Информационная система для моделирования распространения загрязнения атмосферного воздуха с использованием ArcGIS

Введение

Состояние окружающей среды оказывает огромное влияние на жизнь всех живых существ на планете. Выбросы вредных веществ в атмосферу негативно сказываются на состоянии атмосферного воздуха, являющегося жизненно важным компонентом природы. Значительный вклад в этот процесс вносят предприятия промышленности. Для того чтобы ограничить их негативное воздействие на атмосферу,устанавливаются нормативы выбросов веществ и проводится государственный экологический мониторинг.Автоматические станции контроля загрязнения атмосферы регулярно измеряют концентрации различных веществ в воздухе. Степень загрязнения воздуха оценивается при сравнении этих концентраций с ПДК - предельно допустимой концентрацией. ПДК - это максимальная концентрация вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека.

Математическое моделирование распространения загрязнения воздуха

Несмотря на то, что информация, получаемая автоматическими станциями, отражает реальное состояние атмосферного воздуха в местах измерения, она касается только последствий загрязнения, а его причины остаются неизвестными. К тому же, эта информация показывает уровень загрязнения только в отдельных точках и не может дать адекватной картины состояния воздуха на остальной территории. Для решения этих проблем проводят математическое моделирование распространения примесей в атмосферном воздухе, которое позволяет оценить степень загрязнения атмосферы в заданной точке местности, не проводя в ней натурных измерений. Кроме того, используя этот подход, можно прогнозироватьизменение состояния атмосферного воздуха в длительной перспективе, моделировать различные гипотетические ситуации (такие, как строительство нового завода или даже города) и заранее планировать необходимые меры для предотвращения загрязнения воздуха. Моделирование требует комплексного учета многих факторов, таких как параметры источников выбросов и текущего метеорологического состояния атмосферы, условия рассеивания для данной местности, свойства моделируемых веществ.

Рис.1. Система координат в уравнении Гаусса

Математические модели, описывающие движение потока выбросов под действием ветра (перенос) и турбулентного движения атмосферы (диффузия) называются моделями атмосферного переноса-диффузии или моделями атмосферной дисперсии.Эти моделиподразделяются натеоретические, эмпирические и полуэмпирические, а также на стационарные и нестационарные [1]. Наиболее распространены стационарные эмпирические модели, основанные на уравнении Гаусса:

где – средняя концентрация выброса в точке (x,y,z), Q – мощность точечного источника, U – скорость ветра, усредненная по слою перемешивания. Начало координат находится в источнике, ось x совпадает со средним направлением ветра, ось y расположена перпендикулярно направлению ветра по горизонтали, а ось z – по вертикали. Параметры σ_y и σ_z представляют собой стандартные отклонения распределений концентраций в точке x соответственно в горизонтальном и вертикальном направлениях, перпендикулярно направлению ветра. Система координат приведена на рис. 1.

В России для установления нормативов выбросов предприятий используется основанная на уравнении Гаусса модель расчета концентраций ОНД-86 [2].Нормативы устанавливаются по результатам расчета максимальных разовых приземных концентраций вредных веществ (на двухметровой высоте над поверхностью земли) при наиболее неблагоприятных метеорологических условиях и опасной скорости ветра. Кроме максимальных концентраций, необходимых для установления нормативов, также могут быть рассчитаны среднегодовые концентрации и концентрации для заданных метеоусловий.Для определения комплексного негативного воздействия на окружающую среду различных веществ экологами используется интегральный критерий – комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА). Он рассчитывается по следующей формуле:

где I_i - индекс загрязнения атмосферы отдельной i-той примесью, L - количество примесей. I_i=(q_ср.г./ПДК_сс)^ai; a_i - константа, принимающая значения 1,7; 1,3; 1,0; 0,9 соответственно для примесей 1 - 4 классов опасности и приводящая степень вредности i-вещества к степени вредности диоксида серы; ПДК_сс - среднесуточная предельно допустимая концентрация i-той примеси; q_cр.г. - среднегодовая концентрация i-той примеси.

