Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

1. Актуальність теми

В останні роки проблема забезпечення екологічної безпеки стала відчуватися особливо гостро. Основною причиною цього є зростання промисловості та автотранспорту в усьому світі. У рамках середнього промислового міста може існувати до мільйона джерел викидів шкідливих речовин. Шкідливі речовини потрапляють в атмосферне повітря, воду, грунт, а потім в живі організми, в тому числі і в людину.

Для оцінки або прогнозування поширення домішок в часі і просторі, використовуються моделі, засновані на численних або аналітичних рішеннях загального рівняння дифузії. Ці моделі відомі також як моделі атмосферної дисперсії, дисперсійні моделі повітря та моделі якості повітря [1].

Прогнозування поширення шкідливих речовин є дуже важливим завданням для екологів. На сьогоднішній день існує кілька методів оцінки поширення домішок в атмосфері: аналітико-емпіричні, чисельні та статистичні. Їх докладний опис наведений в джерелі [2].

Для збільшення швидкості математичних розрахунків, а також візуального представлення повітряних мас використовують спеціальні комп'ютерні програмні продукти, побудовані на основі зазначених моделей. Проте всі вони мають ряд недоліків. Цих недоліків можна уникнути застосувавши метод цифрової хвилі.

2. Мета і задачі дослідження

Метою дослідження є удосконалення методу цифрового хвилі для вирішення завдання поширення домішок в атмосфері.

Основні задачі дослідження:

1) аналіз методів прогнозування розповсюдження домішок в атмосфері;

2) аналіз програмних продуктів прогнозування розповсюдження домішок в атмосфері;

3) розробка модифікацій алгоритму цифрової хвилі для моделювання поширення домішок в атмосфері.

Об'єкт дослідження: поширення забруднюючих речовин в атмосфері.

Предмет дослідження: алгоритм моделювання поширення домішок з використанням методу цифрового хвилі.

3. Заплановані результати

У рамках магістерської роботи планується розробити математичну модель розповсюдження шкідливих домішок, яка дозволить моделювати їх поширення в приземних шарах атмосфери на рівні промислового міста.

4. Огляд досліджень та розробок

Питанням моделювання поширення домішок в атмосфері почали займатися ще на початку 90-х рр. минулого століття. За минулі з тих пір більше 20 років було створено близько 200 програмних продуктів дисперсійних моделей. Серед них можна виділити ряд найбільш популярних і сучасних:

1) ADMS—5 (2013 г.), GASTAR (2010 г.), NAME (2009 г.) — Великобританія;

2) AUSTAL2000 (2009 г.) — Германія;

3) TCAM (2009 г.) — Італія;

4) GRAL (2010 г.) — Австрія.

4.1 Огляд міжнародних джерел

ADMS 5 (Atmospheric Dispersion Modelling System) — тривимірна квазі-гауссовска модель для оцінки якості атмосферного повітря у нестабільних умовах. Дана модель була розроблена Кембриджським екологічним дослідним інститутом у співпраці з британської метеорологічної службою, National Power plc та університетом Суррея. Її перша версія була випущена в 1993 році, а поточний реліз — ADMS 5 був випущений у квітні 2013 року.

ADMS 5 призначена для розрахунку концентрації забруднюючих речовин в атмосфері, що випускаються безперервно від точкових, лінійних, об'ємних і площинних джерел. Вона не передбачає просторових обмежень і тому може бути використана по всьому світу. Шлейф розраховується з використанням місцевих кордонів змінних шарів. Може використовуватися для моделювання первинних забруднювачів і безперервних викидів токсичних і небезпечних відходів продукції. Розглядається мокре і сухе осадження. Використовується модель наростання шлейфу Лагранжа, модель заснована на двох шлейфах, використовує усереднені значення потоку для обчислення поширення шлейфа.

Її алгоритми враховують наступне: скос ефектів будівель, що лежать в дорозі факела забруднення; складний рельєф; мокре осадження, гравітаційне осідання і сухе осадження; короткострокові коливання в концентрації; хімічні реакції; радіоактивний розпад і дози; зростання шлейфу як функції відстані; струменя і спрямовані релізи; час усереднення в діапазоні від дуже короткого до річного та згущена видимість шлейфу. Модель здатна імітувати пасивні або плавучі безперервні пір'я, а також коротку тривалість листкових релізів.

Модель може бути використана для наступних цілей:

1) моделювання декількох плавучих або пасивних промислових викидів;

2) моделювання в міських чи сільських районах;

3) моделювання з плоским або складним рельєфом;

4) моделювання з відстані від транспортних доріг менше 50 км;

5) моделювання з тимчасовим усередненням від короткострокових (секунди) до річних проміжків.

