Моделирование и прогнозы в экологическом мониторинге

Содержание.

Введение……………………………………………………………………………………………………3

1. Проблема «минимальной модели» и этапы процесса математического моделирования…………………………………………………………………………………...4
2. Типы моделей…………………………………………………………………………………….5
3. Основные источники и пути поступления загрязняющих веществ в наземные экосистемы……………………………………………………………………………………....5
4. Основное уравнение атмосферной диффузии……………………………………………..6
5. Гауссовская модель атмосферной диффузии……………………………………………..9
6. Гауссовская модель шлейфа………………………………………………………………….10
7. Моделирование загрязнения водной среды органическими отходами……………....11
8. Одномерная модель загрязнения почвы……………………………………………………13
9. Обобщенная модель миграции загрязняющих веществ в наземных экосистемах………………………………………………………………………………….....14
10. Методы прогнозирования загрязнения воздушной среды……………………………..15
11. Модели прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха……………………….16
12. Применение статистических моделей и методов……………………………………...18
13. Методы прогнозирования ситуации……………………………………………………….20
14. Электронные программы, применяемые для моделирования и прогнозирования………………………………………………………………………………..21

Заключение………………………………………………………………………………………………..22

Список использованной литературы………………………………………………………………..23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

МИВУ–280101.65

 

Введение.

Математическое  моделирование процессов и явлении  не является самоцелью, а призвано способствовать более глубокому пониманию природы  явления, чтобы в конечном счете  получить информацию о реальном мире. Эта информация стимулирует развитие новых научных проблем и методов  их решения, а также служит основой  для принятия решении при реализации конкретных проектов.

В системном  анализе выделяют три крупных этапа исследования:

• постановка задачи;
• моделирование и анализ;
• принятие решении.

На этапе  постановки задачи главное определить: цели исследования; критические элементы, их взаимодействия. Постановка задачи, как правило, уточняется в процессе исследования. Задачи и проблемы, возникающие  на этапе моделирования и анализа, в приложении к природоохранной  деятельности составляют главный предмет  дальнейшего изучения.

За последние  годы возрос интерес к построению математических моделей загрязнения  воздуха, воды и почвы, прогнозу и  экономической оценке возможных  последствий загрязнений на основе методов математического моделирования, к разработке на основе математических моделей систем контроля и управления загрязнениями; к разработке научно обоснованных методов долгосрочного  планирования мероприятий, направленных на сокращение выбросов вредных веществ.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

МИВУ–280101.65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Проблема «минимальной модели» и этапы процесса математического моделирования.

На первоначальном этапе происходит сбор сведений об изучаемом явлении Это пассивный банк данных (ПБД) и сценарии. Сценарий влияет на выбор исходной информации и на формирование минимальной модели, которая должна ответить на вопросы, заложенные в сценарий. Затем формируют определенные допущения об этом явлении на языке математики, который обычно используется для описания модели. Общие допущения, законы и теории можно и желательно сформулировать таким образом, чтобы изложить существо проблемы.

В любом случае минимальная модель строится на математических допущениях, и следующий блок предназначен для испытания построенной модели, а в случае необходимости и  для ее модификации (это блок - активный банк данных).

Для проверки модели желательно получить некоторые данные о реальном явлении. На основе проверки модели можно сделать выводы, которые  можно разделить на два типа

• одни относятся  к ранее наблюдавшимся ситуациям  и носят объяснительный характер;

• другие относятся  к новым, ранее не наблюдавшимся  ситуациям и используются для  предсказания или прогноза. Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

МИВУ–280101.65

 

На основе новых  данных и сведений о прогнозе, рассчитанном по модели, модель модифицируется, и  процесс исследования циклически повторяется  по тому же контуру. Таким образом, любая  математическая модель признается лишь временной. Циклический процесс  продолжается все время, и новые  порции данных должны повышать объяснительную способность модели.

В представленном выше описании процесс математического  моделирования разделен на несколько  этапов. Следует подчеркнуть различие между этапом трансляции, на котором  происходит переход от сведений о  реальных явлениях к математической модели (т.е. построение модели), и этапом прогнозирования

Первый этап —  индуктивный: на основе ряда наблюдений угадывается общая закономерность.

Второй - дедуктивный: на основе принятых допущении и хорошо известных правил вывода приходят к  определенным заключениям.

Следовательно, нельзя утверждать, что существует единственная «правильная» модель. А поэтому в  некотором смысле невозможно и обучение искусству моделирования. С другой стороны, по крайней мере в идеальном  случае, дедукция основана на очень  строгих правилах вывода Пользуясь  ими, можно обучить в принципе любого, и усвоивший их обладает надежным методом проверки аргументов. Этой чертой дедуктивного метода объясняется  основное преимущество математического  моделирования.

Относительно этапа  индукции стоит заметить следующее, любое, достаточно сложное явление  может быть описано очень многими  способами можно по-разному вводить  характеристики процесса и параметризовать опытные данные. Кроме того, в любом сложном явлении всегда весьма высок уровень неопределенности. Все исходные данные нам известны лишь с определенной точностью В этих условиях становится бессмысленной проблема построения «сверхточной модели» Она должна отвечать уровню точности исходных данных и нашей возможности использовать модель. Но поскольку подобных моделей для описания одного и того же процесса с заданной точностью может быть много, то для практического использования следует выбрать наиболее простую модель: вспомним «принцип лезвия Окама» - «не умножай сущностей без надобности». Такую простейшую модель академик Н.Н. Моисеев называл минимальной и предложил циклическую схему создания такой модели. Циклическая процедура математического моделирования предназначена для испытания корректности принимаемых допущений.

