Моделирование и прогнозы в экологическом мониторинге

Таким образом, необходимо, чтобы удовлетворялся экологический  стандарт или экологический критерий безопасности жизнедеятельности водных организмов:

D_max < D_lim.

Это один из выводов, который можно сделать после  применения данной модели к реальным условиям. Кроме того, модель позволяет  оптимизировать режимы сброса предприятиями  органических отходов в воду.

 

 

8. Одномерная модель загрязнения почвы.

Процесс проникновения  в почву слоя жидких углеводородов, разлитых на поверхности земли, относится  к плохо изученным нелинейным задачам фильтрации с неполным насыщением. Наиболее простой вариант такого класса задач изучается в гидрогеологии  в связи с вопросами орошения и полива (влагоперенос в почве). Процессы инфильтрации углеводородов теоретически почти не исследовались. Эти задачи являются существенно более сложными по ряду причин. Во-первых, сама почва представляет собой трехфазную систему - твердые частицы, вода и воздух с парами воды. Почва содержит поры различных порядков крупности, причем системы «капиллярных» пор обеспечивают -водоудерживающую способность пор, а «некапиллярные» определяют быстрое просачивание флюида в почву. И в такую сложную систему погружается углеводородная смесь, имеющая промежуточную смачиваемость по отношению к воздуху и воде. Другой принципиальной трудностью является недостаток эмпирического материала, необходимого для расчетов.

В качестве первого  приближения к реальному процессу предлагается одномерная модель капиллярно-гравитационного  впитывания углеводородов в почву. 
В момент времени t = 0 на поверхность земли попадает слои однородной ньютоновской жидкости толщиной h₀.Предполагается, что почва Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

МИВУ–280101.65

- изотропная, недеформируемая пористая среда,  первоначально насыщена только  воздухом либо воздухом и остаточной  водой, содержащейся в виде  неподвижных капелек и пленок. Снизу почва подпирается грунтовыми  водами. Над их поверхностью существует  капиллярная кайма, обусловленная  капиллярным поднятием воды и  почти непроницаемая для углеводородных  жидкостей. Поэтому за нижнюю  границу зоны аэрации, на которой  ставится граничное условие, можно  принять глубину расположения  капиллярной каймы - Н. Предполагается, что жидкость и воздух несжимаемы, это вполне справедливо при небольших давлениях, характерных для рассматриваемого процесса. 
После определенных выкладок, с учетом принятых допущений получим нелинейное уравнение для определения нефтенасыщенности:

Искомыми функциями  здесь являются нефтенасыщенность s(z, )и h( ). Для сформулированной задачи были проведены расчеты, позволяющие оценить, насколько быстро происходит проникновение углеводородов в пористую среду и как следствие этого - дать оценку загрязнения почвы и грунтовых вод.

Рассмотрена одномерная задача капиллярно-гравитационной пропитки, учитывающая основные движущие факторы  Она дает максимальную оценку для  глубины проникновения углеводородов  вследствие допущения об отсутствии в почве подвижной воды и пренебрежения  горизонтальным растеканием поллютанта. Несмотря на это, такая постановка применима для оценки распространения углеводородов в тех случаях, когда загрязнение охватывает большую территорию, в результате чего нефтенасыщенность зависит от горизонтальной координаты в малой окраинной области.

 

 

 

9. Обобщенная модель миграции загрязняющих веществ в наземных экосистемах.

Выше были рассмотрены  модели распространения вредных  веществ от источника загрязнения  в окружающей среде, позволяющие  рассчитывать поле концентраций примеси. Наряду с ними важным типом моделей  являются модели миграции загрязняющих веществ между средами, особенно модели поступления вредных веществ  в наземные экосистемы, на которых  мы подробнее остановимся. 
Можно выделить три основных пути поступления вредных веществ в наземные экосистемы:

• выпадение  из приземного слоя атмосферИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

МИВУ–280101.65

ы;

• при орошении;

• при внесении удобрений.