Информационная система для моделирования распространения загрязнения

В настоящее время расчеты концентраций вредных веществ по моделям атмосферной дисперсии проводятся с помощью специализированных программных средств. Целью проведенной автором работы являлось создание такого средства - информационной системы, с помощью которой можно осуществлять моделирование распространения загрязнения воздуха пометодике ОНД-86 и представлять полученные результаты в удобном для восприятия виде. Необходимо было реализовать в информационной системе возможность по имеющимся географическим и метеорологическим данным, а также данным об источниках выбросов рассчитывать поля максимальных разовых приземных концентраций вредных веществ, поля концентраций для заданных метеоусловий, направления и скорости ветра, а также поля КИЗА, и отображать результаты расчетов в виде экологических карт [3]. Значения концентраций должны рассчитываться в узлах прямоугольной сетки с указанным размером ячейки и отображаться на интерактивной карте в виде полупрозрачных слоев. Кроме того, необходимо было реализовать возможность моделировать гипотетические ситуации – возможность располагать на карте виртуальные источники выбросов и редактировать их параметрыдляпрогнозирования загрязнения, которое будет получено в случае превращения этих виртуальных источников в реальные. Также необходимо было реализовать возможность доступа к полученным экологическим картам через интернет для информирования населения о состоянии атмосферного воздуха.

В настоящее время для работы с картографическими и другими пространственными данными используются географические информационные системы (ГИС). Обычно они содержат средства для управления базой пространственных данных, средства для отображения и редактирования картографических данных и средства для проведения различных аналитических расчетов. В работе автора в качестве одной из составляющих информационной системы была использована геоинформационная система ArcGIS. С ее помощью осуществлялось хранение данных об источниках выбросов предприятий, метеорологических и картографических данных, а также полученных полей концентраций вредных веществ и полей КИЗА (использовалась технология ArcSDE). Кроме того, были использованы возможности ArcGIS по отображению интерактивных карт в desktop-приложениях (ArcGISEngine) и на веб-страницах (ArcGISServer), а также по манипуляциям с полями концентраций вредных веществ (SpatialAnalyst). Остальная часть информационной системы была разработана своими силами путем программирования на платформе .NET.

Архитектура разработанной информационной системы

С точки зрения пользователей система включает в себя два основных интерфейса: Интерфейс Эколога, который представляет собой desktop-приложение для проведения расчетов полей концентраций вредных веществ в атмосфере и моделирования гипотетических ситуаций, и Интерфейс Посетителя Портала, который представляет собой web-приложение, содержащее интерактивную экологическую карту с результатами расчетов. Архитектура разрабатываемой информационной системы (рис. 2) является комбинацией двух типов архитектур – сервис-ориентированной архитектуры (для реализации Интерфейса Эколога) и трехуровневой архитектуры (для реализации Интерфейса Посетителя Портала).

Рис. 2. Архитектура информационной системы

Структурно система состоит из следующих компонентов:

ArcGISServer. На нем расположена база пространственных данных, в которой хранятся картографические, метеорологические данные и данные об источниках выбросов. Доступ к данным осуществляется с помощьюгеосервисов.

IIS. Это веб-сервер компании Microsoft. На нем устанавливается Ядро системы, Веб-сервис и Расчетный модуль ОНД-86. Кроме того, на IIS установлено Веб-приложение, реализующее Интерфейс Посетителя Портала.

Ядро системы. Оно координирует работу системы иявляется связующим звеном между возможностями ArcGISServer и Расчетным модулем ОНД-86.

Веб-сервис. Предоставляет возможность подключаться к расчетному модулю системы через локальную сеть или интернет с помощью «толстого» клиента и использовать систему для проведения расчетов концентраций и КИЗА.

Расчетный модуль ОНД-86. Необходим для проведения математических расчетов по методике ОНД-86.

Desktop-приложение.Это «толстый» клиент, реализующий Интерфейс Эколога. С его помощью эколог получает доступ к имеющимся на ArcGISServerгеосервисам, а также доступ к возможностям Веб-сервиса.

Веб-приложение. Это «тонкий» клиент,реализующий Интерфейс Посетителя Портала. С его помощью посетитель портала получает доступ к интерактивной карте с результатами расчетов.