 

2. Типы моделей.

Известно много  типов математических моделей. Некоторые  математические модели являются детерминированными, тогда как другие - вероятностные.

Детерминированные модели дают точный прогноз,

Вероятностные - прогноз о том, что некоторое событие произойдет с определенной вероятностью. Далее мы подробнее рассмотрим подобные модели. Существует также разделение моделей на прескриптивные и дескриптивные.

Прескриптивная модель описывает, как некое лицо, группа, общество, правительственный орган должны были бы вести себя в определенной идеализированной ситуации.

Дескриптивная модель описывает, как они в действительности себя ведут.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

МИВУ–280101.65

 

3. Основные источники и пути поступления загрязняющих веществ в наземные экосистемы.

Поведение загрязняющих веществ в природной среде  будет различным в зависимости  от их источника поступления в  окружающую среду. При анализе общей  картины воздействия на природные  объекты знание специфики воздействия  различных источников антропогенной  нагрузки позволяет во многих случаях  отличать воздействие конкретной технической  системы или промышленного объекта  на живые организмы, их сообщества и  население от воздействия других объектов или технических систем, расположенных как в непосредственной близости, так и на значительном удалении.

Классификацию источников загрязняющих веществ следует производить  в соответствии с ГОСТ 27593-88, при  этом различаются:

- промышленные  источники загрязнения, т.е. предприятия  промышленности и энергетики, вследствие  функционирования которых происходят  выбросы в атмосферу, сбросы  в водоемы и захоронение загрязняющих  веществ;

- транспортные  источники загрязнения, связанные  с функционированием транспортных  средств и объектов, например, загрязнение  почвенных покровов и поверхности  растений опасными веществами  за счет эксплуатации автотранспорта (выхлопные газы, протечки горючего и смазки, стирание колес и дорожного покрытия), из-за потерь перевозимых грузов и т. д.;

- сельскохозяйственные  источники загрязнения, возникающие  в процессе сельскохозяйственного  производства, например, применение  минеральных удобрений, обработка  полей и сельскохозяйственных  угодий пестицидами и гербицидами  и т. д.;

- хозяйственно-бытовые  источники, связанные с бытовыми  условиями и жизнедеятельностью  отдельно взятых людей и с  функционированием созданной для  них искусственной среды обитания;

- специфические  военные источники загрязнения,  например, испытание и применение  различных видов оружия как  на полигонах, так и в условиях  полевых действий.

Каждый из перечисленных  источников загрязняет окружающую среду  как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях и катастрофах.

Необходимо различать  три наиболее значимых пути поступления  загрязняющих веществ в природные  среды:

1) выбросы в атмосферу  загрязняющих веществ в виде  газов, аэрозолей и мелких твердых  частиц (зола, сажа, пыль);

2) сброс в  водную среду и непосредственное  загрязнение поверхности почв  и растительности загрязняющими  веществами в жидкой растворимой  или нерастворимой форме; Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

МИВУ–280101.65

 

3) захоронение отходов  антропогенной деятельности.

Для каждого типа источника перечисленные пути имеют  свою специфику. Выбросы в атмосферу  и сбросы в водоемы загрязняющих веществ с промышленных объектов при их нормальной эксплуатации, распространяясь  на расстояния несколько десятков километров от источника, создают локальное  и региональное поле загрязнения  природной среды. Обработка сельскохозяйственных угодий пестицидами создает локальное  загрязнение местности на расстоянии до нескольких километров, а выбросы  и сбросы при эксплуатации транспорта создают локальное загрязнение  вблизи дорог, мест стоянок и ремонта  автомашин в радиусе до сотен  метров и т. д.

 

4. Основное уравнение атмосферной диффузии.

Распространение загрязняющих веществ в жидких и газовых  средах определяется двумя основными  процессами: конвективным переносом  вследствие осредненного движения среды  и диффузией за счет турбулентности. Поэтому математическая модель должна правильно описывать как поле средних скоростей, так и характеристики турбулентной диффузии.

Система точных уравнений, описывающих во времени все детали эволюции поля скоростей и концентраций в практической задаче, не может  быть решена с помощью современных  вычислительных средств. Единственный экономически оправданный выход  состоит в решении уравнений осредненного движения, которыми определяется распределение осредненных по времени величин. Обычно только средние величины и имеют практический смысл. При этом время осреднения должно быть много больше временного масштаба турбулентности, но много меньше временного масштаба осредненного течения (например, суточного цикла в пограничном слое атмосферы). Уравнения осредненного движения содержат члены, описывающие турбулентный перенос. Для замыкания системы уравнений (т.е. для ее решения) эти члены должны быть аппроксимированы с помощью определенной модели турбулентности. Основное требование к таким моделям заключается в том, чтобы они были относительно просты и пригодны для практических расчетов и в то же время учитывали наиболее существенные факторы, определяющие рассеяние загрязняющих веществ.