Выпадая из приземного слоя атмосферы, загрязняющее вещество распределяется по всей площади подстилающей поверхности. Эта поверхность состоит, с одной стороны, из поверхности  почвы S (м²). с другой - из поверхности растущей на этой почве растительности S_р(t) (м²), площадь которой зависит от времени, прошедшего от начала вегетативного сезона, и видов растений. Если скорость осаждения загрязняющего вещества из приземного слоя атмосферы v_d (м/сут), а концентрация в нем x₀, то на единицу поверхности почвы за единицу времени будет поступать количество загрязняющего вещества, определяемое формулой:

Ф_s(t) = v_dx₀S / [S+S_p(t)]

а на поверхность растений:

Ф_e(t) = v_dx₀S_p(t) / [S+S_p(t)]

Если из выпавшего  на поверхность растительности загрязняющего  вещества задерживается лишь часть  егоk_d(t), то

Ф_e(t) = v_dx₀k_d(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]

Ф_s(t) = v_dx₀{1-k_d(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]}

С учетом атмосферных осадков:

Ф_e(t) = [v_d+ H(t)]x₀k_d(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]

Ф_s(t) =[ v_d+ H(t)]x₀{1-k_d(t)S_p(t)} / [S+S_p(t)]}

где  (1/сут) - коэффициент вымывания из атмосферы, Н(t)(м) - высота нижней границы облаков в момент рассеяния t.

При орошении водами с концентрацией загрязняющего  вещества г„ с интенсивностью v_и, за единицу времени в течение периода орошения на поверхность растений будет дополнительно поступать с вероятностью k_и:

O_e(t) = v_иx_иk_и(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]

и на поверхность почвы:

O_s(t) = v_иx_и{1-k_и(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]}

Внесение удобрений, содержащих загрязняющее вещество в  количестве Х_yили применение пестицидов в количестве X_yна единицу площади территории в момент времени T_yдополнительно загрязнит поверхность растительности Y_eи почвы Y, с учетом вероятности удержания k_y.

Y_e(t) = X_y (t-T_y)k_y(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]

Y_e(t) = X_y (t-T_y){1-k_y(t)S_p(t) / [S+S_p(t)]}

где  (t)- дельта-функция, определяемая как

(t)= {0 при t 0 и 1 при t= 0 }Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

МИВУ–280101.65

 

Поступление загрязняющего  вещества на поверхность почвы и  растительности можно определить по формулам:

F_e(t) = S_p(t)[Ф_e(t)+Y_e(t)]+O_e(t)

F_s(t) = S[Ф_s(t)+Y_s(t)]+O_s(t)

Используемые в  обобщенной модели коэффициенты и параметры  требуют численного определения  величин. Эти параметры условно  можно разделить на три группы, в которых величины определяются:

- физико-химическими свойствами загрязняющих веществ; 
- эколого-физиологическими свойствами живых организмов; 
- характеристикой почв и ландшафта; 
- метеорологическими факторами.

 

10. Методы прогнозирования загрязнения воздушной среды.

Для осуществления  прогнозов возможных изменений  окружающей природной среды в  любом масштабе (от глобального до локального) необходимо располагать  данными, во-первых, о современном  состоянии окружающей среды, во-вторых, о планах хозяйственной деятельности на рассматриваемой территории и, в-третьих, представлять, хотя бы приблизительно, как природная среда будет  реагировать на планируемую хозяйственную  деятельность.

Когда мы говорим  «прогноз», мы всегда подразумеваем  некоторую модель (в естественной и технической областях знания эта  модель часто строится при помощи широкого набора конструкций и средств  современной математики), описывающую  процесс, результаты которого мы хотим  предвидеть. Модели, направленные на составление  глобальных экологических прогнозов, теоретически должны отвечать тем же требованиям, что и любая математическая модель. Это прежде всего адекватность (соответствие) исследуемому объекту  или явлению; также для практики важно, чтобы модель позволяла обобщать доступные наблюдения и на этой основе предвидеть возможное развитие событий - как эволюционное (плавное, непрерывное), так и революционное (скачкообразное, катастрофическое) с достаточно высокой степенью точности. Однако даже самая адекватная и замечательная своей точностью предсказания модель может оказаться бесполезной из-за ненадежной, некачественной информации, которая в эту модель вводится. Следует помнить, что прогнозирование - всего лишь средство для принятия рациональных управленческих решений (в том числе на уровне мирового сообщества). Значит, рациональность управления является функцией адекватности модели и качества информации. 
На современном этапе развития биосферы экологическое прогнозирование должно осуществляться на всех уровнях (от глобального до локального) постоянно. Для этой цели деятельность по осуществлению прогнозирования должна быть систематизирована примерно следующим образом:

1. Разработка адекватных  математических моделей, отражающих  изменения, происходящие в природной  среде под воздействием хозяйственной  деятельности.

