МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ

ISSN 1991-5497. МИР НАУКИ, КУЛЬТУРЫ, ОБРАЗОВАНИЯ. № 5 (24) 2010
УДК 658.567
А.В. Михайлов, канд. тех. наук, доц. АлтГТУ, г. Барнаул, E-mail: ponchik78-s@mail.ru; А.А. Мельберт, д-р тех. наук,
проф. АлтГТУ, г. Барнау; М.Г. Бингер, аспирант АлтГТУ; В.И. Егоров, аспирант АлтГТУ, E-mail: egoroff_in@mail.ru
МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОННОЙ
КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
В данной статье рассматриваются результаты мониторинга атмосферы г. Бийска с помощью электронных карт и модернизированного программного комплекса.
Ключевые слова: мониторинг, атмосфера, карта, выброс, загрязняющие вещества.
Прогноз, состояние и оценка состояния воздушного бассейна урбанизированной территории требуют привлечения и
комплексного анализа разнообразной информации как природного, так и социально-экономического происхождения.
Для этого необходима организация системы автоматизированного сбора, обработки и анализа природной информации,
построенной на базе современных ЭВМ и автоматических
устройствах ввода-вывода информации. Для создания модели
состояния атмосферы служат геоинформационные системы
(ГИС) – компьютерные системы сбора, хранения, выборки,
анализа и отображения пространственных данных. Создание
автоматизированных систем природной информации входит в
круг задач геоэкоинформатики – научного направления, разрабатывающего теорию, методы и технологию информационного обеспечения и автоматизации биосферных и геоэкологических исследований в целях рационализации природопользования и охраны окружающей среды. В задачи геоэкоинформатики входит также разработка методов формализации геоэкологических данных. Возможность оперативной обработки
больших объемов разнообразной информации, включая картографическую, имеет большое значение при оценке экологического состояния региона, а также для территориального планирования и управления ресурсами окружающей среды [1].
Учитывая мощность современных вычислительных
средств сегодня можно с уверенностью говорить о реальном
создании эффективных компьютерных систем мониторинга
атмосферного воздуха. Располагая возможностью хранить и
обрабатывать данные об интенсивности и месте расположения
источников выброса в картографических координатах, рельефе местности, архитектурной застройке города, метеоусловиях, можно определить концентрацию поллютантов в любой
точке окружающей среды.
По сравнению с инструментальными методами контроля
атмосферы электронная картографическая системы мониторинга позволяет решить более широкий круг задач, связанных
с управлением качеством атмосферного воздуха. Например,
оперативно определить вклад того или иного источника выбросов в уровень загрязнения приземного воздуха в заданной
точке. Обладая высокой точностью расчета, подобная система
может вытеснить сложную, разветвленную систему инструментального мониторинга, которая окажется необходимой и
достаточной для контроля и сопоставления данных компьютерных расчетов.
Подобные компьютерные модели состояния атмосферы
(компьютерные системы мониторинга загрязнений атмосферного воздуха) получили большое распространение в Западной
Европе. Такая система введена в спектр средств управления
качеством городского воздуха уже в начале 90-х гг. в муниципальном комитете защиты окружающей среды Шеффилда
(Великобритания).
В настоящее время использование ГИС открывает принципиально новые возможности анализа экологического состояния урбанизированных территорий.
Ключевую роль в ГИС играет картографический метод.
Современным электронным картам присущи следующие
функции:
1. Коммуникативная – хранение и передача пространственной информации;
2. Оперативная – быстрое решение поставленных практических задач при посредстве карт;
3. Познавательная – исследование пространственных особенностей взаимодействия природных и общественных систем.
Вторая важная составляющая ГИС – электронная база
данных.
Современные ГИС должны отвечать следующим требованиям:
1. Должны обрабатывать массивов покомпонентной разнообразной пространственно-координированной информации.
2) поддерживать базы данных для широкого класса географических объектов;
3) содержать диалоговый режим работы пользователя;
4) иметь гибкую конфигурацию системы для быстрой настройки системы на решение разнообразных задач;
5) учитывать множество экологических факторов.
Геоинформационным системам свойственны типичные
для информационных технологий стадии обработки информации: сбор первичных данных, ввод и хранение данных, анализ
данных, анализ сценариев и принятие оптимальных решений.
Данные стадии являются общими и повторяются при создании
конкретных ГИС, различаясь в деталях, связанных с целями и
задачами ГИС, а также с техническими возможностями системы.
Оперативное решение поставленных задач с помощью
ГИС зависит от структуры данных, заложенного алгоритма
принятия решений и методики оценки состояния окружающей
среды. В связи с этим необходимо учитывать следующие особенности:
1. Качество окружающей среды может быть оценено как
совокупность свойств окружающей среды.
2. Должны использоваться количественные и качественные показатели.
