ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Бурхливий розвиток промисловості поставило перед людством гостру проблему —охорону навколишнього середовища. Локальні забруднення в результаті викидів промислових підприємств перевершили гранично допустимі санітарні норми. Гігантські роботи, пов'язані з видобутком вугілля, кольорових металів та інших корисних копалин призвели до ерозії та забруднення величезних територій. При викидах на Зуївській теплою електростанції газових домішок відбуваються складні хімічні реакції, в результаті яких з'являються нові токсичні речовини, яких не було в первісних викидах. Серед неорганічних речовин особливо шкідливі викиди оксидів азоту і сірки, окису і двоокису вуглецю. Майже всі домішки в кінцевому підсумку осідають на поверхні землі, причому важкі осідають в основному під дією гравітаційного поля, а легені — в результаті дифузійного процесу. В даний час на Зуївській теплової електростанції для зменшення викидів у навколишнє середовище застосовуються електрофільтри та пристрої сіркоочищення. Причинами появи високих концентрацій окремих забруднюючих речовин в атмосфері можуть бути або викиди одного, і кількох джерел, або виникнення несприятливої метеообстановки. В обох ситуаціях необхідно виявити джерело, зменшення викиду якого призводить до зниження підвищеного рівня забруднення повітряного середовища. Тому в процесі експлуатації автоматизованої системи екологічного моніторингу та управління якістю атмосферного повітря виникає необхідність вирішення завдання про ідентифікацію джерел забруднення повітряного середовища. Найефективнішим способом вирішення даної задачі є обладнання всіх газоводів і вентиляційних труб підприємства автоматичними приладами витрати та концентрації шкідливих домішок у відхідних газах. Однак відсутність багатьох аналізаторів і висока вартість подібних систем контролю ускладнюють застосування цього способу. Питання матемітіческого моделювання викладені в роботі Г. И. Марчука[5].

1. Актуальність теми

Магістерська робота присвячена питанням охорони навколишнього середовища, які на сьогоднішній день дуже актуальні. Від стану атмосфери залежить життя кожної людини. Математичним моделюванням у сфері охорони навколишнього середовища займаються дуже давно. Результати математичного моделювання дозволяють розрахувати гранично допустимі концентрації забруднення навколишнього середовища шкідливими домішками. Для отримання значень граничних концентрацій необхідно розробити математичну модель, яка дозволить отримати найоптимальніше рішення.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Мета роботи полягає в побудові математичної моделі, яка дозволить проаналізувати процес поширення шкідливих домішок в атмосфері.

Об'єктом дослідження є теплова електростанція, в результаті якої відбувається поширення шкідливих домішок в атмосферу.

Предметом дослідження виступають математичні моделі та алгоритми моделювання процесів поширення шкідливих домішок в атмосфері.

В рамках магістерської роботи планується отримання наступні результати:

     1. Дослідження роботи теплової электростанціі.

     2. Проведення аналізу роботи теплою електростанції.

     3. Розрахувати значення розташування джерела розповсюдження шкідливих домішок за умови, що концентрація не повинні перевищувати граничні норми.

В якості практичних результатів можна виділити наступні:

     1. Розрахунок за допомогою математичної моделі граничної концентрації шкідливих речовин.

     2. Отримання результатів необхідного розташування джерела розповсюдження шкідливих домішок за допомогою програмного пакета Maple.

     3. Аналіз результатів.

3. Огляд робіт з моделювання

Однією з актуальних проблем сучасності є охорона навколишнього середовища від негативного антропогенного впливу. Від правильного та своєчасного вирішення цієї проблеми залежать здоров'я і добробут людей. Самий відчутний внесок у забруднення навколишнього середовища вносять енергетичні, хімічні підприємства і підприємства кольорової металургії. Найбільш поширеними викидами в атмосферу є оксиди сірки та азоту, пил, моноксид вуглецю, а також зола і шлаки, що надходять в золовідвали.

При оцінки можливих наслідків такої діяльності досить ефективним є математичне моделювання процесів поширення домішок з подальшим аналізом поведінки цих домішок в залежності від розробки практичних підходів до вирішення тих чи інших питань охорони від забруднення атмосфери, гідросфери, грунтів і рослинності. Поширення домішок залежить від гідрометеорологічних умов, неоднорідностей місцевості, трансформації речовин за рахунок хімічних перетворень, взаємодії з підстилаючої поверхнею.

