XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Количество и характер моделей определяют, с одной стороны, кругом задач, стоящих перед экологическими службами, а с другой - требованиями к точности моделирования. Разнообразие требований к характеру оценок загрязнения и высокая специфичность распространения выбросов примесей в различных метеоусловиях приводят к необходимости исполь­зования тех моделей, которые перечислены ниже.

1. Штатные модели служб ГО. Стандартная методика основана на эмпирических моделях и позволяет определить максимально возможную зону поражения при выбросах ядовитых веществ. Модель указывает не реаль­ное положение облака выбросов в тот или иной момент времени, а обозначает границы, в пределах которых концентрация ядовитых веществ может достичь опасных для здоровья человека значений. Модель проста и быстро работает.

2. Стандартные модели загрязнения атмосферы стационарными источ­никами, основанные на модели ОНД-86. Модели могут быть использованы для анализа квазистационарных процессов, когда характерные времена выбросов токсичных веществ превышают характерные времена перемещения воздушных масс в экспертируемой области пространства (например, случаи пожаров или утечек на продуктопроводах). Модель эмпирическая и позволяет рассчитать установившееся распределение концентраций токсиканта при заданном ветре и максимально неблагоприятном с точки зрения рассеяния примесей состоянии атмосферы.

3. Модели МАГАТЭ (международный стандарт) для расчетов загрязне­ний атмосферы, создаваемых стационарными источниками примесей. Это наиболее полные из существующих в настоящее время эмпирических мо­делей. Характер их детализации позволяет учитывать особенности мест­ных метеорологических условий и производить расчеты распределений концентрации примесей в текущих метеоусловиях. Модели требуют значительных работ по привязке к местным условиям. Время вычислений по моделям 2 и 3 практически одинаково.

4. Простейшие нестационарные модели для расчета распространения облака загрязняющих веществ, предназначенные для эксресс-прогноза. Модели строятся на основе методик и моделей МАГАТЭ и позволяют рас­считать траекторию и время движения облака выбросов до потери токсичности или в интересующей области в текущих метеоусловиях. Установившихся стандартов на такие модели нет.

5. Нестационарные модели загрязнения, учитывающие неоднородность подстилающей поверхности. Это квазитрехмерные модели, основанные на использовании полуэмпирических моделей МАГАТЭ с решением уравнения переноса-диффузии примесей в приземном слое. Для повышения скорости и точности вычислений использованы высокоэффективные численные ме­тоды и учтена специфика решаемой задачи.

6. Наиболее полные и совершенные нестационарные модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере, в которые включены расчеты мезометеорологических характеристик атмосферы с учетом орографии (рельеф местности). Модели основаны на решении задач мезометеорологического прогноза и решении трехмерного уравнения переноса- диффузии примеси. Требуют значительных вычислительных ресурсов и подробного задания больших объемов входной и начальной информации. Использование моделей этого класса оправдано, когда от результатов экспертизы зависят жизнь и судьбы людей, а специфика метеоусловий и орография местности таковы, что перечисленные выше модели неприменимы. Это случаи крупных аварий, имевших тяжелые последствия, или экспертиза проектов с прогнозом возможных событий, чреватых такими последствиями.

7. Модели, позволяющие прогнозировать загрязнение при штилевых ус­ловиях разных типов. Характеристики распространения и диффузии примесей в штилевых условиях и во время ветра различаются настолько, что для их описания требуются разные модели. Характер распространения загрязнения во время штиля существенно зависит от состояния атмосферы, орографии местности и начальных условий.

8. Блок моделей, позволяющих учитывать процессы химической трансформации примесей. В случае необходимости его подключают к моделям 4-7. Используется в тех случаях, когда для анализа события существенным является учет химических реакций, протекающих в облаке выбросов, напри­мер, в случаях возможности значительного повышения или уменьшения токсичности. Подключение блока может значительно, в несколько раз, замедлить время расчетной модели.

9. Специальные модели для районирования территорий по вероятности аварий и по степени угрозы промышленным объектам и населению, которые строят на основе среднестатистических моделей с использованием информации о розе ветров данной местности. Существенным моментом при построении моделей этого класса является необходимость учета реак­ции объекта, подвергающегося воздействию облака выбросов. Характер реакции объекта зависит от его свойств, типа и концентрации токсичного вещества и продолжительности его воздействия. Объектом может быть и человек, и промышленное предприятие. Модели для оценки загрязнения территории или объектов строятся на основе моделей 1-8. Выбор модели определяется характером необходимой оценки. Например, для оценки влияния на здоровье населения в случае выброса ядовитых газов можно использовать модель 1, в случае безвредных примесей вообще не требует­ся расчетов, а промежуточные случаи, как всегда, сложны для моделирова­ния.

