З курсу Моделювання та прогнозування як конспект лекцій з дисципліни Конспект лекцій
Міністерство освіти і науки України
Сумський державний університет
Конспект лекцій
з курсу “Моделювання та прогнозування
стану навколишнього середовища”
для студентів спеціальності 7.0708
усіх форм навчання
Затверджено на засіданні кафедри
як конспект лекцій з дисципліни
“Моделювання та прогнозування
стану навколишнього середовища”,
спеціальності 7.0708
Протокол № 1 від 28.08. 1999 р.
Суми Вид-во СумДУ 2000
Навчальне видання
Конспект лекцій
з курсу “Моделювання та прогнозування
стану навколишнього середовища”
для студентів спеціальності 7.0708
усіх форм навчання
Укладач О.О. Рибалов
Відповідальний за випуск Л.Д. Пляцук
План 2000 р. поз. Облік.-вид. арк. Умовн. друк. арк.
Підп. по друку Формат 60х84/16 Безкоштовно
Наклад 50 прим. Замов. №
Собівартість вид. грн.
Вид-во СумДУ 40007, м. Суми, вул. Р. – Корсакова, 2
“Ризоцентр” СумДУ, 40007, м. Суми,
вул. Р. – Корсакова, 2
Зміст
Передмова . . . . . .6
Розділ 1 Вступ до наукових основ екологічного
моделювання . . . .7
Тема 1 Система як об¢єкт моделювання . . .7
1.2 Моделювання в екології . . . .9 1.3 Характерні властивості систем . . .11 1.4 Взаємодія елементів системи . . .13Загальні положення
Успішний результат будь-якої справи залежить від досвіду її виконавців. Існує декілька способів накопичення досвіду в процесі виробничої або… Імітація при цьому може мати різноманітний характер: від уявного оперування з об¢єктами на рівні мислення,…Моделювання в екології
Застосування методів моделювання в екології має ще більше значення, ніж у техніці, вже тому, що необхідно вирішувати завдання дуже складні,… Об¢єкти моделювання взагалі визначаються таким чином. Якщо ж говорити про… Системами є об¢єкти живої природи, економічні і виробничі відносини між людьми, частини нашого Всесвіту…Характерні властивості систем
Звертаючись до розгляду екологічних систем, слід зупинитися на їх характерних особливостях, які властиві всім цим екосистемам. Перш за все – це… Структура системи – це сукупність її складових частин, блоків, вузлів,… Відміна системи від простої упорядкованої сукупності непов¢язаних елементів полягає в наявності зв¢язків між…Взаємодія елементів системи
Під взаємодією елементів системи розуміють режим (процес) спільного функціонування елементів, при якому поведінка (або властивості одного елемента)… Взаємодія виступає як результат впливу, який здійснюють елементи системи один… Так, якщо розглядати систему (S), яка складається з елементів (С1;С2;С3;…,СN), то вплив одного елемента (Сі) цієї…Динамічна система
Усі явища і процеси матеріального світу ми звикли розглядати у просторі і часі. У найпростішому випадку механічного руху мова про переміщення, яке… Таким чином, переміщення – це перехід тіла з одного положення (Zt1) в інше (Zt2) за проміжок часу (t=t1 – t2), що…Екологічна система
Під екологічною системою треба розуміти систему, конкретний зміст якої пов'язаний із відношеннями в галузі екології, тобто відношеннями живих… Так, екосистеми охоплюють своїми взаємозв'язками не лише природне середовище,… Якщо розглядати окремо будь-який елемент екосистеми, то неважко побачити певну особливість у його функціонуванні –…Системний аналіз екосистем
Розгляд досліджуваного об'єкта матеріального світу як системи, що складається із взаємодіючих елементів, побудова математичної моделі для нього і… Системний підхід має вирішальне значення в дослідженні операцій,… Сукупність методів і прийомів дослідження, які входять до арсеналу цього самостійного наукового напрямку, складають…Екологічний аналіз екосистем
Системний підхід широко використовується не лише в галузі природокористування, але й в екології. Наприклад, в питаннях екологічного аналізу… Екологічний аналіз екосистем складається з послідовного виконання наступних… - аналіз досліджуваної природної компоненти (об'єкт середовища) як фізичного тіла (тобто фізико-хімічні та інші його…Загальні положення
Введемо деякі основні поняття. Модель – це: - фізична (речовинно-натуральна) або знакова (математична, логічна) подібність реального об'єкта (звичайно…Типи моделей
Можна визначити такі основні типи моделей: матеріальні (предметні), формальні(логіко-математичні), змішані (рис. 2.1). Тип матеріальних моделей представляють групи моделей фізичних,… Моделі прямої аналогії будуються за безпосередніми зв'язками між величинами (елементами) об'єкта, а при непрямій…Характеристичні ознаки моделей
Будь-яка модель характеризується перш за все структурою її елементів, які є змінними за математичною природою і які складають структуру моделі. Отже, "змінні" це те, з чого складається структура.