2. Своевременное  обеспечение подсистемы моделирования  качественной информацией о состоянии  природной среды и параметрах  функционирования техносферы (основывается на деятельности подсистемы сбора и обработки информации, корректирующей, если это необходимо, искаженные даннИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

МИВУ–280101.65

ые при  помощи соответствующих математических методов, для чего проводится контроль достоверности данных).

3. Согласованная  работа подсистем регионального,  государственного и глобального  экологического прогнозирования,  включающая в себя ретроспективный  анализ существующих прогнозов  с целью корректировки математических  моделей, на основе которых  они были выполнены.

 

11. Модели прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха.

Рассмотрим систему  прогнозирования качества атмосферного воздуха, которая находит сегодня  широкое применение для оперативного и долгосрочного прогнозирования  и для идентификации выбросов.

Для решения задач  долгосрочного (от 4 сут. до 1 мес.) и оперативного (от нескольких часов до 3 сут.) прогнозирования положены известные подходы к моделированию распространения вредных примесей загрязнения в атмосферном воздухе и прогнозированию загрязнения атмосферного воздуха. К моделям долгосрочного прогнозирования относятся модели прямого моделирования и расчетные.

Для долгосрочного  прогнозирования наиболее часто  применяются расчетные (аналитические, аппроксимационные) модели, полученные на основе решения уравнений турбулентной диффузии. Это - модели «факела», «ящика», конечно-разностные. Эти модели положены в основу «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» (ОНД-86), широко используемой для инженерных расчетов и реализованной в ряде программных комплексов для расчетов загрязнения атмосферного воздуха.

Для оперативного прогнозирования широкое распространение  получили статистические модели линейной и нелинейной регрессии. Их несомненным  преимуществом является простота реализации и алгоритмизации. Основное ограничение применения данных моделей - отсутствие непосредственного учета физических особенностей процесса загрязнения воздуха, вследствие чего они характеризуются невысокой (хотя во многих случаях и приемлемой) точностью прогнозирования.

Для оперативного прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха при аварийных залповых выбросах следует использовать расчетные (аналитические) модели - модели «клубка», применяемые для прогнозирования  распространения примесей от мгновенных точечных источников. 
Выбор конкретной модели (или моделей) определяется в конечном итоге целями прогнозирования и постановкой решаемой задачи прогнозирования. Результатами расчетов по прогнозированию являются:

- для долгосрочного  прогнозирования - получение профилей  концентрации загрязняющих веществ  (3В), определение расстояний и  опасных скоростей ветра, соответствующих  образованию максимальных концентраций  загрязняющих веществ, расчет  величин предельно допустимых  выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ  в атмосферу и минимальных  высот источников выбросов, при  которых содержание 3В не будет  превышать допустимого значения;

- для оперативного  прогнозирования - получение регрессионных  или других видов зависимостей  для прогнозирования концентраций  загрязняющих веществ на другие  периоды времени и заданные  расстояния от источников загрязнения;

- для идентификации  источников загрязнения - выявление  возможных источников загрязнения  атмосферного воздуха.

На первом этапе долгосрочнИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

МИВУ–280101.65

ого прогнозирования  определяют влияние постоянно действующих  источников загрязнения атмосферы  на состояние и качество атмосферного воздуха в районе, непосредственно  прилегающем к производственной площадке.

На следующем  этапе долгосрочного прогнозирования  загрязнения атмосферного воздуха  типовыми точечными источниками  для загрязняющих веществ проводится оценка границ валовых выбросов (М, г/с), приводящих к превышениям ПДК_сс и ПДК_мр в различное время года. Границы оцениваются по величине максимальной концентрации от данного источника загрязнения С_м. Полученные значения необходимо использовать для оценки последствии залповых (аварийных) выбросов и принятия оперативных решений по идентификации источников загрязнения, оперативному прогнозированию концентраций загрязняющих веществ. В рамках оперативного прогнозирования проводится прогнозирование концентраций наиболее опасных загрязняющих веществ при максимально неблагоприятных метеоусловиях на расстояниях, соответствующих образованию этих концентраций (по результатам вычислительного эксперимента, полученного на этапе долгосрочного прогнозирования).