10. Комплекс синоптико-статистических моделей и автоматизированного прогнозирования неблагоприятных метеорологических условий (HМУ), предназначенный для оценки и прогнозирования уровней загрязнения атмосферного воздуха, а также принятия решения по атмосфероохранной деятельности как в краткосрочном, так и в долгосрочном аспектах. Для получения методик с высоким качеством прогнозирования необходимы исследования по диагностике погодных процессов синоптического масштаба, приводящих к реализации НМУ, и на основе этих исследований создание классификации синоптических процессов. Разработка расчетных моделей базируется на многомерном статистическом аппарате. Построение прогностических зависимостей основано на теории решения некорректных задач, что позволяет получать устойчивые решения при наличии коррелированности параметров, описывающих синоптическую ситуацию. Прогностиче­ская система включает в себя: прием и обработку метеорологической ин­формации из каналов связи, контроль и корректировку данных, архивиро­вание и собственно прогноз.

Процессы распространения примесей в атмосфере представляют чрезвычайный интерес для многих видов человеческой деятельности. В 1950-1960-е годы в исследования в этой области были вложены огромные cpедства. Заказ формировался, по-видимому, военными задачами и безопасностью АЭС. Были выполнены крупномасштабные натурные измерения как в США, так и в СНГ. По их результатам были созданы эмпирические моде­ли. Значительные усилия были затрачены также на развитие теории диф­фузии примеси в атмосфере.

Позднее интерес к этим исследованиям объяснялся уже скорее зада­чами экологии. В настоящее время, по крайней мере, в России в качестве важнейшего приложения результатов подобных исследований являются задачи прогнозирования заражения территории при аварийных выбросах ядовитых веществ.

Несмотря на обширность проведенных исследований, до настоящего времени нет сколько-нибудь общепринятой модели распространения при­месей в атмосфере. Это объективно обусловлено сложностью и разнообразием процессов, а также субъективными факторами. Поэтому существует множество моделей самых различных типов. Прежде чем дать их обзор, необходимо ввести хотя бы простейшую классификацию моделей.

Главным определяющим модели признаком является их эмпириче­ский или теоретический характер. Строго говоря, во всех моделях присут­ствуют оба начала, но в одних - это простейшие и не слишком обоснован­ные рассуждения при тщательном достижении соответствия эксперимен­тальным данным, а в других - фундаментальные уравнения теории диффу­зии в турбулентных средах со сложным математическим аппаратом и ог­ромным объемом вычислений на ЭВМ. Классическими образцами эмпирических моделей являются модели, созданные Паскуиллом и Гиффордом [68] и в Институте экспериментальной метеорологии [69].

По сути эмпирическими являются и модели, созданные в ГГО [67-69]. Хотя при изложении их научных оснований и используются достаточ­но общие представления о пространственной турбулентной диффузии, они при конкретизации переходят в аналогичные формулы.

Именно эти эмпирические модели [68,69] утверждены в разных странах на государственном уровне для практического использования. Фундаментальные теоретические модели в настоящее время используются только для научных целей, они позволяют качественно объяснить некоторые наблюдаемые эффекты.

Наибольший интерес представляют модели, которые мы будем условно называть полуэмпирическими. Примером является модель, созданная в институте экспериментальной метеорологии [69]. В таких моделях эмпири­ка дополнена довольно развитым математическим аппаратом, что позволя­ет анализировать достаточно сложные ситуации, значительно отличающиеся от исходных экспериментов, и фактически объединять результаты разнородных экспериментов, например, метеорологических и диффузионных. В этом главное отличие от чисто эмпирических моделей, которые описывают весь процесс в целом: на входе - параметры выброса, на выходе - концентрация в данной точке пространства.

Например, в некоторых моделях учитывается распределение ветра и коэффициента диффузии по высоте. Это сделано для того, чтобы добиться соответствия диффузионных моделей эмпирическим. Особую роль такой учет играет при интересующем нас моделировании распространения примесей в приземном слое, то есть на высотах менее 50 метров. Общим недостатком такого рода моделей является их преимущественно исследовательская направленность, в связи с чем они не вполне доведены до практического использования.

Вторым определяющим признаком для классификации является богатство учитывае­мых в модели физических процессов. В эмпирических моделях зачастую физика процессов почти не учитывается или сильно искажается. Так, эмпирические модели с Гауссовым распределением концентрации в струе, близким к линейному законом расширения струи (то есть практически все эмпирические модели), не могут быть проинтерпретированы как диффузионные.

