Аналитический подход к выбору метода оценки и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха
|
Введение 3
1 Литературный обзор 6
1.1 Явления переноса массы, энергии и импульса 6
1.2 Классификация дисперсионных моделей 11
1.3 Аналитико - эмпирические модели 12
1.4 Статистические модели 16
1.5 Численные модели 19
1.6 Программные средства моделирования 20
1.7 Выводы по результатам литературного обзора 23
2 Разработка алгоритма выбора математической модели 24
2.1 Разработка общего алгоритма выбора математической модели.... 24
2.2 Разработка алгоритма выбора дисперсионной модели 26
3 Реализация алгоритма выбора дисперсионной модели 33
3.1 Анализ данных для расчёта 33
3.2 Расчёт по модели Берлянда 37
3.3 Оценка эффективности расчёта по модели Берлянда 44
3.4 Расчёт по модели Паскуилла - Г иффорда 50
3.5 Оценка эффективности расчёта по модели Паскуилла-Г иффорда. 54
3.6 Сравнительный анализ результатов расчёта 58
4 Концепция Единой информационной системы мониторинга и
регулирования качества атмосферного воздуха 63
Заключение 64
Список используемых источников 68
Приложение А Расчёт по методу Берлянда 73
Приложение Б Статистический анализ расчёта по методу Берлянда 82
Приложение В Расчёт по методу Паскуилла-Гиффорда 83
Приложение Г Статистический анализ расчёта по методу Паскуилла- Гиффорда 92
1 Литературный обзор 6
1.1 Явления переноса массы, энергии и импульса 6
1.2 Классификация дисперсионных моделей 11
1.3 Аналитико - эмпирические модели 12
1.4 Статистические модели 16
1.5 Численные модели 19
1.6 Программные средства моделирования 20
1.7 Выводы по результатам литературного обзора 23
2 Разработка алгоритма выбора математической модели 24
2.1 Разработка общего алгоритма выбора математической модели.... 24
2.2 Разработка алгоритма выбора дисперсионной модели 26
3 Реализация алгоритма выбора дисперсионной модели 33
3.1 Анализ данных для расчёта 33
3.2 Расчёт по модели Берлянда 37
3.3 Оценка эффективности расчёта по модели Берлянда 44
3.4 Расчёт по модели Паскуилла - Г иффорда 50
3.5 Оценка эффективности расчёта по модели Паскуилла-Г иффорда. 54
3.6 Сравнительный анализ результатов расчёта 58
4 Концепция Единой информационной системы мониторинга и
регулирования качества атмосферного воздуха 63
Заключение 64
Список используемых источников 68
Приложение А Расчёт по методу Берлянда 73
Приложение Б Статистический анализ расчёта по методу Берлянда 82
Приложение В Расчёт по методу Паскуилла-Гиффорда 83
Приложение Г Статистический анализ расчёта по методу Паскуилла- Гиффорда 92
Актуальность исследования.
Для промышленных территорий контроль качества атмосферного воздуха является приоритетной задачей, решение которой позволит поддерживать качество окружающей среды, способствующей поддержанию здоровья населения. В целях оценки качества атмосферного воздуха и прогнозирования его состояния применяются различные методы математического моделирования рассеивания выбросов в атмосфере.
Проблема заключается в том, что существует определённое количество методов математического моделирования, используемых для расчёта рассеивания загрязняющих веществ и позволяющих спрогнозировать качество атмосферного воздуха, но нет инструментов выбора методики и оценки её эффективности.
Объект исследования: Процесс рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, математические модели атмосферной дисперсии.
Предмет исследования: Сравнительный анализ математических моделей и оценка их эффективности.
Целью настоящей работы является повышение эффективности оценки качества атмосферного воздуха за счёт выбора оптимальной математической модели.
Для реализации цели поставлены следующие задачи:
• провести анализ теоретических подходов к моделированию рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и существующих математических моделей;
• разработать алгоритм сравнительного анализа методов моделирования рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;
• осуществить апробацию предложенного алгоритма на примере рассеивания загрязняющих веществ Северного промышленного узла города Тольятти в Центральном районе города Тольятти.
Теоретико - методологическую основу исследования составили научные работы следующих научных школ - Главной геофизической обсерватории имени А.И. Войекова, Института экспериментальной метеорологии, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, а также работы Ю.И. Дытнерского.
Методы исследования: анализ литературных источников, расчёт рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, сравнительный анализ моделей. Для демонстрации предложенного алгоритма сравнительного анализа разработана программа «Дисперсия».