Крім цього, модель характеризується взаємозв'язками між елементами, тобто функціональними діями між елементами, які характеризують напрям та характер цих дій.
Математична структура є лише тоді моделлю, коли її елементи є фізичними характеристиками досліджуваного процесу.
Класифікація моделей
Розраховуючи різноманіття моделей, для зручності вдаються до їх класифікації. Так, в залежності від об'єкта моделювання розрізняють… Субстанціональні – це такі моделі, матеріал яких за своїми якостями ідентичний… Структурні моделі імітують структуру або ж внутрішню організацію оригіналу. При цьому, якщо моделюють структуру…Загальна схема моделювання об'єкта
Узагальнюючи, наведемо принципову загальну схему моделювання об'єкта можна відмітити такі його послідовні (обов'язкові) етапи: постановка завдання, побудова моделі, дослідження (вивчення) моделі, використання одержаних результатів.
Постановка завдання включає такі дії: виділення об'єкта дослідження, його структури, взаємовідношень, тобто предмет дослідження (оскільки всі сторони і все різноманіття цих відношень часто непотрібно або й взагалі неможливо врахувати). Далі, визначивши об'єкт, структуру і предмет, здійснюють накопичення даних та їх теоретичне осмислення.
Побудова моделі включає такі послідовні дії:
- побудова концептуальної моделі (тобто ідеальної, розумової), описаної звичайною мовою, де чітко фіксуються початкові вихідні положення для подальшої побудови моделі;
- побудова наукової моделі на базі вихідних положень із використанням формальних (математичних) методів та співвідношень;
- побудова математичної моделі, яка відрізняється від наукової наявністю значної абстракції, спрощення та зміни, тобто процесу формалізації. При цьому при моделюванні вибирають найбільш важливі сторони об'єкта, намагаючись, щоб модель мала якнайменшу кількість зв'язків і сторін оригіналу (проте не на шкоду правдоподібності), керуючись ступенем достовірності та реальними можливостями розв'язання задачі наявним математичним апаратом. Як правило, одержати результати бажаної значущості не завжди вдається. Тому застосовують так званий ітераційний метод побудови моделі. Він полягає в тому, що спочатку згідно з цією схемою будують модель першого наближення, аналізують її, а одержані з її допомогою результати порівнюють з експериментальними (чи іншими аналогічними). Якщо результати не задовольняють, то корегують модель і знову повторюють процес вивчення об'єкта. Так діють доти, поки результати не будуть задовольняти дослідника (рис.3.1).
 |
Рисунок 3.1 - Загальна схема моделювання об'єкта
Для дослідження (вивчення) об'єкта за допомогою моделі застосовують різні методи, найбільш розповсюджені з яких аналітичний і чисельний.
Аналітичний метод дає можливість розв'язувати задачі у загальному вигляді, але його обмежені можливості через недостатній розвиток сучасного математичного апарату не дозволяють широко застосувати його в моделюванні.
Чисельний метод пов'язаний із значними працезатратами (проте це не суттєво за наявності комп’ютерного обладнання). Більш значним його недоліком можна вважати те, що у цьому випадку задача розв'язується для конкретних даних і не має загального значення.
На останньому етапі одержані за допомогою моделі результати застосовують з практичною метою. Проте наскільки доцільно і корисно їх використають залежить від професійного рівня спеціалістів.
Етапи побудови моделі
Відповідно до загальної схеми моделювання розглянемо більш детально процес побудови моделі. Він складається з трьох послідовних етапів:… Концептуалізація – словесний опис системи (точніше, опис уявної розумової… - точне формулювання завдання (запитання), яке вимагає відповіді в результаті дослідження поведінки екосистеми;Дослідження екосистеми методом моделювання
Дослідження, які виконуються за допомогою моделей, можна звести до таких видів:
- дослідження структури системи (її уточнення);
- дослідження зв'язків між елементами структури (виявлення наявності зв’язків та їх впливу);
- дослідження зв'язків між системою (або її окремими елементами) з зовнішнім середовищем (тобто тих змін, які викликані цими зв'язками);
- дослідження окремих елементів системи як структурно-функціональних одиниць (тобто встановлення межі їх зміни та впливу);
- дослідження режимів роботи системи.
