СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

THE SYSTEM OF ENVIRONMENTAL MONITORING SUPPORT

Alla Pavlova

doctor of  Phys.-Math. Sc., prof. Department of Mathematical Modeling of the Kuban State University,

Russia, Krasnodar

Dmitry Khripkov

researcher of the Kuban State University,

Russia, Krasnodar

АННОТАЦИЯ

Целью работы является проектирование системы информационной поддержки мониторинга экологического состояния региона и использования нормативной базы деятельности природоохранных организаций, контролирующих соблюдение санитарно-гигиенических норм. Разработана база данных (БД) гигиенических нормативов химических соединений и сопутствующих нормативных документов. БД будет подключена к блокам, реализующим модели процессов переноса и рассеяния загрязняющих веществ. Построены конечно-разностные модели миграции на фоне атмосферных процессов многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей, выбрасываемых источниками различных типов, с учетом взаимодействия загрязнителей с подстилающей поверхностью.

ABSTRACT

The purpose of this work is the design of an information support system for the ecological status monitoring of the region and the usage of the regulatory framework for the activities of environmental organizations that monitor compliance with sanitary and hygienic standards. A database (DB) of hygienic standards for chemical compounds and associated regulatory documents is developed. This database will be connected to the units implementing the models of transference and dispersion of pollutants. Finite-difference models of the multicomponent gas impurities and aerosols migration on the background of atmospheric processes are constructed, taking into account various types of emission sources and the interaction of pollutants with the underlying surface.

Ключевые слова: системы информационной поддержки экологического мониторинга; миграция многокомпонентной примеси; осаждение загрязнителя.

Keywords: systems of environmental monitoring information support; migration of multicomponent impurity; sedimentation of pollutants.

Экологические последствия загрязнения ведут к необратимым изменениям в окружающей природной среде и существенно влияют на перспективы развития региона. Решению подобных проблем призвано помочь создание экологических моделей территорий и систем информационной поддержки экологического мониторинга. На сегодняшний день оценка экологической перспективы территорий становится объектом пристального внимания специалистов различных областей деятельности.

Целью настоящей работы является проектирование системы информационной поддержки мониторинга экологического состояния региона и использования нормативной базы деятельности природоохранных организаций, контролирующих соблюдение санитарно-гигиенических норм.

Инвентаризация существующих источников загрязнения (характеристики, местоположение, сведения о загрязняющем предприятии и т.п.) – важное направление в работе региональных природоохранных организаций. Кроме того, в их функции входит наблюдение за состоянием водоемов, воздуха, почвенного покрова и т.д., а также разработка регламентирующих требований к промышленным выбросам предприятий с целью предотвращения загрязнения экологически значимых территорий.

Разработана база данных гигиенических нормативов химических соединений и сопутствующих нормативных документов. Информация представляет собой совокупность характеристик веществ и предельных показателей их содержания (ПДК), а также справочной литературы и нормативной документации. Для работы с этой информацией реализован программный интерфейс, позволяющий получить ссылки на регламентирующие документы и ознакомиться с их содержанием.

С развитием технологических процессов количество загрязняющих веществ постоянно растет. В базе представлены данные о допустимых показателях содержания основных загрязнителей в почве, воздухе и водной среде. ПДК вредных химических веществ относятся к так называемым санитарно-гигиеническим, цель введения которых – определение применительно к здоровью человека основных показателей качества окружающей среды. Химические вещества, на которые установлены нормативы, обеспечены регистрационными номерами Chemical Abstracts Service (CAS) для облегчения идентификации веществ и возможности интеграции приложения для решения конкретных задач экологических служб (экологическая сертификация, экомониторинг, экологическое страхование, экологический аудит и пр.). Конечными пользователями базы могут быть экологи, инженеры по охране труда и работники природоохранных организаций.

Разработанная БД будет подключена к блокам, реализующим модели процессов переноса и рассеяния загрязняющих веществ. Построены конечно-разностные модели миграции на фоне атмосферных процессов многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей (консервативных и неконсервативных), выбрасываемых как распределенными, так и сосредоточенными источниками, с учетом взаимодействия загрязнителей с подстилающей поверхностью.