Питанням охорони навколишнього середовища присвячено великий цикл досліджень. Оцінка і контроль забруднення атмосфери, гідросфери і підстилаючої поверхні в даний час грунтуються на результатах теоретичного та експериментального вивчення поширення забруднюючих речовин від їх джерел. Основні роботи з моделювання узагальнені в книзі автора М. Ф. Кожевникова [12].

За відомим профілям вітру і різним поліноміальним формам розповсюдження приземних концентрацій побудована на основі рівняння нерозривності маси проста модель забруднення атмосфери міста. Наближено зв'язати максимальні концентрації домішок з вектором швидкості вітру дозволяють графічні методи, коли на круговій діаграмі будують ізоплети повторюваності скинув вітру в полярних координатах, які викладені в книзі С.П. Дударова [11].

Значний розвиток отримала робота за прогнозом потенціалу забруднення повітря Ю. В. Новіков [6].

В основу цих робіт закладено облік статистичної повторюваності умов (наприклад, антіциклональний тип погоди з застоями повітря, слабкими вітрами), небезпечних з точки зору формування високих рівнів концентрації. У деяких роботах Л. Т. Рибаков, А.Н. Ясенський [13-5], на основі вимірювання концентрацій забруднюючих інгредієнтів будуються їх емпіричні функції розподілу, які в подальшому використовуються для оцінки ймовірності перевищення гранично допустимих концентрацій. В результаті аналізу літературних даних можна зробити висновок про доцільність моделювання процесів поширення домішок поблизу промислового підприємства. Пропонується підхід до вирішення задачі про поширення атмосферних домішок від довільної системи джерел в роботах П.М. Бєлова, А.І. Дегтярьова [17-18] концентрація S абруднюючої інгредієнта в розглянутій точці залежить від параметрів (И) источника, відстані (d) до нього і метеорологічних характеристик, визначальною з яких є вектор швидкості вітру:

                                                                                                       

 

Тому можна вважати, що величина Sзалежить від розподілу напрямку вітру. Випадковими параметрами є вітрові характеристики, які спостерігаються на метеостанціях конкретного регіону за багаторічний сезон або місяць. З усього безлічі вітрових характеристик вибираємо тільки те його підмножина, яке сприяє виникненню концентрацій домішок вище ГДК. Тим самим виділяється як область рішень диференціального рівняння, що описує перенос і турбулентну дифузію домішок, так і область інтегрування заданої функції щільності ймовірностей. Інтегруючи функцію щільності ймовірності вектора швидкості вітру по виділеному підмножині можна оцінити з ймовірнісної точки зору частоту реалізації всіх вітрів. Незважаючи на те, що всі аналітичні рішення отримані при певних спрощення процесів, можливості їх значно розширюються, якщо взаємно однозначно пов'язати розподіл домішок з імовірнісними інтегральними і диференціальними функціями розподілу гідрометеорологічних параметрів. В якості вихідного рівняння отримаємо:

                                                                                             

                                                                                                

                                                           

де t—час,

x,y,z —осі декартової прямокутної системи координат,

s—концентрація домішки,

u,v,w—компоненти вектора швидкості вітру,

a—коефіцієнт розпаду домішки,

wg—швидкість гравітаційного осадження частинок.

Можна скористатися аналітичним рішення отриманим при наступних спрощення рівняння: легка домішка пасивна і консервативна, рух стаціонарно, вісь х орієнтована в напрямку вітру, вертикальні рухи в атмосфері малі в порівнянні з горизонтальними, дифузійний потік домішки вздовж осі х значно менше конвективного.

Припустимо, що необхідно розмістити нове промислове підприємство у районі населених пунктів з умовою, щоб сумарна їх річне забруднення від шкідливих промислових викидів не перевищувало допустимих санітарних норм і щоб загальна екологічне навантаження на весь регіон за рахунок його забруднення була мінімальною або в межах глобальних санітарних норм, які викладені в роботі автора А.С. Носков, М.А. Савінкіна, Л.Я. Аніщенко.

3.1 Джерела розповсюдження шкідливих домішок в атмосфері

Підвищена концентрація забруднюючих речовин спостерігається в атмосфері практично кожного промислового підприємства, тому виникає необхідність у вирішенні задачі оцінки і моделювання поширення забруднюючих речовин в атмосфері саме від точкових стаціонарних джерел з метою запобігання або зменшення їх впливу на екосистему. При аналізі процесів забруднення атмосфери міст досить істотно відмінність між забрудненнями, виробленими стаціонарними та мобільними джерелами, які можна знайти в книзі Ф.В. Скалкін [8]. Точковим стаціонарним джерелом забруднення є джерело, зосереджений у певному місці і викидає забруднюючі в атмосферу речовини з встановленого отвори. Для міст точковими стаціонарними джерелами забруднюючими атмосферу є димові труби заводів, теплоелектростанцій, опалювальних котелень, технологічних установок, печей та сушарок, витяжні шахти, вентиляційні труби, витяжки.

