авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах эколого-геохимического мониторинга урбанизированной территории

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БОЙКО Виктория Васильевна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА В ЗАДАЧАХ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ

05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2007

Работа выполнена в НИИ Механики и Прикладной Математики

им. Воровича И.И. Южного федерального университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Ф.А. СУРКОВ
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор А.Н. ЦЕЛЫХ,
кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.Л. ЧИКИН
Ведущая организация: Гидрохимический институт Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (г. Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится « 27 » сентября 2007 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета К 212.208.04 по физико-математическим и техническим наукам в Южном федеральном университете по адресу:

344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 200/1, корпус 2, ЮГИНФО ЮФУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан 25 августа 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат физико-математических наук Муратова Г. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие урбанизированных территорий требует все более интенсивного потребления природных ресурсы с использованием возрастающих по своей мощи технических средств. Завоевывая природу, человек в значительной мере подорвал естественные основы собственной жизнедеятельности, нарушил взаимодействие между жизненно важными средами обитания, такими как атмосфера, литосфера, гидросфера, пищевые цепи. В исследовании степени загрязнения этих сфер важное место занимает экологическая оценка состояния окружающей среды. Важность ее использования трудно переоценить при проведении мониторинга городской территории, проектировании рекреационных зон, детских дошкольных учреждений, спортивных комплексов и т.д. Применение современных компьютерных средств и технологий во многом облегчает эту задачу. Многочисленные данные, накопленные в результате проводимых исследований в течение целого ряда лет в памяти компьютера, становятся более доступными для исследователей. Их использование при работе с геоинформационными системами (ГИС) дает возможность проведения быстрого анализа существующего положения на урбанизированной территории, построения различных экологических карт, а также моделирования возможных сценариев развития экологической обстановки на территории города, например, на основе перспективного плана развития.



Целью данной диссертационной работы является создание эффективного инструмента информационного обеспечения и поддержки управленческих решений по регулированию экологической обстановки в городе.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования:

  1. Провести анализ существующих методов оценивания экологической ситуации на урбанизированной территории.
  2. Разработать и реализовать балансовую геохимическую модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории.
  3. Разработать и реализовать программный комплекс, обеспечивающий процесс хранения, обработки имеющейся информации об эколого-геохимическом мониторинге города, а также предоставляющий возможность проведения анализа экологической ситуации выбранной территории.
  4. На фактическом материале мониторинга г. Ростова-на-Дону опробовать модель оценки экологической ситуации на городской территории.
  5. Используя методы геоинформационных технологий:
    • разработать инструментарий автоматического построения различных карт, для оперативного оценивания эколого-геохимического состояния рассматриваемой урбанизированной территории;
    • провести геоинформационное моделирование процессов загрязнения городской среды и комплексный анализ экологического состояния г. Ростова-на-Дону.

Материалы и методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, математической статистики, методы объектно-ориентированного программирования, а также принципы геомоделирования пространственно распределенных объектов. В качестве фактических данных были использованы материалы, полученные в результате исследований, проводимых Комитетом по охране окружающей среды в г. Ростове-на-Дону.

Научная новизна. Анализ данных, полученных в результате проведения эколого-геохимического мониторинга, требует от специалистов, их использующих, как знание математических методов, так и основных положений экогеохимии. Без этого значительно усложняется задача оперативной оценки состояния окружающей среды. Разработанный в работе инструментарий позволяет:

  • осуществлять комплексную оценку состояния выбранной городской территории;
  • использовать данные, полученные в результате расчета по модели, входящей в состав комплекса, для построения различных экологических карт, в том числе карты экологической комфортности проживания;
  • получить оптимально расположенную сеть точек отбора проб эколого-геохимического мониторинга.

Универсальность разработанного программного комплекса позволяет быстро его адаптировать для исследования экологического состояния любой урбанизированной территории.

Практическая значимость. Результаты данной диссертационной работы могут быть использованы:

  • в природоохранных организациях, занимающихся контролем и оценкой качества природной среды;
  • в земельном комитете и центре приватизации для получения экономической оценки земельных территорий и жилого фонда с учетом экологических требований;
  • для подготовки специалистов в области природоохранной деятельности.