3. Показатели качества рассматриваются с точки зрения
потребностей большей части членов общества, что означает
субъективный взгляд к требованиям, предъявляемым к качеству окружающей среды. В связи с чем следует ориентироваться на усредненные значения.
4. Разные шкалы абсолютных показателей должны быть
трансформируемы в общую шкалу [2].
5. Любое свойство качества определяется двумя числовыми параметрами: относительным показателем и значимостью (весом). Относительными показателями являются концентрации загрязняющих веществ, уровни физических полей,
нормированные по ПДК, ПДУ. Вес показателя учитываются
на всех иерархических уровнях. Их роль выполняют: период
осреднения, класс опасности поллютанта, относительная значимость компонента окружающей среды.
При исследовании загрязнения воздушного бассейна на
большой территории понятие источника загрязнения может
приобретать различный смысл:
- конкретное технологическое оборудование;
283
ISSN 1991-5497. МИР НАУКИ, КУЛЬТУРЫ, ОБРАЗОВАНИЯ. № 5 (24) 2010
- в качестве источника может рассматриваться отдельный
цех (подразделение);
- предприятие в целом;
- территории, на которых сосредоточены предприятия.
В зависимости от масштаба работ методы мониторинга и
картографирования могут подразумевать различные концепции источника загрязнения.
В исследованиях, проводимых нашим коллективом, широко используется программный комплекс «ЭРА» («ЛогосПлюс» г. Новосибирск). В основу ПК «ЭРА» положена методика расчета ОНД-86 и типичные для подобных программ
элементы отображения картографической информации. Уровни загрязнения отображаются на карте с помощью изолиний.
К числу достоинств такого способа отображения информации
относится его простота и доступность, что позволяет использовать его в методах количественных обработки, преобразования и анализа картографических изображений: определения
характеристик заданных контрольных точек и расчета статистических зависимостей и эмпирических уравнений, сложения
и вычитания изолиний, разложения на составляющие и др.
Поэтому с помощью данного способа могут передаваться и
явления, по своему содержанию неподходящие или малоподходящие для данного способа. Для количественной характеристики явлений, имеющих ограниченное по площади распространение (например, источники выбросов и сбросов),
могут быть использованы псевдоизолинии. Псевдоизолинии
как бы распространяют дискретные явления (например, источники выбросов и сбросов) на всю площадь картографирования и таким образом приводят их к виду, удобному для сопоставления с другими количественными характеристиками.
Однако при исследованиях загрязнения на больших территориях применение изолиний не всегда создает наглядную
картину для изучения обстановки. В связи с этим нами был
разработан программный пакет, представляющий собой набор
из трех программ, предназначенных для выполнения расчетов
загрязнения атмосферы. Пакет включает в себя объединенные
под единой оболочкой-меню компоненты Surface, I.Z.A. и
S.I.Z.A. Приложение разработано для аппаратной платформы
x86, работающей под управлением операционной системы
семейства Microsoft Windows XP/Vista/7, для работы также
необходимо наличие установленных пакетов Microsoft Office
2007 и Microsoft.NET Framework 2.0
Программа Surface предназначена для изображения суммарной концентрации загрязнения вредными примесями по
площади города в виде трехмерной поверхности с проекция
ми, обеспечивающая большую наглядность результатов по
сравнению с изолиниями (рис. 2), строящихся комплексом
«ЭРА».
Рис. 1. Главная форма приложения.
В качестве входных данных используется таблицы результатов, генерируемые расчетным блоком «ПК ЭРА». Таблицы представляют собой текстовый файл со значениями
суммарных концентраций в узлах расчетной сетки.
Выходными данными является книга Microsoft Excel, содержащая требуемое графическое представление, которое в
дальнейшем можно вставить в документ Microsoft Word или
вывести на печать.
Алгоритм работы программы включает в себя:
• Разбор структуры входного файла;
• Извлечение данных о размере расчетной сетки, типе
примесей, названии местности;
• Извлечение данных суммарной концентрации загрязнения в узлах сетки;
• Перевод извлеченных данных в формат, соответствующий концепции COM (Component Object Model); • Передача данных в Excel посредством технологии
COM;
• Построение в Excel трехмерной поверхности с заданными параметрами с помощью Chart Wizard;
Метод считывания данных суммарной концентрации является эвристическим и не привязан жестко к структуре файла, что гарантирует корректное считывание при незначительном изменении структуры выходных данных в более новых
версиях «ПК ЭРА».
