Модели распространения загрязнений

В.М. Панарин, Ю.Н. Пушилина, А.А. Зуйкова, Н.А.Телегина
Тульский государственный университет.
г.Тула

---

Модели распространения загрязнителей наиболее разработаны для воздушной среды. К системе подключаются модели ОНД-86 (разработана в ГГО им. Воейкова) и ISC3ST (разработана US EPA). Первая программируется на основе ее описания в литературе. Вторая основана на исполняемом модуле, распространяемом EPA, и к нему написан интерфейс, позволяющий системе направлять в него данные и принимать результаты расчета. Часть "продвинутых" возможностей обеих моделей (рельеф, вымывание загрязнителей и др.) вводится в систему постепенно, чтобы не усложнять пользователю постановку задачи.

Официальная версия ОНД-86 предназначена для расчета только максимальных ожидаемых концентраций при наихудших метеоусловиях. Для целей системы этого недостаточно. Поэтому в систему вводится также "неофициальная" часть модели, позволяющая рассчитать текущие концентрации при конкретных метеоусловиях. Для нее необходима дополнительная информация об атмосферной устойчивости (турбулентности). Система позволяет рассчитать эти данные (с ограниченной точностью, но достаточной для задач "среда-здоровье") аналогично тому, как это делается в модели ISC3ST. Источником метеоданных для обеих моделей служат наблюдения Росгидромета. По выбору пользователя, может применяться та или другая модель, в зависимости от задачи. Модели могут рассматриваться и как альтернативные варианты. Возможно совместное использование обеих моделей с взаимной привязкой по критериям согласия.

Входные данные:

- характеристики источника выброса (объем в единицу времени, концентрация загрязнителей, скорость истечения, температура, высота трубы и т.п.);

- метеорологические характеристики (скорость ветра, тип устойчивости атмосферы, температура и т.п.);

- характеристики местности (город или село, рельеф, наличие и форма близлежащих зданий и т.п.).

Выходные данные:

- концентрации загрязнителей в заданной точке с усреднением за заданный период времени;

- максимальные концентрации при наихудшей комбинации погодных и др. условий.

Первая группа входных данных получается с этапа расчета выбросов. Остальные группы представляют собой соответственно метеорологические и географические базы данных для конкретной территории или сформированные под конкретную задачу.

С учетом иерархической структуры данных, необходимы три уровня моделирования: отдельное облако выброса (клуб); стационарное распределение концентраций при текущих условиях переноса (погода, картина течений); средняя картина концентраций за характерный период (сезон, год). Наиболее важным является уровень стационарного распределения, и именно на него рассчитаны две вышеуказанные модели.

Согласно проведенным EPA исследованиям, в этом случае модели распространения выброса в воздухе могут быть однотипными, независимо от типа источника - точечного (труба), линейного, площадного или объемного, - различаясь только значениями параметров.

Необходимо агрегирование результатов расчета этих моделей для перехода на уровень средней картины концентраций (примерно соответствующей региональному уровню). Оно должно дать возможность приближенной оценки ожидаемой средней концентрации загрязнителей по группе населенных пунктов и за интервал времени порядка года, исходя из средних характеристик выбросов, рассчитанных, как указано выше, типовых паттернов погодных условий и типа населенного пункта.

Кроме того, система допускает упрощение моделей текущей концентрации до уровня средней картины концентраций, причем сокращается и объем требуемых входных данных. Детальная информация о рельефе и близлежащих зданиях сводится к нескольким обобщенным характеристикам, атмосферные условия представляются только устойчивым распределением направлений и скоростей ветра и других обычно измеряемых параметров, характеристики источника сведены к объему выброса и концентрации в нем загрязнителя.

Наиболее известный случай - когда источником выброса является производственный объект топливно-энергетической, металлургической, нефтехимической или химической отрасли, например, ТЭЦ, предприятие черной металлургии, нефтеперерабатывающий завод и т.п. При этом основу методики расчета мощности выброса составляют модели, допускающие, как минимум, три уровня: технологический процесс или рабочее место; отдельное предприятие или группа однотипных предприятий; группа разнотипных предприятий или отрасль.

Наиболее апробированные модели используются для уровня рассмотрения отдельного предприятия.

Практически для всех предприятий указанных выше типов имеются стандартные методики расчета параметров выброса, а используемые при этом модели описываются простыми алгебраическими формулами. Они могут использоваться как для отдельного предприятия, так для группы однотипных предприятий, что необходимо при поддержке принятия управленческих решений в масштабе отрасли.

В частности, для расчета выбросов ТЭЦ в атмосферу входными параметрами, взятыми из экологического паспорта предприятия и хранящимися в соответствующей базе данных (БД), служат:

- тип используемого топлива;

- расход топлива;

- тип котла;

- температура сгорания;

- тип используемых фильтров, а также, возможно, и другие, менее существенные технологические параметры.

Выходными данными модели являются:

- объем выбросов в единицу времени т е. их мощность;

- концентрация в выбросе основных загрязнителей, таких, как окись углерода, двуокись азота, двуокись серы, твердые частицы и др.;

- температура выброса.

Все эти параметры должны входить в общий тип модельного объекта, используемого при расчете выброса. Тип должен содержать полный список возможных параметров. Конкретный экземпляр модельного объекта, предназначенный для использования в задаче, где фигурируют иные производства, должен содержать эти же параметры с точностью до переименования.

На уровне групп предприятий или отрасли модели могут также использовать официально утвержденные удельные коэффициенты выброса на единицу продукции, установленные для наиболее важных типов предприятий по основным загрязнителям. В этом случае каждая модель имеет тип простейшей алгебраической формулы - отношения пропорциональности. Для типов производств, где нормативными документами предусмотрены дополнительные параметры, используемые при расчете удельного выброса, должна быть предоставлена возможность вводить эти параметры в модель. При этом модель может несколько усложняться, переходя в тип, рассмотренный выше для уровня отдельного предприятия.