Стаціонарні джерела викидають в повітря сірчистий газ, оксиди азоту, а також деяку кількість чадного газу, фенолів, сірчаної кислоти та інших забруднюючих речовин в залежності від специфіки промислового виробництва міста і складу використовуваного в ньому палива. Відносно недавно стаціонарні джерела викидають в атмосферу значну кількість пилу різноманітного хімічного складу, але в даний час існуючі газоочистні установки затримують більше 95% всіх твердих часток, що утворюються при згоранні палива, але практично не вловлюють газових складових.

Іншою особливістю стаціонарних джерел є те, що їх скиди в атмосферу, на відміну від мобільних джерел, відбуваються як правило, на великій висоті, що призводить до того, що вироблені ними забруднення поширюються на великій території (залежно від висоти труб). Ці зони, накладаючись один на одного, утворюють області стійких забруднень у промислових районах міст, що поширюються на висоту до 150 м і більше.

Газоподібні викиди промислових підприємств утворюють в атмосферному повітрі аеродісперсние системи і в результаті турбулентного руху та інших процесів довгий час утримуються в повітрі. Дальність розповсюдження забруднювачів залежить від часу існування того чи іншого забруднювача в повітрі і метеорологічних умов, швидкості і напряму потоків в атмосфері, опадів та інших процесів..

На відміну від стаціонарних джерел забруднення повітряного басейну автотранспортом відбувається на невеликій висоті і практично завжди має локальний характер. Найпоширенішими шкідливими речовинами, що забруднюють атмосферне повітря, є: оксид вуглецю, діоксид сірки, сажа, оксиди і діоксиди азоту, аміак, фенол, формальдегід, фтористий водень та неорганічний пил. Прогноз і регулювання забруднення атмосфери викладені в роботі М.Я. Берлянд [3].

3.2 Моделювання пилення золовідвалів ТЕС

Фізична сутність пилення труб і золовідвалів ТЕС, а також відвалів гірничо-рудних підприємств різна, а саме: найбільші концентрації домішок поблизу висотних джерел виникають при Штильних ситуаціях, в той час як інтенсивність цвітіння відвалів і золовідвалів найменша. Беручи до уваги полидисперсность пилу, рішення задачі пилення ускладнюється тим, що для кожної фракції частинок необхідно знайти критичну швидкість відриву від підстилаючої поверхні і вказати інтенсивність цвітіння джерела. Питанням переходу часток з підстильної поверхні в аерозольний стан присвячені роботи М.І. Бергер, П.Н. Мітренко [4-12], згідно з якими критична швидкість viвідриву частинок пропорційна r—радіусу частинок

Пляжі, що пилають апроксимуються дискретної структурою i ділянок,кожен з яких має потенційну інтенсивність цвітіння.

                                                                                                         

 

де M—середня кількість речовини, яка викидається підприємством в одиницю часу,

S—загальна площа пилення,

a—коефіцієнт розпаду домішки,

Si—площа окремої ділянки.

Розглянуті рівняння записані для тривимірної області дослідження, яка описана в книгу Ю.А. Бєлова, І.В. Рибаков [10-13].Розглянемо процес поширення домішок в одновимірному наближенні.

                                                                                                

Загальне рівняння мінливості концентрації багатокомпонентних газових домішок представлено у вигляді:

                                                                                                 

де x1 = x, x2 = y, x3 = z,

u1 = u, u2 = v, u3 = w,

j = 1,2,3.

У розгорнутому вигляді отримуємо систему рівнянь:

                                                           

Будемо розглядати постановку задачі в одновимірному наближенні тільки в разі сильного східного чи західного вітру. Тоді отримаємо одновимірну модель виду:

                                                                                        

p>где С—концентрація домішки,

V—швидкість потоку,

D—коефіцієнт дифузії,

Q—вільний член,

—область забруднення.

Пусть V = 0,тоді отримаємо рівняння:

                                                                                                

З урахуванням того, що джерело розташований в точці x* , маємо:

                                                                                                

где тета—функції мають такий вигляд:

                                                                                   

де Q0—кількість викинутої речовини, в загальному випадку, що є функцією часу t.