Обмеженням моделі є швидко мінливі погодні умови. В останній версії (ADMS 5) збільшилася кількість можливих джерел одночасного моделювання до 300 (у версії ADMS 3 джерел було в 3 рази менше). Гранична кількість моделювання окремих видів джерел також збільшилася: по 30 лінійних, площинних і об'ємних джерел.

Основними користувачами даного продукту є Великобританія, Північна Ірландія, Шотландія, а також ряд інших країн Європи, Азії, Австралії. У США дана модель прийнята в якості альтернативи [3].

GASTAR – одномірна інтегральна модель створена консультантами екологічних досліджень Кембріджа. Її призначенням є моделювання дисперсії щільних хмар газу з промислових розливів, а також оцінка ризиків і планування реагування на надзвичайні ситуації. У даній моделі присутні наступні обмеження:

1) основна модель дисперсії не підходить для позитивної плавучості релізів;

2) при моделюванні місцевості використовуються прості схили, а не дані карти;

3) аналіз однокомпонентних речовин;

4) відсутність хімічних реакцій [4].

NAME (Nuclear Accident ModEl) — модель розсіювання забруднюючих речовин для реагування на надзвичайні ситуації і прогнозування якості повітря. була вперше розроблена в Met Office в 1986 році після аварії на Чорнобильській АЕС. протягом багатьох років модель розвивалася і в даний час вона відома як NAME III.

NAME III являє собою складну дисперсійну модель Лагранжа з масштабами дальності від близьких до глобальних. По суті, дана модель слідує тривимірним траєкторіях ділянок забруднюючого шлейфу і обчислює концентрацію забруднюючих речовин методом Монте-Карло, тобто моделюючим шляхом, замість безпосереднього вирішення рівнянь. Модель має можливість розрахунку: виникнення плавучих шлейфів, мокрого і сухого осадження, скос ефектів будівель. Також модель може бути запущена в зворотному напрямку для створення карт, які можуть визначити місцезнаходження шлейфів можливих джерел [5].

AUSTAL2000 — випущено німецьким агентством з навколишнього середовища. Модель створена і перевірена відповідно з німецьким посібників VDI 3945/3. Програмний пакет містить в собі діагностичну модель поля вітру (TALdia) для профілю місцевості та / або будівельних конструкцій. В даний час є німецькою офіційною еталонною моделлю. Крім того, AUSTAL2000 все частіше використовується в Австрії та Швейцарії [6].

TCAM (The Transport Chemical Aerosol Model) — тривимірна багатофазна модель Ейлера призначена для моделювання розсіювання забруднюючих речовин (зокрема фотохімічних і аерозолів) в мезомасштабе. Розроблено ESMA (Environmental Systems Modeling and Assessment) університетської групою в Брешіа (Італія).

Не рекомендується при глобальному масштабі моделювання [7].

GRAL (Graz Lagrangian Model) — була розроблена інститутом внутрішнього згоряння і термодинаміки і департаментом якості повітря в Штирії (Австрія). Не має можливості обробки розповсюдження хмари, не враховує неоднорідні області та будівлі. має обмеження щодо моделюванні часових рядів [8].

4.2 Огляд національних джерел

В Україні, так само як у Росії та ряді інших країн пострадянського простору, діє методика ОНД-86 — методика розрахунку концентрацій в атмосферному повітрі шкідливих речовин, містяться у викидах підприємств. Методика встановлює вимоги в частині розрахунку концентрацій шкідливих речовин в атмосферному повітрі при розміщенні і проектуванні підприємств, нормуванні викидів в атмосферу реконструйованих і діючих підприємств, а також при проектуванні повітрозабірних споруд.

Призначена для відомств і організацій, що здійснюють розробки з дозволу, проектування та будівництва промислових підприємств, нормування шкідливих викидів в атмосферу, експертизі та узгодженню атмосфероохоронних заходів.

Серед вітчизняних програмних продуктів найбільшою популярність користуються «ЕОЛ», «Пленер», «Кедр», УПРЗА «Еколог».

4.3 Огляд локальних джерел

Ільїна Юлія Вікторівна у своїй магістерській роботі «Моделювання процесів поширення шкідливих домішок в атмосфері» займалася побудовою математичної моделі, яка дозволить проаналізувати процес поширення шкідливих домішок в атмосфері [9].

Дейкун Ольга Валеріївна у своїй магістерській роботі «Дослідження процесів забруднення атмосферного повітря за даними автоматизованих контрольних постів Донецько-Макіївського регіону» займалася дослідженням процесів забруднення атмосферного повітря за даними автоматизованих постів спостереження за станом атмосферного повітря. [10].

5. Опис хвильового алгоритму

Хвильовий алгоритм — це алгоритм пошуку найкоротшого шляху на планарному графі.

Даний алгоритм працює на замкнутому поле довільної форми і складається з трьох етапів.

