1. Литературный обзор 7
1.1. Методы расчета рассеивания загрязняющих веществ и м атематические
модели для прогнозирования рассеивания загрязняющих веществ 7
1.2. Расчетные модели распространения загрязняющих веществ в
атмосфере 29
2. Экспериментальная часть 44
2.1. Анализ состояния атмосферного воздуха на территории г.о.
Тольятти 44
2.2. Разработка прогностической модели для оценки качества атмосферного
воздуха 51
Заключение 78
Список используемой литературы 80
Актуальность и научная значимость настоящего исследования.
На данный момент остро стоит проблема контроля качества атмосферного воздуха.
Химические вещества, в том числе токсичные вещества, имеют различные пути выброса в атмосферу. Они могут выбрасываться либо из приблизительно точечных источников (например, аварийный выброс на атомных электростанциях (АЭС) или извержения вулканов), либо из площадных источников (например, выброс прекурсоров фотохимического смога и лесные пожары). Загрязняющие вещества воздуха могут распространяться на сотни и даже тысячи километров от места их выброса по всему миру в зависимости от их химических и физических свойств (например, химического состава, растворимости в воде или гранулометрического состава частиц), и они влияют на здоровье человека и приводят к долгосрочному воздействию на нашу окружающую среду.
Для сохранения человеческих жизней и снижения экономических потерь разрабатываются вычислительные модели рассеивания загрязняющих веществ воздуха, позволяющие понять и предсказать последствия этих явлений и аварий. Моделирование модели должно быть быстрым и иметь высокую степень точности для использования в режиме реального времени. Таким образом, одной из основных задач моделирования атмосферной дисперсии является разработка моделей и программного обеспечения, которые могут обеспечивать численные прогнозы точным и эффективным с вычислительной точки зрения способом.
Другие процессы, такие как турбулентность, химические реакции, радиоактивный распад и осаждение, также могут играть важную роль в рассеивании токсичных веществ. Еще одним важным вопросом при моделировании рассеивания загрязняющих веществ воздуха является анализ продолжительности стабильного состояния химических веществ и характерного расстояния, на которое они могут переноситься, что коррелирует со временем стабильности. Если выбрасываемые частицы имеют короткое время стабильности то, они не могут переноситься на большие расстояния, и их воздействие будет сосредоточено в локальном масштабе. Однако химические вещества, такие как NOx, SO2, имеющие более длительный срок стабильности в атмосфере, могут иметь более широкие зоны воздействия. Следовательно, в таких случаях необходимы региональные или континентальные подходы к моделированию.
Для моделирования рассеивания загрязняющих веществ воздуха были разработаны различные подходы к моделированию. Моделирование рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере является одной из важнейших и сложных научных задач. Моделирование рассеивания загрязнителей воздуха может предсказать эффект от каждого источника выброса, поэтому разработка различных модельных стратегий является важным элементом для современных действий по охране окружающей среды.
Статья «Моделирование загрязненности атмосферного воздуха на селитебных территориях» была опубликована в сборнике студенческих работ «Молодежь. Наука. Общество» 2020г. Всероссийская студенческая научнопрактическая междисциплинарная конференция: Тольятти, 25 декабря 2020 - 29 января 2021 года
Объект исследования: выбросы загрязняющих веществ от
промышленных источников г.о. Тольятти.
Предмет исследования: моделирование рассеивания загрязняющих веществ от промышленных источников г.о. Тольятти.
Цель: обеспечение качества атмосферного воздуха при использовании прогностической модели загрязнения атмосферного воздуха.
Гипотеза исследования состоит в том, что при использовании математической модели рассеивания загрязняющих веществ возможно предположить местонахождение источника выброса.
...
В ходе литературного обзора рассмотрены методы расчета рассеивания загрязняющих веществ. В настоящее время разработано несколько моделей с различными ограничениями, так как одни и те же функции для одного и того же типа источника могут отличаться в зависимости от типа устойчивости атмосферы и скорости ветра. Пришли к выводу, что наиболее применяемым уравнением является уравнение рассеивания Г аусса, поскольку уравнение дает описание нормальному распределению функции в трех плоскостях и является более универсальным и удобным в применении.
При рассмотрении моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере проведен обзор некоторых моделей, использующих основные методы расчета. Наиболее полезными являются модели RAPTAD и DEGADIS, так как они использует в качестве основного уравнения гауссовское распределение и имеют ограничения в использовании до 100 км, что достаточно подходит для цели исследования.
В исследовании проведен анализ загрязняющих веществ г.о. Тольятти. В результате чего сделан вывод о том, что основными загрязняющими веществами для г.о. Тольятти являются: ацетон, бензол, бутилацетат, стирол, метилстиролы, метилакрилат, бензальдегид, фенол и другие вещества. Данный перечень загрязняющих веществ относится к промышленным выбросам, а также к компонентам от автомобильного топлива и продуктов его сгорания. Кроме того, в воздухе обнаружено содержание аммиака, серы диоксида и капролактама, что свидетельствует о выбросах производств г.о. Тольятти.
Приведено математическое преобразование уравнения рассеивания на основе распределения Гаусса. В основе модели лежит уравнение рассеивания Гаусса для нестационарного источника, поскольку необходимо определение неизвестного расстояния до источника выброса, и Лагранжева модель рассевания. Комплексная модель позволяет прогнозировать рассеивание в местности со сложным рельефом. Ограничения для данной модели были 78
выставлены по расстоянию до 100 км и по отсутствию штиля, то есть должна быть учтена скорость ветра для расчетов. В итоге получено уравнение расстояния до источника выброса газообразных загрязняющих веществ, которое было применено для расчета двух примеров рассеивания серы диоксида с числовой и визуальной интерпретацией.
Сделан вывод о том, что полученную модель можно применить для прогнозирования источника выброса загрязняющего вещества. С учетом всех начальных параметров данная модель может быть автоматизирована посредствам написания алгоритма для ПО и также использована для нейросети, которая далее может очертить примерную область возникновения выброса. Приведен примерный алгоритм действия ПО для реализации поставленной задачи.
Данное решение является достаточно актуальным, поскольку в настоящее время развитие отраслей направлено в сторону автоматизации и цифровизации процессов. Автоматизация и создание базы данных с расчетом источника выброса позволит увеличить контроль за состоянием атмосферного воздуха г.о. Тольятти в сфере контроля промышленных выбросов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
