ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Бурное развитие промышленности поставило перед человечеством острую проблему — охрану окружающей среды. Локальные загрязнения в результате выбросов промышленных предприятий превзошли предельно допустимые санитарные нормы. Гигантские работы, связанные с добычей угля, цветных металлов и других полезных ископаемых привели к эрозии и загрязнению огромных территорий. При выбросах на Зуевской теплой электростанции газовых примесей происходят сложные химические реакции, в результате которых появляются новые токсичные вещества, которых не было в первоначальных выбросах. Среди неорганических веществ особенно вредны выбросы окислов азота и серы, окиси и двуокиси углерода. Почти все примеси в конечном итоге осаждаются на поверхности земли, причем тяжёлые осаждаются в основном под действием гравитационного поля, а лёгкие — в результате диффузионного процесса. В настоящее время на Зуевской тепловой электростанции для уменьшения выбросов в окружающую среду применяются электрофильтры и устройства сероочистки. Причинами появления высоких концентраций отдельных загрязняющих веществ в атмосфере могут быть либо выбросы одного, и нескольких источников, либо возникновение неблагоприятной метеообстановки. В обеих ситуациях необходимо выявить источник, уменьшение выброса которого приводит к снижению повышенного уровня загрязнения воздушной среды. Поэтому в процессе эксплуатации автоматизированной системы экологического мониторинга и управления качеством атмосферного воздуха возникает необходимость решения задачи об идентификации источников загрязнения воздушной среды. Самым эффективным способом решения данной задачи является оборудование всех газоводов и вентиляционных труб предприятия автоматическими приборами расхода и концентрации вредных примесей в отходящих газах. Однако отсутствие многих анализаторов и высокая стоимость подобных систем контроля затрудняют применение данного способа. Вопросы матемитического моделирования изложены в работе Г. И. Марчука[5].

1. Актуальность темы

Магистерская работа посвящена вопросам охраны окружающей среды, которые на сегодняшний день очень актуальны. От состояния атмосферы зависит жизнь каждого человека. Математическим моделированием в сфере охраны окружающей среды занимаются очень давно. Результаты математического моделирования позволяют расчитать предельно допустимые концентрации загрязнения окружающей среды вредными примесями. Для получения значений предельных концентраций необходимо разработать математическую модель, которая позволит получить самое оптимальное решение.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель работы заключается в построении математической модели, которая позволит проанализировать процесс распространения вредных примесей в атмосфере.

Объектом исследования является тепловая электростанция, в результате которой происходит распространение вредных примесей в атмосферу

Предметом исследования выступают математические модели и алгоритмы моделирования процессов распространения вредных примесей в атмосфере.

В рамках магистерской работы планируется полученить следующие результаты:

     1. Исследование работы тепловой электростанции.

     2. Проведение анализа работы теплой электростанции.

     3. Расчитать значение расположения источника распространения вредных примесей при условии, что концентрация не должны превышать предельные нормы.

В качестве практических результатов можно выделить следующие:

     1. Расчёт с помощью математической модели предельной концентрации вредных веществ.

     2. Получение результатов необходимого расположения источника распространения вредных примесей с помощью программного пакета Maple.

     3. Анализ результатов.

3. Обзор работ по моделированию

Одной из актуальных проблем современности является охрана окружающей среды от отрицательного антропогенного воздействия. От правильного и своевременного решения этой проблемы зависят здоровье и благосостояние людей. Самый ощутимый вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетические, химические предприятия и предприятия цветной металлургии. Наиболее распространёнными выбросами в атмосферу являются оксиды серы и азота, пыль, моноксид углерода, а также зола и шлаки, поступающие в золоотвалы.

При оценки возможных последствий такой деятельности весьма эффективным является математическое моделирование процессов распространения примесей с последующим анализом поведения этих примесей в зависимости от разработки практических подходов к решению тех или иных вопросов охраны от загрязнения атмосферы, гидросферы, почв и растительности. Распространение примесей зависит от гидрометеорологических условий, неоднородностей местности, трансформации веществ за счёт химических превращений, взаимодействия с подстилающей поверхностью.

Вопросам охраны окружающей среды посвящён большой цикл исследований. Оценка и контроль загрязнения атмосферы, гидросферы и подстилающей поверхности в настоящее время основываются на результатах теоретического и экспериментального изучения распространения загрязняющих веществ от их источников. Основные работы по моделированию обобщены в книге автора М. Ф.  Кожевникова [12].

По известным профилям ветра и различным полиномиальным формам распространения приземных концентраций построена на основе уравнения неразрывности массы простая модель загрязнения атмосферы города. Приближенно связать максимальные концентрации примесей с вектором скорости ветра позволяют графические методы, когда на круговой диаграмме строят изоплеты повторяемости скости ветра в полярных координатах,которые изложены в книге С.П. Дударова [11].

