Разработка программного модуля для нахождения оптимальных предельно-допустимых выбросов в атмосферу от группы источников

 

 

Где в общем случае - стоимость снижения на единицу выброса для j-го источника. В данном виде решение X_j дает минимум затрат на достижение нормативного загрязнения атмосферы.

В предположении 

 

,

 

что эквивалентно .

 

Следовательно, задача сводится к поиску максимально допустимого  по сумме сочетания выбросов X_j данного предприятия, позволяющего достичь нормативного загрязнения атмосферы. В связи с линейностью модели ОНД-86 по отношению к выбросам для поиска решения поставленной задачи может быть применён Симплекс-метод.

 

 

4. Программная реализация и пример практического применения

Для достижения поставленной задачи по разработке интегрированного в ПК ЭРА-ВОЗДУХ программного модуля расчета оптимальных ПДВ проведено  изучение структуры файлов, в которых головной модуль передают данные расчетного блоку УПРЗА ЭРА. Разработаны соответствующие процедуры для автоматизированного чтения всех необходимых файлов.

4.1 Выбор загрязняющих веществ

 

После указания директории с данными для расчета, программа  сканирует файлы в папке WORK по маске «htop*.ppp», таким образом выбирая загрязняющие вещества, для которых имеются начальные данные и возможно провести расчет.

Далее для каждого  отмеченного вещества независимо от других будет производиться считывание значений и расчет ПДВ (Xj).

4.2 Обработка точек с повышенным загрязнением

 

procedure get_point (s:string;var countPoint:integer;var point_pdk:tExtArray);

Процедура извлекает  значения N_i (ПДК), а так же количество точек I (i=1,..,I), в которых выбросы превышают N_i, из файла вида «htop*.ppp» в директории /WORK/.

Внутренняя структура htop*.ppp представляет собой текстовый  файл, содержащий таблицу с данными  о контрольных точках. Значение N_i содержатся в 8-ом столбце. Чаще всего N_i в точках равно 1 или 0.8 для особо охраняемых территорий (санатории, зоны отдыха).

4.3 Обработка источников

 

procedure get_funnel(s:string; var countFunnel : integer ; var funnel_name : tsArray; var funnel_m:tExtArray;var funnel_min:tExtArray);

Процедура извлекает  данные из файла вида «ist_*.txt», которые  находятся в директории /DAT/. «ist_*.txt» - это текстовый файл, в котором в табличном виде представлена информация об источниках выбросов, в том числе:

• количество источников J;
• уникальный код источника;
• существующий выброс источника Qj;
• минимально возможный выброс Qjmin (не всегда указывается).

4.4 Обработка таблиц влияния источников на точки

 

procedure get_pointfunnel ( s : string; countPoint : integer; countfunnel : integer; funnel_name : tsArray; funnel_m : tExtArray; var pointfunnelx2 : tExtArrayx2; var point_cf : tExtArray);

Процедура извлекает коэффициенты влияния a_ij из файлов вида «10pd*.ppp», где «10pd*.ppp» - текстовый файл, содержащий отчет о результатах работы программы.

 

4.5 Применении симплекс-метода

 

procedure get_simplexsolve ( countPoint : integer; countFunnel : integer ; point_pdk : tExtArray; point_cf : tExtArray; funnel_m : tExtArray; funnel_min : tExtArray; pointfunnelx2 : tExtArrayx2; var x : tExtArray; var s_temp : string);

Процедура, используя  данные расчетов программы «ЭРА-воздух», при помощи симплекс-метода рассчитывает оптимальные выбросы Xj для источников при заданных условиях.

4.6 Вывод полученных результатов

 

Результаты полученных вычислений выводятся на форму программы, а так же в файлы вида: «h_pd*.gpv», где * - это код вещества, для которого производился расчет.

4.7 Сравнение различных методов расчета ПДВ для реального предприятия

 

В расчете загрязнения  атмосферы диоксидом азота на расчетном прямоугольнике 9 на 9 км с  шагом 500 метров проведен расчет максимальных разовых концентраций, создаваемых 70-ю источниками выброса различного типа и высоты. В итоге получено поле максимальных концентраций, в которых есть области превышения норматива N, который в данном случае равен ПДК.

Картина загрязнения представлена на рисунке 1:

 

Рис 1. Загрязнение атмосферы в окрестности исследуемого предприятия.

 

Программный комплекс Эра-Воздух производит автоматический выбор точек  превышения норматива N и позволяет найти расчетные значения ПДВ на основе методов МРН-87 и Метода равного квотирования.

При выполнении работы в  программный комплекс добавлен новый  модуль, в соответствии с алгоритмом описанным в пункте 5. Этот модуль позволяет рассчитать оптимальное  значение ПДВ с использованием симплексного метода. Результаты расчетов ПДВ различными методами представлено ниже в таблицах 4.1, 4.2 и 4.3.