Пусть початкові і граничні умови мають вигляд:

                                                                                                        

                                                                                                         

                                                                                                       

де C0—концентрація домішки в початковий момент часу.

де C1,C2—концентрації на кордонах області.

Задача моделювання полягає у вирішенні рівняння з початковою умовою, крайовими умовами, тобто у визначенні функції C(x,t)в області забруднення.

3.3 Постановка завдання

Будемо розглядати трубу теплової електростанції як джерело поширення домішок в навколишнє середовище в центрі осі х, довжина якої дорівнює l. Для знаходження концентрації поширення домішки візьмемо граничне значення концентрації для окису азоту і коефіцієнт дифузії. На кордонах області концентрації відсутні, тобто С1 = 0 и С2 = 0.

Головне завдання полягає в моделюванні розповсюдження домішок у районі теплової електростанції за допомогою програмного пакета Maple11. Аналіз поведінки графіків дозволить розглянути питання про знаходження джерела забруднення на певній відстані для зменшення поширення концентрації домішки.

4. Методи аналізу стану навколишнього середовища

Аналіз здійснюється шляхом вирішення наступних завдань:

     1. завдання моніторингу.

     2. задача прогнозування.

У систему моніторингу повинні входити такі основні процедури, які розглянуті в книзі Ю.М. Алпатова [16]:

     1. Виділення (визначення) об'єкта спостереження.

     2. Обстеження виділеного об'єкта спостереження.

     3. Складання інформаційної моделі для об'єкта спостережень.

     4. Планування спостережень.

     5. Оцінка стану об'єкта спостереження та ідентифікація його інформаційної моделі.

     6. Прогнозування змін стану об'єкта спостереження.

Основні завдання екологічного моніторингу:

     1. Спостереження за джерелом антропогенного впливу.

     2. Спостереження за фактором антропогенного впливу.

     2. Спостереження за станом природного середовища під впливом факторів антропогенного впливу та оцінка прогнозованого стану природного середовища.

     2. Планування спостережень.

     2. Оценка состояния объекта наблюдения и идентификация его информационной модели.

     2. Прогнозування змін стану об'єкта спостереження.

Класифікація видів моніторингу може бути представлена в наступному вигляді:

     1. Моніторинг джерел впливу і відходів. Скиди, викиди, видалення та розміщення відходів, використання ресурсів і готової продукції.

     2. Моніторинг факторів впливу. Фізичні, біологічні, хімічні фактори впливу.

     2. Моніторинг стану біосфери. Географічний моніторинг (атмосфера, океан, поверхня суші з ріками і озерами) і біологічний моніторинг.

Задача прогнозування.

Для прогнозу якості повітря використовується велика різноманітність методик—від найпростіших до комплексних. На даний момент більшість з них направлено на проведення короткострокового—від 1 до 3 днів—прогнозування концентрації забруднюючих речовин. Методики прогнозування поділяються на три великі категорії.

Кліматологічні. Цей підхід грунтується на взаємозв'язку підвищених рівнів забруднення з певними метеорологічними умовами. Використовуються для прогнозування перевищення граничних концентрацій речовин у навколишньому середовищі. Перевага даних підходів в тому, що вони досить прості й недорогі в застосуванні.

Регресійний аналіз. Взаємозв'язок між рівнем забруднення метеорологічними і аерометричних змінними може бути визначена кількісно за допомогою аналізу наборів ретроспективних даних, використовуючи стандартні статистичні пакети аналізу. Результуюче множинне лінійне рівняння регресу може використовуватися для прогнозування рівнів забруднення, яке викладено в книзі С.П. Дударова [19].

Моделі викидів. Моделюють в часі просторовий розподіл викидів домішки забруднюючої речовини, та/або (у випадку вторинних забруднювачів, таких) попередніх викидів, викликані антропогенними або природними джерелами, які викладені в книзі П.М. Мітренко [20].

Метеорологічні моделі. Прогнозують метеорологічні умови вплив хімічних факторів (сонячної активності, температури, вологості), випромінювань (наприклад, температура), і осадів, що визначають перенос і змішування забруднюючих речовин. Моделі траєкторій використовують 3 —D метеорологію даних моделей у поєднанні з даними про викиди для передбачення рівнів таких нереактивного забруднювачів навколишнього середовища, як пил і дим.