Другая важная группа моделей расчета выброса в атмосферу касается автомобильного транспорта.

Входными параметрами служат:

- тип используемого топлива;

- тип двигателя;

- характеристики движения (транспортный поток, скорость, время стоянки с включенным двигателем и т.д.).

Выходными параметрами являются:

- объем выбросов в единицу времени;

- концентрация в выбросе основных загрязнителей;

- температура выброса.

Эти модели предназначены для применения только на локальном уровне, примерно соответствуя уровню автотранспортного предприятия.

Модели образования выброса должны быть способны использовать следующую качественную и количественную экспертную информацию:

- соответствие отчетных и реальных выбросов;

- типичный временной график выброса;

- список "чистых" технологий, которые реально могут использоваться для замещения "грязных" технологий и их параметры;

- вероятная картина выброса от нестационарных источников (транспорт и т.д.).

Указанные модели не должны содержать разбивки по пространству, являясь пространственно однородными, но могут иметь разбивку по времени, соответственно динамике выброса, по типам загрязнителей и др. переменным. При этом форма источника может быть любой - точечной, линейной, площадной и т.д. - поскольку это не нарушает требования однородности.
Используемые в методике расчета распространения выбросов модели допускают как минимум три уровня агрегации:

- отдельное облако выброса (клуб);

- стационарное распределение концентраций при заданных условиях переноса (погода, картина течений);

- средняя картина концентраций за характерный период (сезон, год).

Наиболее важным является уровень стационарного распределения.

Согласно проведенным EPA исследованиям, в этом случае модели распространения выброса в воздухе могут быть однотипными, независимо от вида источника - точечного (труба), линейного, площадного или объемного, - различаясь только значениями параметров. Модель должна создаваться, исходя из наиболее сложного для расчета случая точечного источника. За основу должна быть взята структура, характерная для американской модели ISC3ST и отечественной ОНД-86.

Входные данные, хранящиеся в базе данных:

- характеристики источника выброса (объем в единицу времени, концентрация загрязнителей, скорость истечения, температура, высота трубы);

- метеорологические характеристики (скорость ветра, тип устойчивости атмосферы, температура и т.п.);

- характеристики местности (город или село, рельеф, наличие и форма близлежащих зданий и т.п.).

Выходные данные:

- концентрации загрязнителей в заданной точке с усреднением за заданный период времени;

- максимальные концентрации при наихудшей комбинации погодных и др. условий.

Эти данные отображаются на карте в масштабе, соответствующем уровню решаемой задачи - городском или региональном.

Первая группа входных данных получается с предыдущего этапа расчета (расчета выброса). Остальные группы представляют собой параметры соответственно метеорологической и географической модели, поддерживаемой для конкретной территории или сформированной под конкретную задачу. Система предоставляет возможность формирования такой модели на этапе постановки задачи путем импорта аналогичной модели, построенной ранее для другой территории или задачи, а также путем сборки из разных моделей.

Модели уровня стационарного распределения должны допускать разбиение по пространству и времени с переходом на уровень отдельного облака выброса. На этом уровне структура модели должна представлять собой результат численного интегрирования дифференциальных уравнений переноса (типа Фоккера - Планка или подобных). В частности, может использоваться структура, характерная для американской модели CALPUFF. При этом к входным данным, перечисленным выше, добавляются текущие характеристики погодных условий, детализированные во времени и пространстве (в т.ч. в вертикальном измерении).

При переходе от этого этапа обработки к следующему - расчету индивидуального риска для здоровья - должно быть установлено соответствие между выходными узлами предыдущего этапа и входными узлами последующего. В частности, выходные узлы этапа распространения выброса (концентрации загрязнителей, разбитые по точкам, где находятся измерительные станции) должны быть отображены во входные узлы этапа расчета риска здоровью.

Модели распространения выброса должны быть способны использовать следующую качественную и количественную экспертную информацию:

- типичные экстремальные ситуации распространения выброса (связанные с метеоусловиями и т.п.);

- вероятные места и моменты времени, где достигаются высокие концентрации, но которые могут ускользнуть от мониторинга (связанные с расположением зданий и пр.);

- возможные химические превращения в ходе распространения загрязнителей, в т.ч. взаимодействие разных загрязнителей;

- вероятные переносы загрязнителей между различными средами;

- репрезентативность несистематически измеряемых концентраций (в почве, продуктах питания и т.п.);

- оценка роли вторичных явлений распространения выброса;

- данные о концентрациях по лично проведенным исследованиям;

- источники вероятных искажений в измерениях концентраций (методика измерений, расположение станций).

При переходе к следующему этапу обработки информации - расчету распространения выброса - должно быть установлено соответствие между выходными параметрами этапа расчета ожидаемого выброса и входными параметрами последующего этапа. При этом следует помнить, что каждый параметр может иметь разные значения в разных узлах, распределенных по пространству, времени и другим переменным. Например, выходные узлы - объемы и др. параметры выброса, разбитые по типам технологических процессов,- должны быть отображены во входные узлы этапа распространения выброса, разбитые согласно положениям источников-труб или группам таких источников.

Список литературы

1. Ю.Н. Пушилина. Модели распространения загрязнений в экологии / Материалы второй Всероссийской студенческой научно-технической интернет – конференции «Экология и безопасность». - Тула, 2006.

2. Ю.Н. Пушилина. Моделирование процессов в экологии / Доклады Четвертой всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии».-Тула, 2008г. С.133

---

Назад к списку