Модели и алгоритмы систем мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы в промышленных регионах

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. Мировая динамика прироста населения обусловливает возрастающую потребность в пище, одежде и прочих продуктах, обеспечивающих жизнедеятельность человека, а также создание новых предприятий сцелью облегчения его быта. В результате активной хозяйственной деятельности за последние 20 лет постоянный уровень загрязнения атмосферы увеличился на 30%. В целях улучшения экологии планеты и предотвращения отрицательных изменений климата странами-участницами ООН в 1997 году в г. Киото (Япония) был принят протокол, получивший развитие в рамках Парижского соглашения от 12 декабря 2015 года. Согласно этому протоколу, «страны Евросоюза, на долю которых объем выбрасываемого в атмосферу загрязнения в 1990 году составил 5,9 млн. тонн, планировали до 2030 года объемы выброса сократить на 40 %, в США до 2025 года - на 28 %, а в КНР -в 4 раза».2 В связи с этим усилия в области математического моделирования, мониторинга и прогнозирования степени загрязнения атмосферы приобретают все большую актуальность. В годы независимости в нашей республике наряду с интенсивным развитием отраслей производства, особое внимание уделяется обеспечению отраслей производства сырьем, рабочей силой, размещению и возведению промышленных предприятий в городах и вновь образованных свободных индустриальных зонах. В этой связи, проведен ряд исследований по возможным нарушениям экологического баланса в промышленных регионах и разработке математических моделей и численных алгоритмов по мониторингу и прогнозированию процессов распространения вредных веществ в атмосфере, выбрасываемых предприятиями в окружающую среду. В мире созданию математического моделирования и численных алгоритмов на основе мониторинга и прогнозирования процессов распространения вредных веществ в атмосфере и оптимального размещения новых производственных мощностей. В проводимых целевых исследованиях особое внимание уделяется таким аспектам, как разработка математических моделей процесса распространения вредных веществ в приземном атмосферном пограничном слое с учетом природных и климатических факторов, создание программных комплексов, позволяющих определить оптимальное, с точки зрения экологии, размещение объектов и визуализация результатов расчетов с учетом наибольшей допустимой концентрации вредных веществ. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных Постановлением Президента Республики Узбекистан от 27 июня 2013 года №ПП-1989 «О мерах по дальнейшему развитию Национальной информационно-коммуникационной системы Республики Узбекистан», Указом Президента Республики Узбекистан от 21 апреля 2017 года №У П-5024 «О совершенствовании системы государственного управления в сфере экологии и охраны окружающей среды», Постановлением Кабинета Министров Республики Узбекистан от 23 мая 2017 года №310 «Об утверждении Положения о Государственном комитете Республики Узбекистан по экологии и охране окружающей среды». Целью исследования является разработка конкретных математических моделей, численных алгоритмов и программного комплекса для анализа, мониторинга и прогнозирования экологического состояния экологических регионов, а также оптимального размещения промышленных объектов с учетом процесса распространения вредных веществ в атмосфере. Научная новизна исследования: усовершенствована математическая модель процесса распространения вредных веществ в приземном пограничном слое атмосферы введены новые факторы: поглощение вредных веществ в атмосфере сезонным и суточным циклом, массообмен дефиляционых частиц между воздушным потоком и подстилающей поверхностью и орография местности; усовершенствована математическая модель процесса с использованием реальных данных о погоде с учетом изменения скорости ветра и коэффициента турбулентного обмена по высоте; разработаны эффективные вычислительные алгоритмы для решения прямых и сопряженных задач, описывающих процесс распространения вредных веществ в атмосфере с учетом предельно допустимых концентраций в рассматриваемом регионе, позволяющих определять оптимальное место размещения новых промышленных объектов с экологической точки зрения; выявлены особенности процесса распространения вредных веществ в атмосфере, связанные с суточным изменением скорости и направления ветра, изменения коэффициента турбулентного обмена по высоте, переменности коэффициента массообмена между воздушным потоком и подстилающей поверхностью. Заключение Результаты выполненных научно-исследовательских работ по теме докторской диссертации «Модели и алгоритмы систем мониторинга и прогнозирования загрязнения атмосферы промышленных регионов» сводятся к следующим основным выводам: 1. Учет приведенных в работе факторов, в частности метеорологических характеристик в увязке с пограничным слоем и рельефом местности, позволяет разработать математические модели, которые адекватно описывают распространение аэрозольных выбросов в атмосферу. 2. Результатами вычислительного эксперимента выявлено, что основными факторами, которые действуют на процессы переноса и диффузии аэрозолей, являются скорость и направление потока воздуха, поглощение веществ атмосферой, массообмен между потоком и подстилающей поверхностью, мощности и координаты источников вредных веществ. 3. Вычислительный эксперимент показал, что рельеф местности определяет скорость и направление ветра, значения коэффициентов турбулентного обмена в местности. Определено, в частности, что над естественными возвышенностями перенос вредных веществ происходит интенсивно. 4. Выявлено, что максимальное поглощение вредных веществ происходит в утренние и вечерние часы суток. Именно этим фактором обусловлено суточное изменение концентраций вредных веществ, выбрасываемых промышленными объектами, в атмосфере. 5. Для оптимального размещения нового промышленного объекта в выделенном регионе разработаны математическая модель, для решения прямой и обратной задачи диффузии и переноса аэрозольных выбросов разработаны численные алгоритмы и доказана их двойственность. 6. Разработанное программное обеспечение позволяет использовать гидрометеорологическую и географическую информации в ходе вычислений и визуализировать результаты в динамическом режиме. 7. Разработанные модификации математической модели, численные алгоритмы и программные продукты использованы при изучении особенностей процесса распространения вредных веществ, выбрасываемых предприятиями промышленного района городов Алмалыка, Ахангарана и Ангрена, а также уноса солепылевых частиц из осушенного дна Аральского моря.