Висновки

В результаті вивчення процесу поширення домішок в атмосфері був проведений аналіз роботи теплової електростанції, від якої надходять в атмосферу шкідливі домішки. При огляді теми були використані реальні дані теплової електростанції і промодельований процес її роботи. При аналізі було виявлено, що необхідно змоделювати процес знаходження джерела розповсюдження шкідливих домішок теплової електростанції в атмосферу таким чином, щоб мінімізувати забруднення атмосфери.

Магістерська робота присвячена актуальній науковій задачі забруднення атмосфери. У рамках проведених досліджень виконано:

  1. Розроблено математичну модель.
  2. На підставі аналізу літературних джерел виділено основні алгоритми, які можуть бути використані при вирішенні математичної моделі
  3. Проведено ряд експериментів, проаналізовано отримані результати.
  4. Розглянуто можливості подальшого вирішення поставленого завдання, оцінені вимоги до програмного забезпечення, виконаний пошук необхідних програмних продуктів.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2012 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Аргучинцева А. В. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://window.edu.ru/resource/972/55972/files/publication.pdf.
  2. Алоян А. Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и их значение для биосферы[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.inm.ras.ru/library/direct2/Aloyan.pdf.
  3. Берлянд М. Я. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. – 270 с.
  4. Бергер М.И. и др. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М., Энергоиздат. 1983. 261 с.
  5. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды.- М.: Наука, 1982.- 320 с.
  6. Новиков Ю.В. Охрана окружающей среды. - М.: Высш. шк., 1987
  7. Носков А.С., Савинкина М.А., Анищенко Л.Я – Воздействие ТЭС на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба / Ин-т катализа СО АН СССР, Ин-т химии твердого тела и переработки минерального сырья СО АН СССР, ГПНТБ СО АН СССР – Новосибирск: Изд. ГПНТБ СО АН СССР, 1990. – 177 с.
  8. Скалкин Ф.В. Энергетика и окружающая среда. - Л.: Энергоиздат, 1981.
  9. Афиногенова О. Я. О стабилизации решения задачи идентификации функции источника одномерного параболического уравнения // ДАН, 2009, Т. 424, №4, с.439 – 441.
  10. Белов Ю. Я. О задаче идентификации двух коэффициентов параболического полулинейного уравнения с условиями переопределения, заданными на глпдкой кривой // Вычислительные технологи, 2006, Т.11, Ч. 1, с. 46 – 54.
  11. Дударов С. П. Методы идентификации промышленных источников аварийных выбросов/Дударов С. П., Савицкая Т. В. Сб. тр. МНК ММТТ14. – Т. 1. Смоленск: СФМЭИ, 2001.
  12. Кожевникова М. Ф. Идентификация источников загрязнения: вычислительные методы. Национальный научный центр «Харьковски физико – технический институт»,Харьков, Украина, 156 с.
  13. Рыбакова И. В. «Численная модель дальнего и трансграничного переноса загрязнений в атмосфере»/Рыбакова И. В., Свиренко П. И. – Реферативный журнал по экологии, 1198.
  14. Штыревая Н. В. «Численное моделирование дальнего переноса загрязняющих веществ в атмосфере/ Штыревая Н. В. – Реферативный журнал по экологии, 1197.
  15. Ясенский А. Н. Оптимизация пространственной структуры сети наблюдений при контроле загрязнений/ Ясенский А. Н.Труды ГГО.1987. Вып. 492.
  16. Алпатова Ю. Н. «Синтез системы управления состоянием воздушного бассейна в промышленных зонах городов» рассмотрена модель процессов в воздушном бассейне»/Алпанова Ю. Н., Михайлова Ю. А. – Реферативный журнал по экологии, 1198.
  17. Белов П. Н. Траекторная модель переноса загрязнений / Белов П. Н., Карлова 3. Л. Метеорология и гидрология. 1990. № 12. – С. 67-74.
  18. Дегтярева А. И. «Численная модель дальнего и трансграничного переноса загрязнений в атмосфере»/ Дегтярева А. И., Наумова А. Д. – Реферативный журнал по экологии, 1198.
  19. Дударов С. П. Методы идентификации промышленных источников аварийных выбросов/Дударов С. П., Савицкая Т. В. Сб. тр. МНК ММТТ14. – Т. 1. Смоленск: СФМЭИ, 2001.
  20. Митренко П. Н. «Обратная задача диффузии в экологии и атмосфере»/ Митренко П. Н. – Реферативный журнал по экологии, 1198.