Теоретическая значимость исследования заключается:
• в описании процесса рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе как сложного процесса переноса вещества, энергии и импульса;
• в систематизации работ в области моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере;
• в сравнительном анализе основных дисперсионных моделей, который позволил выявить основные ограничивающие и входные параметры моделей;
• в разработке общего алгоритма выбора оптимальной математической модели, применимого для исследования моделей различных физико - химических процессов и концепции Единой информационной системы.
Практическая значимость исследования заключается в разработке детального алгоритма выбора дисперсионной модели, реализованного в программе «Дисперсия».
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивалась соответствующими расчётами.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в анализе литературы, посвященной процессу рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и дисперсионным моделям, разработке общего алгоритма выбора математической модели и детального алгоритма выбора дисперсионной модели, апробации предложенного алгоритма, разработке концепции Единой информационной системы.
...
Для промышленных территорий контроль качества атмосферного воздуха является приоритетной задачей, решение которой позволит поддерживать качество окружающей среды, способствующей поддержанию здоровья населения. В целях оценки качества атмосферного воздуха и прогнозирования его состояния применяются различные методы математического моделирования рассеивания выбросов в атмосфере.
Проблема заключается в том, что существует определённое количество методов математического моделирования, используемых для расчёта рассеивания загрязняющих веществ и позволяющих спрогнозировать качество атмосферного воздуха, но нет инструментов выбора методики и оценки её эффективности.
Объект исследования: Процесс рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, математические модели атмосферной дисперсии.
Предмет исследования: Сравнительный анализ математических моделей и оценка их эффективности.
Целью настоящей работы является повышение эффективности оценки качества атмосферного воздуха за счёт выбора оптимальной математической модели.
Для реализации цели поставлены следующие задачи:
• провести анализ теоретических подходов к моделированию рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и существующих математических моделей;
• разработать алгоритм сравнительного анализа методов моделирования рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;
• осуществить апробацию предложенного алгоритма на примере рассеивания загрязняющих веществ Северного промышленного узла города Тольятти в Центральном районе города Тольятти.
Теоретико - методологическую основу исследования составили научные работы следующих научных школ - Главной геофизической обсерватории имени А.И. Войекова, Института экспериментальной метеорологии, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, а также работы Ю.И. Дытнерского.
Методы исследования: анализ литературных источников, расчёт рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, сравнительный анализ моделей. Для демонстрации предложенного алгоритма сравнительного анализа разработана программа «Дисперсия».
Теоретическая значимость исследования заключается:
• в описании процесса рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе как сложного процесса переноса вещества, энергии и импульса;
• в систематизации работ в области моделирования рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере;
• в сравнительном анализе основных дисперсионных моделей, который позволил выявить основные ограничивающие и входные параметры моделей;
• в разработке общего алгоритма выбора оптимальной математической модели, применимого для исследования моделей различных физико - химических процессов и концепции Единой информационной системы.
Практическая значимость исследования заключается в разработке детального алгоритма выбора дисперсионной модели, реализованного в программе «Дисперсия».
Достоверность и обоснованность результатов исследования обеспечивалась соответствующими расчётами.
Личное участие автора в организации и проведении исследования состоит в анализе литературы, посвященной процессу рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе и дисперсионным моделям, разработке общего алгоритма выбора математической модели и детального алгоритма выбора дисперсионной модели, апробации предложенного алгоритма, разработке концепции Единой информационной системы.
...
Ниже приведём выводы и результаты, полученные в рамках выполнения настоящей работы.
Процесс рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосфере рассматривается как результат процесса переноса массы, энергии и импульса, приводятся основные закономерности, описывающие указанные процессы
Предложена классификация дисперсионных моделей по признаку основных закономерностей лежащих в основе модели. Выделены следующие типы моделей:
аналитико - эмпирические, основывающиеся на полуэмпирическом решение уравнения турбулентной диффузии;
статистические, основывающиеся на положении о распределении загрязняющих веществ по нормальному закону;
численные, основывающиеся на совместном численном решении общего уравнения турбулентной диффузии и системы уравнений Навье - Стокса.
К аналитико - эмпирическим относят модель служб гражданской обороны и модель Берлянда.
К статистическим моделям относят модель Паскуилла - Гиффорда, мезомасштабную и региональную модели Института экспериментальной метеорологии.
К численным моделям относят модель Института вычислительной математики и математической геофизики.
Модель служб гражданской обороны является наиболее оперативной и требует минимального числа исходных данных, но даёт информации о распределении вещества. Этим обусловлено её применение для прогнозирования последствий техногенных аварий.
Модели Паскуилла - Гиффорда и Берлянда также позволяют провести оперативный расчёт и требуют минимальное число исходных данных и дают представление о распределении вещества, в то же время не учитывают динамичность состояния атмосферы. Эти модели являются наиболее применимыми в вопросе нормирования выбросов.