 

Таблица 4.1. Результаты расчета ПДВ (методом равного квотирования)

ПРИМЕСЬ=0301 Азот(IV) оксид (Азота диоксид)

Город :001 Кемерово, Объект : 0025

-----------------------------------------------------------------------------

 | Код |Высота |Существую-|Минимально| Коэфф. | Расчетное |Кратность|

N | источника |источн.|щий  выброс|возможный | норми- | значение |снижения |

п/п| выброса | м | г/с | выброс |рования | П Д В |выброса |

---|-----------|-------|----------|---г/с----|--------|----г/с----|---------|

15 00250010354 40.0 8.2390 0.0 0.485 3.9961 2.062

53 00250010944 40.0 8.2370 0.0 0.461 3.7941 2.171

Остальные источники  не подлежат нормированию.

-----------------------------------------------------------------------------

В сумме по 0301 51.8545 0.0 0.832 43.1687 1.201

-----------------------------------------------------------------------------

 

Таблица 4.2. Результаты расчета ПДВ (метод МРН-87)

ПРИМЕСЬ=0301 Азот(IV) оксид (Азота диоксид)

Город :001 Кемерово, Объект :0025

 

-----------------------------------------------------------------------------

 | Код |Высота |Существую-|Минимально| Коэфф. | Расчетное |Кратность|

N | источника |источн.|щий  выброс|возможный | норми- | значение |снижения |

п/п| выброса | м | г/с | выброс |рования | П Д В |выброса |

---|-----------|-------|----------|---г/с----|--------|----г/с----|---------|

14 00250010353 33.4 1.0750 0.0 0.739 0.7942 1.354

15 00250010354 40.0 8.2390 0.0 0.739 6.0867 1.354

16 00250010356 60.0 2.1500 0.0 0.739 1.5884 1.354

24 00250010656 45.0 1.5000 0.0 0.739 1.1082 1.354

41 00250010892 60.0 9.0430 0.0 0.739 6.6807 1.354

52 00250010943 33.4 0.5280 0.0 0.739 0.3901 1.354

53 00250010944 40.0 8.2370 0.0 0.739 6.0852 1.354

54 00250010946 45.0 2.1470 0.0 0.739 1.5861 1.354

63 00250011198 24.4 0.5110 0.0 0.739 0.3775 1.354

66 00250011225 24.4 0.5890 0.0 0.739 0.4351 1.354

Остальные источники  не подлежат нормированию.

----------------------------------------------------------------------------

В сумме по 0301 51.8545 0.0 0.829 42.9676 1.207

----------------------------------------------------------------------------

 

Таблица 4.3. Результаты расчета  ПДВ (симплекс метод)

 ПРИМЕСЬ=0301 Азот(IV) оксид (Азота диоксид)

 Город :001 Кемерово, Объект :0025

---------------------------------------------------------

| Код |Существую-|Минимально| Расчетное | коэфф. |

| источника |щий выброс|возможный  | значение | норми- |

| выброса | г/с | выброс | П Д В | рования |

|-----------|----------|---г/с----|----г/с----|---------|

|00250010353| 1.075000 | 0.000000 | 0.0196222 | 0.01825 |

|00250010943| 0.528000 | 0.000000 | 0.0000000 | 0.00000 |

|00250011225| 0.589000 | 0.000000 | 0.0000000 | 0.00000 |

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

| в сумме: 51.854470 49.682092 | 0.95811 |

---------------------------------------------------------

 

Решение задачи линейного  программирования показывает, что максимально  возможный выброс по заводу в целом  можно обеспечить при достижении нормы загрязнения, если закрыть источники 1225 и 0943, а на источнике 0353 снизить выброс примерно в 50 раз. О реальности такого решения могут судить технологические службы предприятия.

Итоговая таблица сравнения трех методов:

 

Метод	Существующий выброс	Расчетное значение	Процент снижения
Равного квотирования	51.8545	43.1687	16,75
МРН-87	51.8545	42.9676	17,14
Симплексный	51.8545	49.6820	4,19

 

 