В некоторых отечественных монографиях показана возможность такой интерпретации при учете еще одного физического процесса - изменчивости вет­ра за время измерения концентрации. Ведущие зарубежные специалисты, читавшие курс лекций [70], в общей дискуссии смогли указать как причи­ну реального линейного расширения струи, противоречащего теории диффузии, только поворот ветра с высотой. По-видимому, важны оба эффекта, и оба не связаны собственно с диффузией. Но эта разница представлений о физических процессах ярко демонстрирует разрыв между эмпирикой и теорией.

В более сложных моделях учитывают законы движения воздуха и диффузии, причем используют очень разные наборы упрощающих предположений. Почти все модели распространения дополняются учетом специальных процессов, таких, как начальный подъем нагретых выбросов, оседание тяжелых частиц, вымывание примесей осадками. Для задач экологии важную роль играет также учет химических превращений веществ в процессе распространения, в частности, модели фотохимического смога. Но эти вопросы не главные при авариях. Для прогноза, необходимого при авариях, необходимо явно разделить модель воздушных течений вблизи места аварии и модель распространения примеси.

Третьим определяющим признаком для классификации является тип используемого математического аппарата. В значительной мере он связан с первым признаком и еще более непосредственно - со вторым. Эмпирические модели используют явные формулы, которые при реализации на ЭВМ не вызывают никаких затруднений, трудоемким является только ввод и вывод информации. Полуэмпирические модели содержат уже процедуры численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Теоре­тические же модели чрезвычайно разнообразны по аппарату: от теории по­добия и чисто аналитических выкладок дo численного решения уравне­ний мезометеорологии, с диффузией и трансформацией примесей, как раз­ностными методами [70], так и методом Монте-Карло [71]. Особо следует отметить использование аппарата теории вероятности, который был основным у классиков, но в современных моделях играет весьма скромную роль. Вместе с тем убедительно показано, что вероятностный характер процессов принципиален для всех моделей, и в особенности для наиболее интересных для нас случаев кратковременных выбросов в атмо­сферу. Этот вопрос мы рассмотрим отдельно.

Модели можно разделить также на стационарные (таких большинство среди эмпирических моделей) и нестационарные.

Под моделированием мы понимаем в первую очередь математическое моделирование, но применяется и моделирование в лабораторных установках, когда макет зданий или территории обдувают в аэродинамической трубе с источником примеси. Возможности использования таких физических моделей обсудим ниже.

Следует сказать, что различные модели используют весьма разнооб­разные исходные данные, и зачастую отсутствие необходимых метеороло­гических данных диктует применение простейших грубых моделей. Альтернативой было бы численное решение мезометеорологической задачи, но практически этот путь пока не доступен как из-за сложности задачи, так и из-за ограниченности ресурсов ЭВМ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Гирусов Э.В., Бобылев С.Н., Новоселов А.Л., Чепурных Н.В. Экология и экономика природопользования.- М.: Издательское объединение «ЮНИТИ», 1998. - С.320-326.

2 Справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей природной среды. Под общей редакцией Г.И.Арановича.- Ленинград: Изд-во «Судостроение», 1979. - 646 с.

3 Справочник молодого лаборанта-химика. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1985. - 246 с.

4 Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. - М.: Изд-во «Высшая школа», 1999. - С.132-146.

5 Мирзаев Г.Г, Иванов Б.А.Щербаков В.М., Проскуряков Н.М. Экология горного производства. - М.: Недра, 1991. - С.9-18.

6 ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств. - М.: Изд-во стандартов, 1998. -16 с.

7 СР РК ИСО/МЭК 17025-2001. Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий. - Астана: Изд-во Комитета стандартизации, метрологии и сертификации Министерства экономики и торговли Республики Казахстан (Госстандарт), 2001. - 50 с.

8 СТ РК 2.30-2001. Порядок проведения метрологической аттестации средств измерений. - Астана: Изд-во Комитета стандартизации, метрологии и сертификации Министерства экономики и торговли Республики Казахстан (Госстандарт), 2001. - 13 с.

9 СР РК 50.2.2-2002. Оценка состояния измерений в аналитических, испытательных и измерительных лабораториях.- Астана: Изд-во Комитета стандартизации, метрологии и сертификации Министерства экономики и торговли Республики Казахстан (Госстандарт), 2001. -11 с.

10 СТ РК 2.18-2001. Методики выполнения измерений. Порядок разработки, аттестации и применения. - Астана: Изд-во Комитета стандартизации, метрологии и сертификации Министерства экономики и торговли Республики Казахстан (Госстандарт), 2001. -13 с.

Код для цитирования: Скопировать