Разработанный программный комплекс представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена использованием математических методов, реальных данных, применением методов оценки достоверности данных, согласованием данных, полученных в результате расчетов, с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на V международной конференции женщин-математиков «Математика. Экономика» (г. Ростов-на-Дону, 1997), межвузовской научно-технической конференции «Экологи, безопасность и эффективность производства» (г. Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской школе-семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (г. Ростов-на-Дону, 1998, 2000, 2002, 2005, 2007), Всесоюзной конференции «Экология города» (г. Кировочепецк, 2000), конференции «Здоровье города – здоровье человека» (г. Ростов-на-Дону, 2001).

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в Комитете по охране окружающей среды Ростовской области.

Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, программный комплекс, компьютерные технологии, геоинформационная система, эколого-геохимический мониторинг, оценка качества окружающей среды.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 13 в материалах школ и конференций, 2 статьи в центральной печати и 1 статья в сборнике научных трудов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 152 страницы, в том числе 8 таблиц и 27 рисунков, 15 приложения. Список литературы содержит 89 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована постановка основных задач диссертации, их актуальность и практическая значимость в связи с необходимостью проведения оценки качества окружающей среды урбанизированных территорий.

Первая глава посвящена обзору и изложению основных положений проведения эколого-геохимического мониторинга урбанизированных территорий, являющегося ключевым понятием в проблеме охраны 21окружающей среды. Дан обзор методов и моделей, используемых для оценки качества окружающей среды урбанизированных территорий, а также проведен анализ существующих геоинформационных систем.

Федеральный закон «Об охране окружающей среды» определяет экологический мониторинг в РФ как комплексную систему наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности (рис.1):

  • наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;
  • оценку фактического состояния среды;
  • прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

 Блок-схема мониторинга С другой-0

Рис. 1. Блок-схема мониторинга

С другой стороны экологический мониторинг представляет собой инструмент экологического регулирования, позволяющий создать информационную базу, необходимую для выполнения задач экологического управления, контроля и пространственного анализа.

Основной целью эколого-геохимического мониторинга и анализа состояния среды городов являются выявление и оценка геохимических аномалий, анализ их влияния на функционирование урболандшафтов, а также на окружающие город территории и акватории.

На его основе возможно выявление критических и экстремальных ситуаций, факторов антропогенного воздействия на окружающую среду, проведение оценки и прогноза состояния объектов наблюдения, оказание управляющего воздействия с целью регулирования взаимного влияния объектов техносферы, гидросферы, литосферы и биосферы.

Проведение оценки качества среды обитания человека позволяет обоснованно принимать управленческие решения, направленные на улучшение экологической обстановки в черте города.

Для оценки и прогноза качества окружающей среды используются самые разнообразные методы и технологии. Наиболее эффективным является применение методов математического моделирования.

Расчету распространения загрязнений из различных источников в атмосфере и осаждению их на подстилающую поверхность посвящена обширная литература. В работах приводятся расчеты для распространения от мгновенных и непрерывных источников различной высоты на малые и большие расстояния примесей с различными скоростями осаждения на идеальную поверхность и поверхности со сложным рельефом.

Реализация рассмотренных в первой главе моделей оценки качества различных природных сред затруднена высокой степенью сложности вычислений, большим количеством используемых переменных и параметров, а также необходимостью задания исходных данных, которые зачастую сложно получить натурными изменениями. Балансовые же модели наоборот используют простые соотношения и требуют минимальное количество входных данных для получения результата, достаточного для проведения текущей оценки состояния и построения прогноза для рассматриваемой территории.

Во второй главе рассматриваются предложенные автором модели оценки экологической ситуации на урбанизированной территории.

Основой геохимических исследований городской среды является оценка распределения тяжелых металлов и некоторых других веществ в природных средах, концентрирующих загрязнения: почвенный, снеговой, растительный покровы, подземные и поверхностные воды.





Нормальное функционирование почв имеет большое значение для устойчивости экологической обстановки города в целом. Происходящие в почвах процессы контролируют химический состав поверхностных и грунтовых вод, определяют в значительной мере газовый состав приземной атмосферы. Примеси загрязняющих веществ осаждаются на растительном покрове и вместе с осадками попадают в почву, поэтому почвы можно считать эталоном оценки качества городской среды.

Схема миграционной модели в общем случае представлена на рис. 2.