Основу рассмотренных моделей составили начально-граничные задачи для уравнения миграции многокомпонентного загрязняющего вещества при учете химических превращений его составляющих [1, с. 11; 2, с. 43; 3, с. 63, 102].

Рассматриваемые модели распространения субстанций основаны на использовании уравнения переноса и диффузии

                                  , .                                                              (1)

где  – вектор, описывающий концентрации компонентов загрязнителя,  – составляющие скорости среды,  – величина скорости осаждения загрязняющего вещества под действием силы тяжести, , ;  – тензор диффузии (рассматриваемые модели учитывают только ),  – оператор, моделирующий трансформации составляющих многокомпонентной примеси. Для пассивных загрязняющих веществ  – диагональная матрица (), где  характеризуют скорости разложения элементов примеси. Мощность и пространственное распределение источника i-й компоненты загрязняющего вещества  описывает функция . Поле скоростей  определяется по данным наблюдений.

В общем случае компоненты примеси  под влиянием соединений, содержащихся в атмосфере (водяных паров, кислорода, азота и т.д.), образуют цепочку последовательно превращающихся химических веществ . Тогда к исходной системе уравнений (1) необходимо присоединить  новых.

При изучении процесса оседания загрязнителей учитывается возможная неоднородность подстилающей поверхности. В математической постановке это означает наличие на нижней границе смешанных граничных условий, задаваемых с учетом ландшафта рассматриваемой территории, имеющейся застройки и т.д. (в случае разнородной подстилающей поверхности условия учитывают способность отдельных участков отражать или аккумулировать ЗВ). Подстилающая поверхность представляется объединением N разнотипных зон , для каждой из которых задано граничное условие вида

, ,

где коэффициент  характеризует интенсивность взаимодействия i-го загрязнителя с подстилающей поверхностью,  – функция источника, расположенного в области  на уровне поверхности.

Различные подходы к исследованию особенностей осаждения загрязнителей изложены, например, в [3, с. 67, 297; 4, с. 11 5, с. 18]. В данной работе решение строится в ограниченной области при заданном начальном распределении ЗВ. На верхней границе и на боковых поверхностях рассматриваемой области предполагается выход на фоновые значения атмосферной циркуляции, . Для решения задачи вводится сеточная область, эволюционные разностные задачи сводятся к решению трехдиагональных систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с помощью методов покомпонентного расщепления, СЛАУ решаются методом прогонки [6, с. 63]. Результатом численной реализации модели являются значения концентрации загрязнителя, рассчитанные с заданной точностью.

Среди задач оценки загрязнения окружающей среды большое значение имеют исследования особенностей распространения и пространственно-временного распределения атмосферных примесей. Их результаты служат формированию объективных данных о тенденциях развития экологической ситуации, а также основой для разработки возможных природоохранных мероприятий, направленных на обеспечение чистоты атмосферы. Такие исследования помогают определить репрезентативные места и время наблюдений при создании системы контроля чистоты почвенного покрова, воздуха и воды. При исследовании характера взаимодействий в климатической системе, функционирующей под влиянием естественных и антропогенных факторов, при оценке уязвимости той или иной территории по отношению к различным воздействиям, в моделях используется аппарат сопряженных задач [1–3].

Работа выполнена при поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края (грант № 16-41-230175).

Список литературы:

1. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука, 1982. 320 с.
2. Пененко В.В. Модели и методы для задач охраны окружающей среды / В.В. Пененко, А.Е. Алоян. Новосибирск: Наука, 1985. 245 с.
3. Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. М.: Наука, 2008. 415 с.
4. Павлова А.В., Цыбульников А.А. Моделирование переноса и осаждения загрязняющих веществ с учетом ландшафтных особенностей территории // Экологический вестник научных центров Черноморского Экономического сотрудничества (ЧЭС). 2006. № 4. С. 49–54.
5. Павлова А.В., Калайдин В.В. Об одной модели распространения загрязняющей примеси от площадного источника // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2012. № 2. С.18–22.
6. Бердник С.В., Павлова А.В. Моделирование переноса и осаждения загрязняющих веществ с учетом ландшафтных особенностей территории // Экологический вестник научных центров Черноморского Экономического сотрудничества (ЧЭС). 2006. Спецвыпуск. С. 62–64.