Мезомасштабная и региональная модели Института
экспериментальной метеорологии, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН учитывают динамичность состояния атмосферы, но требуют большого числа исходных данных. Это обуславливает исследовательскую направленность указанных моделей.
На основании проведённого обзора заключено, что каждая из описываемых моделей обладает своими недостатками и преимуществами, а также характерной областью применения. В то же время, автором отмечено, что нет алгоритма сравнительного анализа моделей и выбора оптимальной модели.
Предложен общий алгоритм выбора оптимальной математической модели, включающий несколько последовательных стадий. На начальной стадии некоторая выборка моделей анализируется на предмет соответствии цели исследования. На следующих этапах анализируется удовлетворение условий расчёта ограничивающим параметрам и обеспеченность расчёта входными параметрами. На заключительной стадии производится параллельный расчет и сравнение расчётных и экспериментальных значений. Оптимальной признаётся модель, прошедшая все стадии отбора и обеспечивающая большую точность расчёта.
На основании детального анализа для выделенных моделей всех групп дисперсионных моделей составлены структурные схемы типа «чёрный ящик», отображающие входные, ограничивающие и выходные параметры данных моделей.
...
Процесс рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосфере рассматривается как результат процесса переноса массы, энергии и импульса, приводятся основные закономерности, описывающие указанные процессы
Предложена классификация дисперсионных моделей по признаку основных закономерностей лежащих в основе модели. Выделены следующие типы моделей:
аналитико - эмпирические, основывающиеся на полуэмпирическом решение уравнения турбулентной диффузии;
статистические, основывающиеся на положении о распределении загрязняющих веществ по нормальному закону;
численные, основывающиеся на совместном численном решении общего уравнения турбулентной диффузии и системы уравнений Навье - Стокса.
К аналитико - эмпирическим относят модель служб гражданской обороны и модель Берлянда.
К статистическим моделям относят модель Паскуилла - Гиффорда, мезомасштабную и региональную модели Института экспериментальной метеорологии.
К численным моделям относят модель Института вычислительной математики и математической геофизики.
Модель служб гражданской обороны является наиболее оперативной и требует минимального числа исходных данных, но даёт информации о распределении вещества. Этим обусловлено её применение для прогнозирования последствий техногенных аварий.
Модели Паскуилла - Гиффорда и Берлянда также позволяют провести оперативный расчёт и требуют минимальное число исходных данных и дают представление о распределении вещества, в то же время не учитывают динамичность состояния атмосферы. Эти модели являются наиболее применимыми в вопросе нормирования выбросов.
Мезомасштабная и региональная модели Института
экспериментальной метеорологии, Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН учитывают динамичность состояния атмосферы, но требуют большого числа исходных данных. Это обуславливает исследовательскую направленность указанных моделей.
На основании проведённого обзора заключено, что каждая из описываемых моделей обладает своими недостатками и преимуществами, а также характерной областью применения. В то же время, автором отмечено, что нет алгоритма сравнительного анализа моделей и выбора оптимальной модели.
Предложен общий алгоритм выбора оптимальной математической модели, включающий несколько последовательных стадий. На начальной стадии некоторая выборка моделей анализируется на предмет соответствии цели исследования. На следующих этапах анализируется удовлетворение условий расчёта ограничивающим параметрам и обеспеченность расчёта входными параметрами. На заключительной стадии производится параллельный расчет и сравнение расчётных и экспериментальных значений. Оптимальной признаётся модель, прошедшая все стадии отбора и обеспечивающая большую точность расчёта.
На основании детального анализа для выделенных моделей всех групп дисперсионных моделей составлены структурные схемы типа «чёрный ящик», отображающие входные, ограничивающие и выходные параметры данных моделей.
...
Подобные работы
- Концепция системного анализа документации на техническое перевооружение опасного производственного объекта в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности (на примере ООО «РусНефтеПроект-Мск»)
Магистерская диссертация, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4985 р. Год сдачи: 2019 - ОЦЕНКА И РЕГУЛИРОВАНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ОРГАНАМИ МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ
Диссертации (РГБ), экономика. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2000 - Управление контрольно-надзорной деятельностью в сфере обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения на основе риск-ориентированной модели
Магистерская диссертация, маркетинг. Язык работы: Русский. Цена: 4870 р. Год сдачи: 2016 - ЭКОНОМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ КЛАСТЕРА, КАК ИНСТРУМЕНТ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗВИТИЯ РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ
Магистерская диссертация, экономика. Язык работы: Русский. Цена: 5750 р. Год сдачи: 2019 - ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТНОГО РЕШЕНИЯ ПО УТИЛИЗАЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН
Магистерская диссертация, экономика. Язык работы: Русский. Цена: 4980 р. Год сдачи: 2019