  1. Ініціалізація. Все поле розбивається на безліч прямокутних клітин, серед яких дві клітини — стартова і фінішна. Всі інші клітини підрозділяється на дві підмножини: підмножина прохідних і підмножина не прохідних (перешкод) клітин.
  2. Поширення хвилі. Від стартовою клітини породжується крок у всі сусідні клітини, якщо тільки вони не належать підмножині не прохідних або раніше мічених клітин. Якщо умови виконуються, то в клітину записується число кроків (т.зв. фронт хвилі) до неї від стартової (воно дорівнює 1 на початковому етапі). Кожна клітина мічена числом кроків від стартової, сама, на час, стає стартовою. Дії повторюються до тих пір, доки будь-який крок буде неможливий.
  3. Відновлення найкоротшого шляху. Даний етап необхідний для безпосереднього знаходження найкоротшого шляху між парою клітин. Він відбувається в зворотному напрямку, тобто від фінішної до стартової. Тут на кожному кроці вибирається клітина, яка має атрибут відстані від стартовою на одиницю менше поточної клітини [11].
Візуалізація хвильового алгоритму

Рисунок 1 — Візуалізація хвильового алгоритму

В результаті роботи даного алгоритму можливі дві ситуації:

видача найкоротшого шляху;

видача повідомлення про непрохідність.

6. Концепція використання алгоритму цифрової хвилі при моделюванні поширення домішок.

Концепція застосування алгоритму цифрової хвилі припускає.

  1. Наявність регулярної решітки з деяким кроком, величина якого уточнюється при розробці моделі. Для зазначеної решітки повинна бути виконана геоприв'язки до території розглянутого об'єкта.
  2. Усі клітинки даної решітки, які повністю або частково перекривають будівлі (або інші непрохідні об'єкти) утворюють безліч непрохідних клітин.
  3. Початковою клітиною є джерело викидів. У разі якщо джерело викидів не є точковим (наприклад, лінійний або площинної), стартових клітин може бути декілька.
  4. Фінішна клітина в даній модифікації алгоритму не використовується, процес моделювання протікає нескінченно з моменту старту, що відповідає реальним умовами поширення домішок. Процес моделювання може бути припинений, тільки якщо концентрація домішки у всіх клітинах решітки тривалий час не змінюється.
  5. Для розрахунку фронту хвилі для 8 суміжних клітин використовуються коефіцієнти, які виводяться з базового рівняння дифузії. Ці коефіцієнти, є приватними рішеннями коефіцієнта турбулентної дифузії. Дані коефіцієнти залежать з одного боку від поточних значень метеорологічних показників — напрямок і швидкість вітру, температура, вологість, тиск і т.п. З іншого боку, значення даних коефіцієнтів залежать від індивідуальних особливостей поширюваної домішки — молярна маса, склад домішки і т.п.

Візуалізація примірної роботы даного алгоритму буде виглядати наступним чином:

Візуалізація примірної роботы хвильового алгоритму

Рисунок 2 — Візуалізація примірної роботы хвильового алгоритму для задачи розповсюдження домішок у атмосфері
(анімація: 30 кадрів, 6 ціклів повторення, 32.4 КБ)

В даному прикладі u — напрямок вітру, чорі фігури — це будівлі, а викіди шкідливих речовин у атмосферу відбувається в точці 0.

Висновки

Даний матеріал може бути покладений в основу розробки методу моделювання поширення забруднюючих речовин в атмосфері за допомогою модифікації цифровий хвилі. Даний метод моделювання може стати принципово новим з точки зору подібності його поведінки при порівнянні з реальним середовищем.

Перелік посилань

  1. Milton Beychok. Air pollution dispersion modeling [Электронный ресурс] / Milton Beychok. — Режим доступа: http://www.eoearth.org/view/article/51...
  2. Павлий В.А. Построение информационной модели расчета распространения примеси в приземном слое атмосферы над территориально-распределенными объектами [Текст] : научн. журн. / Виталий Александрович Павлий // Наук. праці Донецького Національного технічного університету. – [під ред. Є. О. Башкова]. — Сер. Системний аналіз та інформаційні технології у науках про природу та суспільство. — (САІТ-2011). – Вип. 1(133) – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – С. 71–81.
  3. Long description of model 'ADMS 5' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  4. Long description of model 'GASTAR' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  5. Long description of model 'NAME' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  6. Long description of model 'AUSTAL2000' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  7. Long description of model 'TCAM' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  8. Long description of model 'GRAL' / Режим доступа: http://pandora.meng.auth.gr...
  9. Ильина Ю.В. Моделирование процессов распространения вредных примесей в атмосфере [Электронный ресурс] / Ю.В. Ильина – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2012...
  10. Дейкун О.В. Исследование процессов загрязнения атмосферного воздуха по данным автоматизированных контрольных постов Донецко-Макеевского региона [Электронный ресурс] / О.В. Дейкун – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2009...
  11. Волновой алгоритм поиска пути / Режим доступа: http://100byte.ru/100btwrks...