Расчет концентраций вредных веществ и КИЗА с помощью системы

Рассмотрим процесс проведения расчета концентраций вредных веществ и КИЗА с помощью разработанной информационной системы. Для проведения расчета эколог запускает Desktop-приложение. Desktop-приложение подключается к ArcGISServer, с помощью геосервисов загружает необходимые данные, а затем отображает на экране интерактивную карту территории с обозначенными на ней источниками выбросов. Эколог может настроить параметры источников выбросов, направление и скорость ветра, температуру воздуха и список моделируемых веществ, а также размер ячейки поля концентраций. Кроме того, эколог может добавить на карту несколько виртуальных источников и настроить их параметры.

После того, как все необходимые параметры настроены, эколог может провести расчет поля максимальныхразовых приземных концентраций для какого-либо из источников выбросов, полей концентраций веществ при указанных условиях на заданной территории или поля КИЗА. После того, как требуемое действие запущено, приложение подключается к Веб-сервису, расположенному на IIS. Веб-сервис передаёт команду Ядру системы, и оно начинает моделирование, используя возможности Расчетного модуля ОНД-86 и данные ArcGISServer. Когда моделирование завершено, полученное поле концентраций размещается на ArcGISServer, а информация об этом передается обратно в Desktop-приложение. Используя полученную информацию, Desktop-приложение подгружает рассчитанное поле с ArcGISServer и добавляет на карту в виде полупрозрачного слоя(рис.3). С помощью мыши можно определить значение концентрации или КИЗА в любой его точке. Полученную карту, содержащую поле концентраций или КИЗА, можно разместить в Веб-приложении. В этом случае доступ к просмотру результатов расчетов появится и у посетителей экологического интернет-портала.

Рис.3. Результаты расчета КИЗА с помощью разработанной системы

Заключение

В результате проведенной работы была разработана информационная система для моделирования распространения загрязнения атмосферного воздуха с помощью методики ОНД-86, была создана архитектура системы, разработаны и реализованы в программных модулях оригинальные алгоритмы для расчета полей значений приземных концентраций вредных веществ, для перехода от координат, используемых в методике ОНД-86, к географическим координатам, с которыми работает ArcGIS[4], для расчета среднегодовых значений концентраций и комплексного индекса загрязнения атмосферы с использованием данных роз ветров. Важными особенностями системы, отличающими ее от аналогов, является возможность моделировать КИЗА (обычно в подобных программных средствах этой возможности нет) и размещать результаты моделирования в сети Интернет.

В дальнейшем возможно расширение системы путем добавления в нее динамических моделей, таких как модели Лагранжа и Эйлера. В этом случае появится возможность рассчитывать распространение загрязнения не только в пространстве, но и во времени, что поможет увеличить точность прогнозов и эффективность принимаемых мер и уменьшить негативное воздействие на атмосферу. Также автор считает перспективной возможность использовать искусственные нейронные сети, обучаемые на статистических данных, получаемых с автоматических станций контроля загрязнения атмосферы. Нейронные сети предлагается использовать для коррекции результатов расчетов полей концентраций динамическими моделями. В таком случае будут учтены неявные факторы, не учитываемые напрямую в моделях, но, тем не менее, влияющие на распространение загрязнения воздуха на данной территории.

Литература:

1. С.С. Замай, О.Э. Якубайлик. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных служб крупного города. - Красноярск: Краснояр. гор. ун-т., 1998. - 109 с.

2. Методика расчёта концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86 / Под ред. М. Е Берлянда. – Л.: Гидрометеоидат, 1987. – 94 с

3. В. И. Стурман. Экологическое картографирование. Учебное пособие. — М.: Аспект Пресс, 2003. — 251 с.

4. Г. В. Горячев, к.т.н., доц.; М. А. Гаврилюк. Моделирование распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе с использованием ГИС-технологий по методике ОНД-86 / УДК 631.514

5. Пигурнов Е.В., Таран Т.А., Хомяков А.Т. Система исследования и моделирования загрязнения воздушного бассейна выбросами промышленных предприятий / Программные продукты и системы. Выпуск №1 за 1995 год.

6. Постнова И.С. Картографирование загрязнения воздушной среды промышленных городов / Интеркарто – 6 (г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).