Моделювання наукових досліджень
Практично будь-яке дослідження являє собою процес, який починається з відчуттів та сприйняття навколишньої дійсності і закінчується формулюванням… У природничих науках найбільш широко знаходять своє відображення дві основні… Дедукція – це формулювання висновку логічним шляхом із декількох посилань. Дедуктивні розумові висновки описуються…Прогностичне моделювання
Взагалі практично будь-яка модель за своєю суттю уже є прогностичною, тобто такою, за допомогою якої можна імітувати різні її стани залежно від зміни стану її окремих параметрів, елементів, блоків, зв'язків (внутрішніх чи зовнішніх), а також умов зовнішнього середовища.
Прогнозування екологічне – це віщування можливих змін стану або поведінки (впливу) системи, які викликані антропогенною діяльністю чи природними процесами.
Розділ 2 Теоретичні основи екологічного
Моделювання стану атмосфери
Тема 4 Теоретичні основи математичного
Моделювання екологічного стану
Атмосфери
Загальні положення
Визначимося в основних термінах. Атмосфера – зовнішня газова оболонка Землі, яка обертається разом з нею. Повітря – газовий склад атмосфери Землі.Джерела забруднення атмосфери
Всі джерела, які забруднюють атмосферу, можна розподілити за видами: стаціонарні і нестаціонарні, а також організовані і неорганізовані. Найбільше забруднюють атмосферу стаціонарні організовані джерела. Можна… 1 Одиночне (точкове) джерело з круглим отвором (труба).Формування димового факела викиду
Забруднюючих речовин в атмосферу
Пилогазоповітряна суміш, яку викидає з свого отвору стаціонарне джерело (труба), завжди дуже відрізняється від навколишнього атмосферного повітря не… Цей викид є стороннім тілом по відношенню до навколишнього середовища і прагне… Процеси, які відбуваються в атмосфері, чинять чи не найбільший вплив як на рівень забруднення, так і перш за все на…Тема 5 Моделювання розповсюдження
Забруднюючих речовин в атмосфері
Умови, які впливають на розповсюдження
Домішок у зоні джерела викидів в атмосферу
Усі умови, які впливають на цей процес, умовно можна розподілити на наступні групи (фактори впливу): параметри джерел; параметри викидів… Розповсюдження забруднюючих речовин в зоні стаціонарного джерела їх викиду в… Зона активного забруднення (ЗАЗ) місцевості – це ділянка навколо джерела, в межах якої концентрація домішку, який…Моделювання дальності розповсюдження
Домішок в атмосфері
Моделювання будь-якого процесу звичайно відбувається послідовно від найбільш простого до найбільш досконалого варіанта, який найбільш адекватно і… І етап. Найбільш проста модель розповсюдження в повітрі атмосфери конкретного… Дальність розповсюдження речовини від джерела її викиду в атмосферу залежно від його висоти (Н) можна оцінити за…Тема 6 Моделювання факторів, ЩО
ВпливАЮТЬ НА забруднення повітря
Загальні положення
Перелічені фактори впливу на формування рівня забруднення атмосфери не вичерпують їх переліку. Та все ж не можна не задати ще один – фактор часу. … Всі без винятку явища в природі плинні у просторі і часі. Не виняток і… Горизонтальна складова швидкості переміщення домішок обумовлюється головним чином швидкістю вітру.Вплив географічного місця розташування
Джерела викиду на формування рівня
Забруднення атмосфери
Крім потенціалу самоочищення, місцевість обумовлює специфічні фізичні процеси в атмосфері (такі, як… Інверсійна стратифікація спостерігається… Звичайно в природних умовах вночі складаються більш сприятливі умови для формування приземної інверсії радіаційного…Ефект температурної стратифікації атмосфери
Наявність тих чи інших умов стратифікації атмосфери по різному впливає на формування поля забруднення (рисунок 6.4). Порівняно з характером забруднення даним джерелом викиду за відсутності стратифікації повітря стійка стратифікація віддаляє зону максимального забруднення (х2) і в цілому зменьшує абсолютний його рівень. Навпаки, нестійка стратифікація наближає цю зону (х3) до джерела та збільшує в ній рівень концентрації забруднюючих речовин.
Ефект впливу температурної стратифікації атмосфери за несприятливих метеоумов (за яких концентрація речовин має максимальний рівень) обліковується спеціальним коефіцієнтом (А) при розрахунках рівня забруднення. На території України цей показник має такі значення: А=160 для території північніше 52о п.ш., А=180 для території від 52о до 50о п.ш. та А=200 південніше 50о п.ш. (рисунок 6.2).