Заключение

• Таким образом, в процессе выполнения дипломной работы проведен обзор существующей системы установления ПДВ для источников загрязнения атмосферы промышленных предприятий. При этом рассмотрена система обеспечения нормативных задач управления выбросами в атмосферу исходными данными. Исследована структура исходных данных их качество. Рассмотрены нормативные требования к загрязнению атмосферы населенных мест, которые накладывают ограничения на выбросы промышленных предприятий в атмосферу. Показано, что эти требования и свойство линейности нормативной модели расчета загрязнения атмосферы ОНД-86 по отношению к выбросам ИЗА позволяют представить процедуру нахождения расчетных значений ПДВ в виде задачи линейного программирования.
• Рассмотрены существующие в методической литературе способы расчета ПДВ в виде методов равного квотирования и МРН-87. Данные методы не имеют целевой функции и дают некоторые частные решения поставленной задачи.
• Изучен программный комплекс ЭРА-Воздух и форматы хранения и передачи данных между его модулями.
• Разработана процедура автоматического считывания исходных данных и результатов из ПК ЭРА-Воздух для полного обеспечения задачи линейного программирования исходными данными.
• Разработана программа расчета ПДВ на основе симплекс метода.
• Решена практическая задача по расчету ПДВ для одного из крупных предприятий г. Кемерово как встроенными в ПК ЭРА-ВОЗДУХ методами (МРН-87, равное квотирование), так и с использованием симплекс метода.
• Показано, что использование оптимизационного метода расчета ПДВ позволяет обеспечить нормативное загрязнение атмосферы при больших суммарных выбросах. В случае технологической приемлемости такого решения предприятие может существенно снизить платежи за сверхнормативный выброс в атмосферу.

 

Список литературы

1. Методическое пособие по расчету, нормированию и контролю выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. - СПб.: НИИ Атмосфера МПР РФ, 2002.
2. ОНД-86. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
3. Постановление Правительства Российской Федерации N182 от 2 марта 2000 г. «О порядке установления и пересмотра экологических и гигиенических нормативов качества атмосферного воздуха, предельно допустимых уровней физических воздействий на атмосферный воздух и государственной регистрации вредных (загрязняющих) веществ и потенциально опасных веществ». М., 2000.
4. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 марта 2000 г. N 183 «О нормативах выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух и вредных физических воздействий на него». М., 2000.
5. Федеральный Закон «Об охране окружающей среды». М., 2002.
6. Рязанов В.А. О критериях и методах обоснования максимально допустимых концентраций атмосферных загрязнений в СССР.- В кн.: Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений. Вып.8. - М.: Медицина, 1964, с. 5-21.
7. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб., 2000.
8. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде - Л.: «Химия», 1985.
9. Пинигин М.А. Значение вероятностного подхода при решении вопросов гигиенического регламентирования атмосферных загрязнений. В кн. ”Медицинские проблемы охраны окружающей среды”. М.: 1981, с.95-102.
10. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1985, 272с.
11. Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 200с.
12. Безуглая Э.Ю., Ковалевский А.Г., Расторгуева Г.П. Особенности распределения промышленных примесей в атмосфере городов различных типов. Тр. ГГО, вып. 467, 1983, с.81-87.
13. Перечень методик выполнения измерений концентраций загрязняющих веществ в выбросах промышленных предприятий СПб., 2001.
14. Перечень документов по расчету выделений (выбросов) загрязняющих веществ в атмосферный воздух, действующих в 2001-2002 годах. СПб., 2001.
15. Инструкция по инвентаризации выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Л., 1990.
16. СанПиН 2.1.6.1032-01 «Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест». М., 2001.
17. .Атмосферная турбулентность и моделирование распространения примесей /под.ред. Ньистадта Ф.Т.М., Ван-Допа Х.- Л.: Гидрометеоиздат, 1985,-350 c.
18. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. -Новосибирск.: Наука, 1985.-256с.
19. Постановление Совета Министров РСФСР. Об утверждении на 1991 год нормативов за выбросы загрязняющих веществ в природную среду и порядка их применения./9 января 1991г. N 13 /. Собрание постановлений правительства РСФСР. -М.: N9, 1991.
20. Hanna S.R. Review of Atmospheric Diffusion Models for Regulatory Application.- WMO Tecnical Notes, No.177, 1982-42p.
21. Методы анализа загрязнений воздуха./Дугов Ю.С., Беликов А.Б., Дьяков Г.А., Тульчинский В.М.-М.: Химия, 1984,-384 с.
22. Вольберг Н.Ш., Егорова Е.Д., Кузьмина Т.А. Метрологические характеристики фотометрических методов анализа загрязнения атмосферы. - Тр. ГГО, 1982, No 450.c.107-111.
23. Израэль Ю.А, Гасилина Н.К., Ровинский Ф.Я. Система наблюдений и контроля загрязнения природной среды в СССР.- Метеорология и гидрология, 1978, No 10, c.5-12.
24. Методика расчета нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для групп источников. МРН-87. - М., Госкомгидромет, Институт прикладной геофизики. 1987. -30с.
25. Рекомендации по определению допустимых вкладов в загрязнение атмосферы выбросов загрязняющих веществ предприятиями с использованием сводных расчетов загрязнения воздушного бассейна города (региона) выбросами промышленности и автотранспорта. СПб., 1999.-97с.
26. Васильев Ф.П. Методы решения экстремальных задач. М: Наука, 1980.-518с.