Значительное развитие получила работа по прогнозу потенциала загрязнения воздуха Ю. В.  Новиков [6].

В основу этих работ заложен учет статистической повторяемости условий (например, антициклональный тип погоды с застоями воздуха, слабыми ветрами), опасных с точки зрения формирования высоких уровней концентрации.

В некоторых работах Л. Т.  Рыбаков, А.Н. Ясенский [13-5] на основе измерения концентраций загрязняющих ингредиентов строятся их эмпирические функции распределении, которые в дальнейшем используются для оценки вероятности превышения предельно допустимых концентраций. В результате анализа литературных данных можно сделать вывод о целесообразности моделирования процессов распространения примесей вблизи промышленного предприятия. Предлагается подход к решению задачи о распространении атмосферных примесей от произвольной системы источников в работах П.Н.  Белова, А.И. Дегтярёва [17-18] Концентрация S загрязняющего ингредиента в рассматриваемой точке зависит от параметров (И) источника, расстояния (d) до него и метеорологических характеристик, определяющей из которых является вектор скорости ветра:

                                                                                                       

 

Поэтому можно считать, что величина S зависит от распределения направления ветра. Случайными параметрами являются ветровые характеристики, наблюдаемые на метеостанциях конкретного региона за многолетний сезон или месяц. Из всего множества ветровых характеристик выбираем только то его подмножество, которое способствует возникновению концентраций примесей выше ПДК. Тем самым выделяется как область решений дифференциального уравнения, описывающего перенос и турбулентную диффузию примесей, так и область интегрирования заданной функции плотности вероятностей. Интегрируя функцию плотности вероятности вектора скорости ветра по выделенному подмножеству можно оценить с вероятностной точки зрения частоту реализации всех ветров. Несмотря на то, что все аналитические решения получены при определённых упрощениях процессов, возможности их значительно расширяются, если взаимно однозначно связать распределение примесей с вероятностными интегральными и дифференциальными функциями распределения гидрометеорологических параметров. В качестве исходного уравнения получим:

                                                                                             

                                                                                                

                                                           

где t—время,

x,y,z —оси декартовой прямоугольной системы координат,

s—концентрация примеси,

u,v,w—компоненты вектора скорости ветра,

a—коэффициент распада примеси,

wg—скорость гравитационного осаждения частиц.

Можно воспользоваться аналитическим решение полученным при следующих упрощениях уравнения: лёгкая примесь пассивна и консервативна, движение стационарно, ось х ориентирована в направлении ветра, вертикальные движения в атмосфере малы по сравнению с горизонтальными, диффузионный поток примеси вдоль оси х значительно меньше конвективного.

Предположим, что необходимо разместить новое промышленное предприятие вблизи населённых пунктов с условием, чтобы суммарное их годовое загрязнение от вредных промышленных выбросов не превышало допустимых санитарных норм и чтобы общая экологическая нагрузка на весь регион за счет его загрязнения была минимальной или в пределах глобальных санитарных норм, которые изложены в работе А.С.   Носков,М.А.   Савинкина, Л.Я.  Анищенко [7].

3.1 Источники распространения вредных примесей в атмосфере

Повышенная концентрация загрязняющих веществ наблюдается в атмосфере практически каждого промышленного предприятия, поэтому возникает необходимость в решении задачи оценки и моделирования распространения загрязняющих веществ в атмосфере именно от точечных стационарных источников с целью предотвращения или уменьшения их воздействия на экосистему. При анализе процессов загрязнения атмосферы городов весьма существенно различие между загрязнениями, производимыми стационарными и мобильными источниками, которые можно найти в книге Ф.В. Скалкин [8]. Точечным стационарным источником загрязнения является источник, сосредоточенный в определённом месте и выбрасывающий загрязняющие в атмосферу вещества из установленного отверстия. Для городов точечными стационарными источниками загрязняющими атмосферу являются дымовые трубы заводов, теплоэлектростанций, отопительных котельных, технологических установок, печей и сушилок, вытяжные шахты, вентиляционные трубы, вытяжки.

Стационарные источники выбрасывают в воздух сернистый газ, окислы азота, а также некоторое количество угарного газа, фенолов, серной кислоты и других загрязняющих веществ в зависимости от специфики промышленного производства города и состава используемого в нём топлива. Относительно недавно стационарные источники выбрасывают в атмосферу значительное количество пыли разнообразного химического состава, но в настоящее время существующие газоочистные установки задерживают более 95% всех твёрдых частиц, образующихся при сгорании топлива, но практически не улавливают газовых составляющих.

