Оптимизационные модели в проблеме загрязнения атмосферы - Дипломная работа

В современных условиях быстрого развития промышленности, роста городов и освоения новых районов усиливается воздействие на окружающую среду. Оно, в частности, проявляется в резком возрастании вредных выбросов, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. Существенное влияние на перенос веществ в атмосфере оказывают метеорологические условия и в первую очередь ветровой режим и температурная стратификация нижнего слоя атмосферы. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями» указывается на необходимость учета при установлении предельно допустимых выбросов климатических условий местности. Загрязняющие примеси в воздухе могут иметь естественное и антропогенное происхождение, образовываться в результате химических (фотохимических) реакций взаимодействия в атмосфере.По мере увеличения расстояния масштабы распространения выброса в вертикальном направлении становятся сравнимыми с толщиной планетарного пограничного слоя, и обычные предположения об однородности не позволяют использовать упрощенные модель. Кроме того, ниже описаны условия, при которых эти модели применимы, а также видоизменения моделей, необходимые для применения в конкретных практических ситуациях, и метеорологические данные, используемые в этих моделях. Таким образом, выбор подходящей модели или необходимого сочетания моделей для конкретной площадки и конкретных условий выброса нужно основывать на тщательном изучении площадки и характеристик источников загрязняющих веществ, значимых с точки зрения дисперсии.Разнообразие требований к характеру оценок загрязнения и высокая специфичность распространения выбросов примесей в различных метеоусловиях приводят к необходимости использования тех моделей, которые перечислены ниже. Модель указывает не реальное положение облака выбросов в тот или иной момент времени, а обозначает границы, в пределах которых концентрация ядовитых веществ может достичь опасных для здоровья человека значений при неблагоприятных метеоусловиях. Стандартные модели загрязнения атмосферы стационарными источниками, основанные на модели ОНД-86. Модели могут быть использованы для анализа квазистационарных процессов, когда характерные времена выбросов токсичных веществ превышают характерные времена перемещения воздушных масс в экспертируемой области пространства (например, случаи пожаров или утечек на продуктопроводах). Модели строятся на основе методик и моделей МАГАТЭ и позволяют рассчитать траекторию и время движения облака выбросов до потери токсичности.Плотность распределения вероятности в этом случае выражается так: , где с - концентрация примеси, a, b - параметры определяемые по эмпирическим данным. Концентрация примеси в точке (x, y, z) от источника, расположенного в начале координат, пропорциональна произведению: , где - дисперсия распределения примеси в направлении y; - дисперсия распределения примеси в направлении x; - дисперсия распределения примеси в направлении z. Наиболее широко используемыми методами являются: метод Пасквила-Гриффода, основанный на номограммах для шести классов устойчивости атмосферы; метод основанный на учете вертикального градиента температуры; метод, основанный на учете флуктуаций ветра; метод «разделенной сигмы» и. т. д. Основное положение этой модели то, что турбулентность всюду одинакова, - функции рассеяния от источника, скорость ветра постоянна во всем слое распределения струи, направление ветра также не меняется при движении потока. А для стационарного случая концентрации загрязнений определяются выражением: , где - координаты основания источника; - мощность непрерывного точечного источника, [г/с]; - скорость ветра на высоте вдоль оси Oy [м/с]; - горизонтальная дисперсия, [м]; - вертикальная дисперсия, [м]; - расстояние от источника, [м]; - поперечное расстояние от оси шлейфа, [м]; - высота над поверхностью земли, [м]; - конечный подъем шлейфа над землей (эффективная высота подъема шлейфа), [м], в который для поля концентрации вводятся смещения в областях, примыкающих к зданиям.В ряде прикладных экологических задач, связанных с рассеянием загрязняющей примеси, используются аналитические решения двумерного стационарного уравнения турбулентной диффузии. Решения получены с учетом фоновой концентрации примеси в окружающей среде, сухого осаждения примеси на подстилающую поверхность, пыления или испарения примеси с подстилающей поверхности и непрерывно действующего стационарного источника, т.е. при граничных условиях третьего рода.В настоящее время при численном прогнозе распространения примеси в пограничном слое атмосферы, как правило, выбирается либо лагранжева дисперсионная стохастическая модель, либо эйлерова модель атмосферной диффузии.При численном прогнозе распространения примеси в пограничном слое атмосферы, как правило, выбирается либо лагранжева дисперсионная стохастическая модель, либо эйлерова модель атмосферной диффузии. В рамках первого подхода пространственный перенос примеси в атмосфере оценивается по траекториям движения одиночных частиц трас

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

1.1 Общие сведения о моделях и методах расчета распределения концентрации примеси в атмосфере

1.2 Перечень основных моделей, используемых для оценки загрязнения атмосферы

1.3 Статистические модели распространения примесей

1.4 Транспортно-диффузионные модели

1.5 Модели численного прогноза распространения примеси в атмосфере

1.5.1 Метод Лагранжа

1.5.2 Метод Эйлера

1.6 Модель Пасквила-Гиффода

1.7 Модель Института экспериментальной метеорологии

1.8 Трехмерные модели переноса и диффузии примеси

1.9 Практические методики

1.9.1 ОНД-86

1.9.2 ISC3ST (EPA-US)

1.9.3 ЭПК "ZONE"

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАКСИМАЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА ОТ НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ

2.1 Постановка задачи

2.2 Выбор методов решения поставленной оптимизационной задачи

2.2.1 Описание адаптивного метода случайного поиска

2.2.2 Описание метода конфигураций

2.3 Определение максимальной концентрации загрязненности атмосферы промышленного региона

2.4 Результаты расчетов и их анализ

2.5 Программная реализация расчета максимальной концентрации загрязненности промышленного региона

3. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ АТМОСФЕРЫ ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА ОТ НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ

3.1 Постановка задачи

3.2 Выбор методов решения поставленной многокритериальной оптимизационной задачи

3.2.1 Метода главного критерия для решения задачи многокритериальной оптимизации

3.2.2 Метод последовательных уступок для решения задачи многокритериальной оптимизации

3.3 Расчеты и анализ полученных результатов

3.4 Программная реализация расчета значения мощностей выбросов загрязняющих веществ промышленного региона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