Моделювання та оцінювання якості повітряного басейну

 

Моделювання - метод дослідження складних об’єктів, явищ і процесів шляхом їх спрощеного імітування (натурального, математичного, логічного, картографічного), грунтується на теорії подібності.

Поряд з контролем якості повітряного басейну суттєве значення має моделювання його стану з метою прогнозування та управління в системі екологічного моніторингу.

Моделювання стану довкілля - наука, яка вивчає кількісні закономірності та взаємозв’язки еколого-географічних об’єктів і процесів за допомогою статистично-інформаційних, математично-картографічних методів та моделей.

Використовують фізичні й математичні методи екологічного моделювання.

Фізичне моделювання - це коли природне явище, яке вивчається, відтворюється в певному масштабі зі збереженням його фізичної суті.

Математичне моделювання - спосіб дослідження природних явищ шляхом вивчення процесів, що мають різний фізичний зміст, але описуються однаковими масштабним співвідношеннями.

Математична модель складається на основі формалізованої схеми явища, що досліджується. Екологічна система, що моделюється математичними методами, включає такі ознаки:

наявність значної кількості взаємопов’язаних і взаємодіючих елементів;

взаємодія з зовнішнім середовищем;

можливість розкладу системи та підсистеми;

багатофакторність мети та завдань;

можливість керування інформаційними потоками в системі.

Умовно моделі екологічних систем діляться на три типи.

Перший тип моделі - базується на фундаментальних законах світу (закони збереження енергії, маси, кількості руху, трансформації). При цій моделі відбирається найбільш суттєві закони для конкретного об’єкта та записуються в формалізованому вигляді, вирішуються записані рівняння та виконуються інтерпретації отриманих результатів.

Прикладом математичної моделі першого типу є диференціальне рівняння, що описує турбулентну дифузію домішок в атмосфері та водному середовищі.

 

   (1.1)

 

де С- концентрація домішок в об’ємі середовища;

K_x- коефіцієнт одномірної поздовжньої дифузії;

V- середня швидкість потоку в середовищі;

K- коефіцієнт, що характеризує самоочищення середовища;

t- час.

Моделі першого типу мають певні недоліки, що заключаються в значному спрощенні до реальної ситуації, в складності реального образу за допомогою багатопараметрової моделі та не виключають вплив випадкових факторів.

Другий тип моделі - базується на встановленні закономірностей функціонування екологічних систем шляхом статичного вияву в них взаємозв’язків. Розробка моделі другого типу включає такі етапи: вибір методу статичного аналізу; планування, процес отримання даних про об’єкт дослідження; компоновку даних, що характеризують екологічну систему; алгоритмування та розрахунки за допомогою комп’ютера статистичних співвідношень. Функція може бути описана одночленом, многочленом або рівнянням регресії, а також може бути функцією однієї або багатьох змінних.

Між величиною радіаційного балансу, що впливає на характер розповсюдження шкідливих викидів в приземному шарі атмосфери, та параметрами метричної інформації цифрової моделі місцевості установлена залежність:

 

R=5487- 79,8φ- 0,29Н, МДж/м²рік,             (1.2)

 

де  φ - широта місцевості, градуси;

Н- абсолютна висота місцевості, м.

Третій тип моделі - імітаційний, що базується на вивченні складної математичної моделі за допомогою експерименту на моделі та обробці експериментальних результатів дослідження.(Мудрак О.В. 2006 р.)

Основні етапи створення імітаційної моделі:

формування завдань вивчення екологічної системи та визначення вектора стану системи;

введення системного часу, що моделює хід часу в екологічній системі, яка досліджується;

декомпозиція об’єкта дослідження і побудова блочної конструкції імітаційної системи;

формування законів і гіпотез функціонування екологічної системи в цілому і по блоках;

розробка програми для блокових складових;

верифікація блоків за даними дослідження;

об’єднання блоків на базі стандартного або спеціально розробленого математичного забезпечення;

верифікація моделі в цілому і перевірка її адекватності з врахуванням експортної оцінки спеціаліста - еколога;

планування математичних експериментів;

обробка й аналіз результатів чисельного експерименту. (Іванюк Д.П., Шульга І.В. 2007)

Результати моделювання на основі інформаційних даних з інвентаризації викидів шкідливих речовин використовуються для оцінювання якості повітряного басейну при проектуванні населених пунктів й мікрорайонів та реконструкції. критерієм якості повітряного басейну є не перевищення фактичних його параметрів гранично - допустимих викидів забруднюючих речовин й шкідливого впливу фізичних та біологічних факторів.

Для кожного діючого і того, що проектується, підприємства встановлюються гранично допустимі концентрації викидів забруднюючих речовин й шкідливого впливу фізичних та біологічних факторів.

Гранично допустима концентрація (ГДК) - максимальна концентрація домішок в атмосфері, що віднесена до певного часу усереднення, яка при періодичній дії чи протягом всього життя людини не справляє ні на неї, ні на навколишнє середовище в цілому шкідливої дії, включаючи віддалені наслідки.

При визначенні гранично допустимих викидів забруднюючих речовин враховується їх концентрація в атмосфері, що обумовлена викидами інших джерел:

 

С + С_ф <= ГДК  (1.3)

 

де С - концентрація речовин в атмосферному повітрі від даного джерела, мг/м³;

С_ф - фонова концентрація забруднюючих речовин, мг/м³.

Максимальна разова гранично допустима концентрація (ГДК_max) - основна характеристика небезпечності шкідливої речовини, що встановлюється для попередження рефлекторних реакцій у людини при короткочасній дії атмосферних домішок.

Середньодобова гранично допустима концентрація (ГДК_сд) характеризує загальнотоксичний, канцерогенний, мутагенний та інший вплив речовин на організм людини.

Гранично допустимий викид (ГДВ) - максимальний викид шкідливої речовини в атмосферу (т/рік, г/с) від кожного джерела викиду, за кожним інгредієнтом з урахуванням перспективи розвитку підприємства і підсумування шкідливої дії, фонового забруднення і кліматичних умов місцевості, який при розсіюванні не перевищує в приземному шарі селітебної зони гранично - допустимої концентрації для населених місць, нормативні якості повітря для населення, тваринного й рослинного світів.(Шматько В.Г. 2004)