Другой особенностью стационарных источников является то, что их сбросы в атмосферу, в отличие от мобильных источников, происходят как правило, на большой высоте, что приводит к тому, что производимые ими загрязнения распространяются на большой территории (в зависимости от высоты труб). Эти зоны, накладываясь друг на друга, образуют области устойчивых загрязнений в промышленных районах городов, распространяющихся на высоту до 150 м и более.

Газообразные выбросы промышленных предприятий образуют в атмосферном воздухе аэродисперсные системы и в результате турбулентного движения и других процессов долгое время удерживаются в воздухе. Дальность распространения загрязнителей зависит от времени существования того или иного загрязнителя в воздухе и метеорологических условий, скорости и направления потоков в атмосфере, осадков и других процессов.

В отличие от стационарных источников загрязнения воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически всегда имеет локальный характер. Самыми распространенными вредными веществами, загрязняющими атмосферный воздух, являются: оксид углерода, диоксид серы, сажа, оксиды и диоксиды азота, аммиак, фенол, формальдегид, фтористый водород и неорганическая пыль. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы изложены в работе М.Я. Берлянд [3].

3.2 Моделирование пыления золоотвалов ТЭС

Физическая сущность пыления труб и золоотвалов ТЭС, а также отвалов горно—рудных предприятий различна, а именно: наибольшие концентрации примесей вблизи высотных источников возникают при штилевых ситуациях, в то время как интенсивность пыления отвалов и золоотвалов наименьшая. Принимая во внимание полидисперсность пыли, решение задачи пыления усложняется тем, что для каждой фракции частиц необходимо найти критическую скорость отрыва от подстилающей поверхности и указать интенсивность пыления источника. Вопросам перехода частиц с подстилающей поверхности в аэрозольное состояние посвящены работы М.И.  Бергер, П.Н.  Митренко [4-12] согласно которым критическая скорость viотрыва частиц пропорциональна r—радиусу частиц.

Пылящие пляжи аппроксимируются дискретной структурой i участков, каждый из которых имеет потенциальную интенсивность пыления.

                                                                                                         

 

где M—среднее количество вещества, выбрасываемое предприятием в единицу времени,

S—общая площадь пыления,

a—коэффициент распада примеси,

Si—площадь отдельного участка.

Рассмотренные уравнения записаны для трёхмерной области исследования, которая описана в книгу Ю.А. Белова,И.В.  Рыбаков [10-13]. Рассмотрим процесс распространения примесей в одномерном приближении.

                                                                                                

Общее уравнение изменчивости концентрации многокомпонентных газовых примесей представлено в виде:

                                                                                                 

где x1 = x, x2 = y, x3 = z,

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

j = 1,2,3.

В развёрнутом виде получаем систему уравнений:

                                                           

Будем рассматривать постановку задачи в одномерном приближении только в случае сильного восточного или западного ветра. Тогда получим одномерную модель вида:

                                                                                        

где С—концентрация примеси,

V—скорость потока,

D—коэффициент диффузии,

Q—свободный член,

—область загрязнения.

Пусть V = 0,тогда получим уравнение:

                                                                                                

С учётом того, что источник расположен в точке x*, имеем:

                                                                                                

где тета—функции имеют следующий вид:

                                                                                   

где Q0—количество выброшенного вещества, в общем случае, являющейся функцией времени t.

Пусть начальные и граничные условия имеют вид:

                                                                                                        

                                                                                                         

                                                                                                       

где C0—концентрация примеси в начальный момент времени,

где C1,C2—концентрации на границах области.

Задача моделирования заключается в решении уравнения с начальным условием, краевыми условиями, то есть в определении функции C(x,t)в области загрязнения  .

Процесс распространения вредных примесей в атмосфере от источника загрязнения изображён на рисунке 1, который включает в себя:

     1. Источник загрязнения, от которого поступают выбросы в атмосферу.

     2. Перенос выбросов на дальние расстояния.

     3. Образование дымового шлейфа благодаря пылевым частицам.

     4. Образование кислотного дождя.

     5. Рассеивание, поглощение и накопление вредных веществ средой обитания.

Применение частичной схемы загрязнения атмосферного воздуха позволило проанализировать процесс распространения вредных примесей в атмосфере.

                         

                                                        Рисунок 1—Процесс распространения вредных примесей в атмосфере

                                                                (анимация: 11 кадров, 3 повторения, размер 95 килобайт)

3.3 Постановка задачи

Будем рассматривать трубу тепловой электростанции как источник распространения примесей в окружающую среду в центре оси х, длина которой равна l. Для нахождения концентрации распространения примеси возьмём предельное значение концентрации для окиси азота и коэффициент диффузии. На границах области концентрации отсутствуют, то есть С1 = 0 и С2 = 0.