Рис. 2. Содержание в воздушном бассейне г. Бийске золы Кузнецкого угля
284
ISSN 1991-5497. МИР НАУКИ, КУЛЬТУРЫ, ОБРАЗОВАНИЯ. № 5 (24) 2010
Рис. 3. Трехмерное изображение содержания золы Кузнецкого угля над территорией г. Бийска
Рис. 4. Изменение концентрации в воздухе золы Кузнецкого угля поперек г. Бийска
Рис. 5. Изменение концентрации в воздухе золы Кузнецкого угля вдоль г. Бийска
Содержимое файла представляет собой таблицу значений
концентраций в узлах сетки с указанием опасной скорости,
направления ветра и основных вкладчиков. Алгоритм работы
основан
на
считывании
из
входного
файла
значений
– суммарной концентрации примесей в узлах
расчетной сетки и последующем расчете ИЗА по формулам:
285
ISSN 1991-5497. МИР НАУКИ, КУЛЬТУРЫ, ОБРАЗОВАНИЯ. № 5 (24) 2010
– ПДК максимальное разовое,
, где
– значение суммарной концентрации примеси в i-том
узле расчетной сетки,
– Коэффициент, соответствующий классу опасности
вещества. Определяется по таблице 1.
Таблица 1
Соответствие коэффициента
классу опасности вещества
– ПДК максимальное разовое,
– Значение ИЗА в i-том узле расчетной сетки.
Класс опасности вещества
Коэффициент P
1, чрезвычайно опасное
1,5
2, высоко опасное
1,3
3, умерено опасное
1,0
4, малоопасное
0,85
В качестве результата работы программа выводит на эк-
где N – Количество узлов расчетной сетки,
– Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах (0;1) среди
– Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах [1;4) среди
– Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах [4;16)
среди
– Коэффициент, показывающий процентное содержание значений в пределах [16; ) среди
В качестве результатов расчета программа выводит на эк,
,
,
ран или в книгу Microsoft Excel значения
индекса СИЗА – суммарный индекс загрязнения атмосферы.
В качестве входных данных также используются файлы с результатами ПК «ЭРА», но алгоритм расчета индекса СИЗА
несколько отличается:
– Суммарный индекс загрязнения атмосферы по
где
c-тому веществу,
– Количество узлов расчетной сетки,
– Значение суммарной концентрации примеси
в i-том узле расчетной сетки,
ран или в Microsoft Excel значение
В основе программного комплекса «ЭРА» лежит методика ОНД-86, которая предусматривает выполнение расчетов и
построение изолиний концентрации загрязняющих веществ на
основе решения полуэмпирического уравнения турбулентной
диффузии, с введением ряда упрощений в виде коэффициентов и степенных зависимостей. Однако методика ОНД-86
содержит ряд допущений, которые необходимо учитывать при
ее использовании. Коэффициент А, учитывающий климатические особенности, принимается единым для крупных регионов, границы которых увязаны не с климатическим районированием, а с политико-административным делением. Сходимость зон с разными значениями коэффициента А с районированием по величине потенциала загрязнения атмосферы [3]
практически отсутствует.
Влияние рельефа на перенос загрязняющих веществ должен учитывать «коэффициент рельефа» h. Однако при перепадах до 50 м/км он принимается равным единице, что на
практике означает исключение из расчета влияния городской
застройки. В последних разработках программных продуктов,
реализующих методику, предусматривается учет застройки,
что резко повышает требования к возможностям используемой вычислительной техники [1]. Кроме того, поскольку методика ОНД-86 была разработана для одной конкретной задачи: расчета ПДВ, исходя из максимально возможных приземных концентраций при наихудших условиях рассеяния 5%
повторяемости, в ней не предусмотрен расчет полей загрязнения при конкретных метеоусловиях.
Методика ОНД-86, будучи единственной официально
сертифицированной в России, в то же время оказывается
одной из многих методик математического моделирования
переноса загрязняющих веществ в атмосфере. Так, в США
для аналогичных целей применяются многочисленные модификации уравнения турбулентной диффузии Гаусса; в
России разработаны как более простые, так и более сложные
методики, например гидротермодинамическая модель А.С.
Гаврилова [1].
Внедрение более усовершенствованных расчетных методик сдерживается в связи с необходимостью использования
громоздких цифровых моделей местности, в которых элементы застройки рассматривались бы как формы рельефа с соответствующими морфометрическими характеристиками. Однако многократно возросшие за последние годы достижения
вычислительной техники уже сейчас делают возможным постановку и решение подобных задач.
Библиографический список
1. Стурман, В.И. Экологическое картографирование: учебное пособие. – М.: Аспект Пресс, 2003.
2. Азгальдов, Г.Г. О квалиметрии / Г.Г. Азгальдов, Э.П. Райхман; под ред. А.В. Гличева. – М.: Издательство стандартов, 1973.
3. Безуглая, Э.Ю. Метеорологический потенциал и климатические особенности загрязнения воздуха городов. – Л.: Гидрометеоиздат,1980.
Статья поступила в редакцию 08.10.10
285