Вплив метеокліматичних умов
На забруднення атмосфери
Перш за все слід зазначити, що на рівень забруднення в будь-якій точці простору в зоні джерела викидів забруднюючих речовин безпосередньо впливають… Температура атмосферного повітря (Та) в розрахунках рівня концентрації домішок… Різниця між температурою суміші (Тс) на виході з гирла джерела і температурою (Та) атмосферного повітря (перегрів…Вплив параметрів джерела викидів
На забруднення атмосфери
Само собою зрозуміло, що параметри джерела викидів домішок в атмосферу безпосередньо впливають на формування рівня і характеру забруднення. Перш за… Не забудьмо також координати джерела (географічні, на карті місцевості, на… У випадку багатоствольної труби ефективний діаметр гирла джерела розраховують за формулоюВплив параметрів пилогазоповітряної суміші
Викиду на забруднення атмосфери
На рівень концентрації речовини в досліджуваній (розрахунковій точці) простору перш за все впливають швидкість виходу суміші викиду з гирла труби… Швидкість виходу викиду задається технологічними показниками виробничого…Вплив параметрів виходу факела з отвору труби
На забруднення атмосфери
На формування рівня забруднення суттєво впливають умови виходу факела пилогазоповітряної суміші із отвору труби. Вони різні для холодного і… Коефіцієнт обліку виходу - для гарячого викиду (ΔТ > о; f < 100)Вплив рельєфу місцевості на забруднення
Атмосфери
Рельєф місцевості і тип підстилаючої поверхні, безумовно, впливають на формування рівня забруднення. Про це красномовно свідчить той факт, що… Якщо в околицях досліджуваного джерела викидів можна виділити окремо…ТЕма 7 Математичне моделювання РІВНЯ
Концентрації домішок у приземному
Шарі атмосфери
Моделі концентрації максимального рівня
Забруднення атмосфери точковим стаціонарним
Джерелом
Максимальний рівень приземної концентрації (Сгм, мг/м3) забруднюючої речовини при викиді гарячої пилогазоповітряної суміші (ΔТ > 0оС; f <… , (7.1)Модель небезпечної відстані, на якій концентрація
Досягає максимального рівня
Небезпечна відстань (Хm) – це віддаль від джерела викиду, на якій при несприятливих метеоумовах приземна концентрація домішку досягає максимального… Небезпечна відстань визначається формулоюМодель небезпечної швидкості вітру, при якій
Концентрація досягає максимального рівня
Небезпечна швидкість вітру (Uм) – це значення його швидкості на рівні флюгера (10 м над поверхнею землі), при якій на небезпечній відстані (Хм)… Для гарячих викидів (f < 100) маємоМоделі концентрації забруднюючих речовин
На довільній відстані від джерела викиду
На довільній відстані (Х≠Xм) від джерела при небезпечній швидкості вітру (Uм) приземна концентрація речовини (Сх) в атмосфері за віссю факела… Сх = Sх · См, (7.11)Графічні моделі залежності концентрації
Домішку в атмосфері від факторів впливу
Рисунок 7.6 – характер залежності концентрації (С) від маси викиду (М) при постійній висоті (Н) джерела на заданій відстані (Х) до джерела: С =…Тема 8 Моделювання якості стану
Атмосфери
Модель екологічного стану атмосфери
Оцінка екологічного стану забруднення атмосфери окремою (і) речовиною здійснюється за допомогою простого індексу (коефіцієнта) забруднення: Кі = Сі / ГДКі , (8.1)Модель фізичного стану атмосферного повітря
Оцінка фізичного стану забруднення атмосферного повітря окремою (і) речовиною виконується зведенням її до 3 – го класу небезпеки за допомогою… , (8.6)Модель гігієнічного стану приземного шару
Атмосфери населених пунктів
Оцінка небезпеки забруднення атмосфери міст для їх населення здійснюється за допомогою індексу ; і=1,N , (8.8)Математична модель ранжування стану
Атмосфери
Оцінка рівня забруднення атмосферного басейну визначається величиною зваженого агрегатного індексу ___ ; і = 1, N, (8.10)ВИСНОВКИ
Таким чином, на сьогодні інформаційно-методична база моделювання і прогнозування стану, зокрема, атмосфери, дозволяє на відносно задовільному науковому рівні виконувати дослідження рівня забруднення, стану середовища, впливу забрудненого середовища на живі організми та господарські об'єкти.
Успішне розв'язання цих задач багато в чому залежить від того, наскільки доцільно спеціаліст зможе використати багатозначний арсенал видів моделей та типів процесів моделювання. У цьому першочергову допомогу йому можуть надати базові поняття теорії систем і особливо системного аналізу, які викладені в першому розділі даного курсу.
Основні теоретичні положення моделювання стану атмосфери, викладені у другому розділі цього курсу, стануть у нагоді при дослідженні джерел забруднення повітря, моделюванні розповсюдження поля забруднення, факторів впливу на стан забруднення атмосфери і особливо будуть корисні для оцінки концентрації забруднюючих речовин у приземному шарі повітря та якості атмосферного повітря.
Важливим моментом слід вважати можливість ранжувати стан атмосфери, досліджувати її динаміку в часі і просторі за допомогою розглянутих моделей.