 Схема миграционной модели (1)-1

Рис.2. Схема миграционной модели

(1)

где - запас загрязняющих веществ атмосфере;

- запас загрязняющих веществ в почве;

- поступления загрязняющих веществ в атмосферу;

- осаждение загрязняющих веществ на поверхность земли;

- глобальное рассеивание;

- связывание растительностью;

- поглощение человеком и биотой;

- фильтрация в грунтовые воды;

- вынос с поверхностным стоком (ливневые и талые воды).

Поступление загрязняющих веществ в атмосферу определяется из соотношения:

(2)

где - техногенные выбросы в атмосферу;

- дефляция;

- сжигание листьев и мусора;

Построенная автором балансовая геохимическая модель является частным случаем миграционной модели загрязнения урбанизированной территории.

Для построения балансовой модели миграции загрязняющих веществ необходимо произвести разбиение городской территории на единичные ландшафты, в рамках которых протекают однотипные геохимические процессы. В дальнейшем всё рассмотрение будет рассматриваться по отношению к такому единичному ландшафту.

В основу модели были положены соотношения связывающие переходы загрязняющих веществ из атмосферы в литосферу и в гидросферу.

Например, зависимость между концентрацией в воздухе (мкг/м3) и в атмосферных выпадениях (мг/кг) для свинца определяется формулой :

, (3)

зависимость между концентрацией токсикантов в воздухе (мкг/м3) и в почве (мг/кг):

(4)

Следующим важным аспектом является миграция химических элементов в водных потоках. Химические элементы в водных потоках мигрируют в виде растворимой формы и взвешенной, представляющей собой механически перемещаемую дисперсную фазу, непостоянную по составу и объему. Количественная оценка выноса в водные объекты загрязняющих веществ с твердым поверхностным стоком (дождевыми или талыми водами) имеет важное значение не только для планирования водоохранной деятельности, но и для определения путей улучшения в целом экологической ситуации на урбанизированной территории. В модели для расчета массы выносимых загрязняющих веществ с поверхности земли -го ландшафта в растворенной форме использовалась формула:

, (5)

где - масса выносимых загрязняющих веществ, кг;

- концентрация вещества в воде поверхностного стока, мг/л;

- объем стока поверхностных вод, м3.

Объем стока рассчитывается по формуле:

, (6)

где - среднегодовое количество выпавших осадков;

- площадь -го ландшафта, м2;

-коэффициент поверхностного стока, зависящий от перекрытия поверхности земли зданиями, искусственными сооружениями, асфальтом, бетоном.

Вынос загрязняющих веществ с поверхности земли во взвешенной форме с территории -го ландшафта рассчитывается по формуле:

, (7)

где - масса выносимого загрязняющего вещества во взвеси, кг;

- объем стока ливневых вод, м3;

- концентрация вещества во взвеси пробы ливневых вод, г/т;

- масса выносимых с ливневыми водами взвесей, т.

Запасы загрязняющих веществ в почве -го ландшафта определяются из формулы:

, (8)

где - концентрация загрязнителя в почве, мг/кг;

- мощность почвенного горизонта;

- плотность почвы,

В качестве загрязняющего вещества для апробации работы модели был выбран свинец. Данный выбор был обусловлен следующими факторами:

  • наиболее длительное время вымывания данного элемента из атмосферы по сравнению с другими химическими элементами (Pb – 3,6 суток, в то время как для Mn, Ni,Fe,Al, Cu этот показатель равен 1,1-1,6 суток);
  • наличие количественной связи между концентрациями в сопредельных средах, таких как атмосферный воздух и почва.

При разработке общей схемы модели были сделаны некоторые допущения. Основной миграционный путь свинца в биосфере связан с нерастворимыми и слаборастворимыми его соединениями. В атмосфере он мигрирует с твердофазными пылевыми частицами или в виде органоминеральных взвесей и аэрозолей. При изучении твердофазных и жидких атмосферных выпадений выяснилось, что в жидкой фазе (талые, ливневые воды, снеговая или дождевая вода) свинец встречается в концентрациях на 2-3 порядка ниже его концентрации в твердой фазе. Поэтому в модели рассматриваются только его выпадения из атмосферы с твердофазным материалом и его вынос из урболандшафтов с взвесями в ливневом стоке.

Результат вычислений показывает, какие процессы преобладают в каждом ландшафте: разубоживание, депонирование или ситуация стабильна.

Опираясь на полученные в результате расчета с помощью модели данные, можно проводить анализ, синтез эколого-геохимической информации, прогнозировать ситуацию, осуществлять выбор стратегий управления.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.