]. Proektuvannja. (2004). Sklad, porjadok rozroblennja, pogodzhennja ta zatverdzhennja proektnoi dokumentacii dlja budivnyctva: DBN A.2.2 3-2004. Ofic. vyd. Kyiv: Derzhbud Ukrainy, p. 31. [in Ukrainian].
Zakon Ukrainy. (2001). Pro objekty pidvyshhenoi nebezpeky. Ofic. vyd. Kyiv: VR Ukrainy, p. 43. [in Ukrainian].
И. А. Чуб
СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА ВЫБРОСАМИ ПОЖАРА ПУТЕМ ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ПОЖАРНЫХ ОБЪЕКТОВ
Приводится построение математической модели определения уровня загрязнения атмосферного воздуха аэрозольными продуктами горения и снижение уровня загрязнения путем оптимального размещения пожароопасных объектов. Такая концепция является основой построения эффективного метода снижения негативного воздействия на окружающую среду выбросов пожаров и повышения общего уровня экологической безопасности территории. Задача оптимального размещения пожароопасных объектов сводится к задаче определения оптимального размещения соответствующих зон загрязнения. Определены основные типы ограничений рассматриваемой оптимизационной задачи
Ключевые слова: пожароопасный объект, оптимальное размещение, аэрозольные выбросы пожара.
I. A. Chub
REDUCING AIR POLLUTION CAUSED BY FIRE EMISSIONS THROUGH OPTIMAL PLACEMENT OF FLAMMABLE OBJECTS
Fires have become one of the factors that cause the deterioration of the environment. The products of combustion such as aerosol and gaseous polluting agents are emitted into the atmosphere. In order to determine the quantitative level of air pollution by combustion products it is necessary to construct a mathematical model. It can be considered as the basis for creating effective method to reduce the negative environmental impact of fire emissions and improve the overall level of environmental safety within the area of contamination. Firstly, quantitative characteristics of pollution of the area by combustion products are their concentration, time, placement options of pollutants, fire characteristics and meteorological conditions in the polluted area. We consider the fire in the final stage of development, when the intensity of combustion emissions becomes constant and concentration of combustion products in the atmosphere does not depend on time. Due to time uncertainty of fire emergence a contamination zone is represented as a polygon, being built on the corners of wind rose surface typical for the territory being considered. Secondly, changing a position of a contamination source leads to repositioning the related contamination area without changing its shape and metric characteristics. This assumption allows reducing the placement problem of contamination sources to the optimization of placement problem of octagonal oriented areas of contamination. The system of geometric and physical constraints on placement of contamination areas as well as resulting concentration field has been developed. To formalize these geometric constraints we apply apparatus of F-function for two geometric objects. Under forming the physical constraint we also suppose that total value of the concentration of aerosol emissions in a given system of fire control points will not exceed the maximum allowable one. Analytical description of the physical constraint is based on parameterization of the aerosol concentration field. Thus, using the proposed mathematical model and method of optimal allocation hazard under the development of master plans and plans for reconstruction of industrial enterprises can minimize the negative environmental impact of a possible fire and thereby increase the overall technological level of environmental and fire security of the region.
Keywords: fire-hazardous facility; optimal placement; aerosol fire emissions. 1нформащя про автора:
I. А. Чуб, д-р техн. наук, професор, НУ цившьного захисту УкраТни, м. Харюв, УкраТна.
E-mail: [email protected]
