Автор: Стецюк С.В., Павлий В.А.
Источник: Інформаційні управляючі системи та комп’ютерний моніторинг (ІУС КМ - 2014) - 2014 / Матерiали V мiжнародної науково-технiчної конференцiї студентiв, аспiрантiв та молодих вчених. — Донецьк, ДонНТУ — 2014, Том 1, с. 150-154.
Стецюк С.В., Павлий В.А. Концепция моделирования распространения примеси в атмосфере на основе волнового алгоритма. Выполнен анализ существующих моделей для расчета концентрации примеси в атмосферном воздухе. Заложена концепция использования алгоритмов цифровой волны в качестве основы для разработки новой модели расчета концентрации примеси в атмосфере.
Ключевые слова: модели атмосферной диффузии, волновой алгоритм.
В последние годы проблема обеспечения экологической безопасности стала особенно остро. Основной причиной этого является рост промышленности и автотранспорта во всем мире. В рамках среднего промышленного города может существовать до миллиона источников выбросов вредных веществ, которые выбрасывают несколько сотен различных вредных веществ в атмосферный воздух, воду и почву, и которые затем попадают в живые организмы, в том числе и в человека.
Все источники выбросов вредных веществ обычно делят на передвижные и стационарные.
Передвижные источники выбросов – это транспортные средства и самоходные машины, оснащенные двигателями, эксплуатация которых влечет за собой выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух [1].
Стационарные источники выбросов – это источники, перемещение которых без несоразмерного ущерба их назначению невозможно [1]. В промышленных городах стационарными источниками являются трубы заводов, котельных, теплоэлектростанций, шахты и другие сооружения.
Отличительной чертой стационарных источников является то, что их выбросы происходят на большой высоте, что приводит к рассеиванию облака примесей над достаточно большой площадью земной поверхности. Направление движения облака и площадь его рассеивания зависит от направления и скорости ветра.
Для оценки или прогнозирования распространения примеси во времени и пространстве, используются модели, основанные на численных или аналитических решениях общего уравнения диффузии. Эти модели известны также как модели атмосферной дисперсии, дисперсионные модели воздуха и модели качества воздуха [2].
Модели атмосферной диффузии требуют ввода большого количества данных, при этом основными являются:
Прогнозирование распространения вредных веществ является очень важной задачей для экологов. На сегодняшний день существует несколько методов оценки распространения примесей в атмосфере: аналитико-эмпирические, численные и статистические. Их подробное описание приведено в источнике [3].
Для увеличения скорости математических расчетов, а также визуального представления воздушных масс используют специальные компьютерные программные продукты, построенные на основе указанных моделей. Помимо программной реализации такие продукты могут включать:
За последние двадцать лет было создано около 200 таких программных продуктов. В последние годы отечественное производство не занималось созданием новых дисперсионных моделей, в отличие от большинства европейских стран и США. Так, наиболее популярными современными продуктами Великобритании стали ADMS-5 (2013 г.), GASTAR (2010 г.), NAME (2009 г.); Германии - AUSTAL2000 (2009 г.); Италия – TCAM (2009 г.); Австрия – GRAL (2010 г.). Рассмотрим эти программные продукты немного подробнее.
ADMS 5 (Atmospheric Dispersion Modelling System) – трехмерная квази-гауссовская модель для оценки качества атмосферного воздуха в нестабильных условиях. Данная модель была разработана Кембриджским экологическим исследовательским институтом в сотрудничестве с британской метеорологической службой, National Power plc и университетом Суррея. Ее первая версия была выпущена в 1993 году, а текущий релиз – ADMS 5 был выпущен в апреле 2013 года.
Ограничением модели являются быстро меняющиеся погодные условия. Основными пользователями данного продукта являются Великобритания, Северная Ирландия, Шотландия, а также ряд других стран Европы, Азии, Австралии. В США данная модель принята в качестве альтернативы.
GASTAR – одномерная интегральная модель созданная консультантами экологических исследований Кембриджа. Ее назначением является моделирование дисперсии плотных облаков газа из промышленных разливов, а также оценка рисков и планирование реагирования на чрезвычайные ситуации. В данной модели присутствуют следующие ограничения:
NAME (Nuclear Accident ModEl) – модель рассеивания загрязняющих веществ для реагирования на чрезвычайные ситуации и прогнозирование качества воздуха. Была впервые разработана в Met Office в 1986 году после аварии на Чернобыльской АЭС. На протяжении многих лет модель развивалась и в настоящее время она известна как NAME III.
AUSTAL2000 – выпущено немецким агентством по окружающее среде. Модель создана и проверена в соответствии с немецким руководств VDI 3945/3. Программный пакет включает в себя диагностическую модель поля ветра (TALdia) для профиля местности и/или строительных конструкций. В настоящее время является немецкой официальной эталонной моделью. Кроме того, AUSTAL2000 все чаще используется в Австрии и Швейцарии.
TCAM (The Transport Chemical Aerosol Model) – трехмерная многофазная модель Эйлера предназначенная для моделирования рассеивания загрязняющих веществ (в частности фотохимических и аэрозолей) в мезомасштабе. Разработан ESMA (Environmental Systems Modeling and Assessment) университетской группой в Брешиа (Италия).
Не рекомендуется при глобальном масштабе моделирования.
GRAL (Graz Lagrangian Model) – была разработана институтом внутреннего сгорания и термодинамики и департаментом качества воздуха в Штирии (Австрия). Не имеет возможности обработки распространения облака, не учитывает неоднородные области и здания. Имеет ограничения в отношении моделировании временных рядов [4].
Проведенный анализ указанных моделей и программных продуктов на их основе показал, что все наиболее популярные модели имеют ряд существенных недостатков, основным из которых является неопределенность исходных данных (для получения наиболее качественного прогноза необходимо вводить данные обо всех источниках примеси). Кроме того, все рассматриваемые алгоритмы не учитывают форму и кривизну земной поверхности, застройку поверхности зданиями, а потому не могут быть использованы для получения качественного прогноза на городском и региональном уровне, а используются лишь для обобщенной оценки на больших территориях. Причина этого в том, что для учета застройки местности в частичные решения уравнений диффузии необходимо вводить большое количество граничных условий первого рода, которые описывают каждое отдельно взятое здание. Решить такое уравнение достаточно сложно.
Вместе с тем, рассматриваемая в статье задача может быть решена посредством адаптации готовых решений из других областей науки. Одним из таких решений может стать волновой алгоритм, основное применение которого заключается в поиске кратчайшего пути между двумя точками. Процесс распространения цифровой волны, описываемый в алгоритме, схож с процессом распространения примеси в атмосфере, поэтому данный алгоритм с определенными модификациями может быть использован для решения поставленной задачи. Ниже приведено краткое описание волнового алгоритма.
Волновой алгоритм – это алгоритм поиска кратчайшего пути на планарном графе.
Данный алгоритм работает на замкнутом поле произвольной формы и состоит из трех этапов.
В результате работы данного алгоритма возможны две ситуации:
Концепция применения алгоритма цифровой волны предполагает:
В данной работе предложена концепция применения алгоритмов цифровой волны для решения задачи моделирования распространения примеси в атмосферном воздухе в пространственно-временных координатах. Эта концепция может стать основой для разработки одноименного метода моделирования, который, как следует из проведенного анализа существующих моделей, в свою очередь, может стать принципиально новым методом моделирования распространения примеси в атмосфере.