Главная задача состоит в моделировании распространения примесей вблизи тепловой электростанции с помощью программного пакета Maple11. Анализ поведения графиков позволит рассмотреть вопрос о нахождении источника загрязнения на определённом расстоянии для уменьшения распространения концентрации примеси.

4. Методы анализа состояния окружающей среды

Анализ осуществляется путём решения следующих задач:

     1. Задача мониторинга.

     2. Задача прогнозирования.

Мониторингом окружающей среды называются регулярные наблюдения природных сред, природных ресурсов, растительного и животного мира, позволяющие выделить их состояния и происходящие в них процессы под влиянием антропогенной деятельности.

В систему мониторинга должны входить следующие основные процедуры, которые рассмотрены в книге Ю.Н. Алпатова [16]:

     1. Выделение (определение) объекта наблюдения.

     2. Обследование выделенного объекта наблюдения.

     3. Составление информационной модели для объекта наблюдений.

     4. Планирование наблюдений.

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

     6. Прогнозирование изменений состояния объекта наблюдения.

Основные задачи экологического мониторинга:

     1. Наблюдение за источником антропогенного воздействия.

     2. Наблюдение за фактором антропогенного воздействия.

     2. Наблюдение за состоянием природной среды под влиянием факторов антропогенного воздействия и оценка прогнозируемого состояния природной среды.

     2. Планирование наблюдений.

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

     2. Прогнозирование изменений состояния объекта наблюдения.

Классификация видов мониторинга может быть представлена в следующем виде:

     1. Мониторинг источников воздействия и отходов. Сбросы, выбросы, удаление и размещение отходов, использование ресурсов и готовой продукции.

     2. Мониторинг факторов воздействия. Физические, биологические, химические факторы воздействия.

     2. Мониторинг состояния биосферы. Географический мониторинг (атмосфера, океан, поверхность суши с реками и озёрами) и биологический мониторинг.

Задача прогнозирования.

Для прогноза качества воздуха используется большое разнообразие методик—от простейших до комплексных. На данный момент большинство из них направлено на проведение краткосрочного—от 1 до 3 дней—прогнозирования концентрации загрязняющих веществ. Методики прогнозирования делятся на три большие категории.

Климатологические. Этот подход основан на взаимосвязи повышенных уровней загрязнения с определёнными метеорологическими условиями. Используются для прогнозирования превышения предельных концентраций веществ в окружающей среде. Преимущество данных подходов в том, что они достаточно простые и недорогие в применении.

Регрессионный анализ. Взаимосвязь между уровнем загрязнения метеорологическими и аэрометрическими переменными может быть определена количественно с помощью анализа наборов ретроспективных данных, используя стандартные статистические пакеты анализа. Результирующее множественное линейное уравнение регресса может использоваться для прогнозирования уровней загрязнения, которое изложено в книге С.П. Дударова [19].

Модели выбросов. Моделируют во времени пространственное распределение выбросов примеси загрязняющего вещества, и/или (в случае вторичных загрязнителей, таких) предшествующих выбросов, вызванные антропогенными или естественными источниками, которые изложены в книге П.Н. Митренко [20].

Метеорологические модели. Прогнозируют метеорологические условия влияние химических факторов (солнечной активности, температуры, влажности), излучений (например, температура), и осадков, которые определяют перенос и смешивание загрязняющих веществ. Модели траекторий используют 3 —D метеорологию данных моделей в сочетании с данными о выбросах для предсказания уровней таких нереактивных загрязнителей окружающей среды, как пыль и дым.

Выводы

В результате изучения процесса распространения примесей в атмосфере был проведён анализ работы тепловой электростанции, от которой поступают в атмосферу вредные примеси. При обзоре темы были использованы реальные данные тепловой электростанции и промоделирован процесс её работы. При анализе было обнаружено, что необходимо смоделировать процесс расположения источника распространения вредных примесей тепловой электростанции в атмосферу таким образом, чтобы минимизировать загрязнение атмосферы.

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче загрязнения атмосферы. В рамках проведенных исследований выполнено:

  1. Разработана математическая модель.
  2. На основании анализа литературных источников выделены основные алгоритмы, которые могут быть использованы при решении математической модели.
  3. Проведен ряд экспериментов, проанализированы полученные результаты.
  4. Рассмотрены возможности дальнейшего решения поставленной задачи, оценены требования к программному обеспечению, выполнен поиск необходимых программных продуктов.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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.