Ученые Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск) занимаются разработкой комплекса «Экомонитор», который позволит отслеживать распространение загрязняющих веществ и снизить их концентрацию на территории промышленных предприятий или экологически неблагополучных городов. Это инновационное решение предоставляет возможность смоделировать различные сценарии загрязнения по прогнозу погоды и предложить соответствующие эффективные меры
Мониторинг состояния воздушной среды осуществляется при помощи наблюдательных средств и методов расчета. Проблема загрязнения атмосферы градообразующими предприятиями остается актуальной. В этой связи практикуются различные способы оценки и прогнозирования уровня загрязнения атмосферы. Например, при разработке математических моделей распределения примесей в атмосфере специалисты опираются на известные методики, но стремясь их модифицировать, чтобы точнее выявлять зоны повышенных концентраций загрязнений и рекомендовать надежные мероприятия по уменьшению их уровня.
Так, предлагаемая отечественными специалистами усовершенствованная система контроля загрязнения атмосферного воздуха направлена на формирование оперативных решений предотвращения роста концентрации без последствий для окружающей среды. Сотрудники Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск) в рамках проекта «Экомонитор» разрабатывают математические модели, которые смогут визуализировать текущую обстановку по уровню загрязнения, осуществить анализ данных по выбросам и даже спрогнозировать концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере.
Сергей Михайлович Елсаков – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная математика и программирование» Южно-Уральского государственного университета – рассказал, в чем принцип работы и новизна авторской разработки комплекса «Экомонитор» и каковы его потенциальные возможности.
Проект экологического мониторинга «Экомонитор» был инициирован в 2019 году ректором Южно-Уральского государственного университета д.т.н., профессором Александром Леонидовичем Шестаковым, а возглавлен к.э.н. Дмитрием Александровичем Дрозиным.
Для исследования была сформирована междисциплинарная команда из сотрудников ЮУрГУ, что позволило применить самые современные технологии для решения задач экологического мониторинга.
Ученые планируют провести полевые испытания и сравнить результаты моделей с экспериментом совместно с партнерами проекта – ООО «Эмерсон» и ООО «Завод ТЕХНО». Кроме того, ожидается запуск лаборатории совместно с ООО «Метран» для автоматизированного сбора измерений для построения высокоточных моделей распространения загрязняющих веществ в атмосфере. В этом году состоится поставка программного комплекса промышленному заказчику.
Сергей Елсаков пояснил, чем вызвана потребность в разработке таких новых моделей контроля загрязнения воздуха:
«Сейчас большое внимание уделяется проблемам экологии в России и за рубежом. В России действует национальный проект «Экология», направленный на улучшение экологической ситуации. Для управления качеством атмосферного воздуха необходимы модели, которые могли бы прогнозировать концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере муниципалитета или предприятия. Существующие модели не соответствуют одновременно трем требованиям: высокая точность моделирования распространения загрязняющих веществ, высокая скорость расчетов и возможность адаптации к локальным особенностям источника выбросов. Разрабатываемые нами модели соответствуют современным требованиям».
Использование комплекса экологического мониторинга «Экомонитор» в регионах позволит, по словам ученого, «оперативно выявить области повышенной загрязненности, определить зарегистрированные источники выбросов, влияющие на эти области и сформировать взвешенные решения для снижения экологических рисков как для населения, так и для предприятий».
Основной целью проекта «Экомонитор», как подчеркнул Сергей Елсаков, является «разработка системы моделирования распространения загрязнения в атмосфере от большого количества источников загрязнения в реальном режиме времени с учетом фактических выбросов из источников. С помощью системы моделирования появляется возможность прогнозирования экологической ситуации, а также управления экологическими рисками, возникающими как у предприятий, так и у муниципалитетов».
Общий вид программного комплекса "Экомонитор"
Что на данном этапе разработки уже вошло в комплекс экологического мониторинга «Экомонитор»?
«К настоящему моменту разработан программный комплекс, который состоит из нескольких независимых модулей. Модуль сбора и хранения информации позволяет накапливать поступающую информацию с метеостанций, различных датчиков, расходомеров. Вся собранная информация может использоваться другими компонентами программного комплекса. Модуль расчета позволяет рассчитывать концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере в режиме реального времени, учитывая всю имеющуюся информацию. Модуль визуализации позволяет просматривать рассчитанные карты концентрации загрязняющих веществ в атмосфере. Модуль построения отчетов позволяет формировать электронные и бумажные отчеты о состоянии атмосферы на заданной территории и в контрольных точках за указанный период мониторинга. Модуль прогнозирования позволяет моделировать различные сценарии нагрузки источников выбросов с учетом прогноза погоды. Модуль идентификации параметров модели позволяет на основе собранной информации подстраивать модель под конкретный источник выбросов для повышения точности моделирования. Также есть несколько модулей, которые пока находятся на стадии разработки», – уточнил уральский исследователь.
Сейчас специалисты Южно-Уральского государственного университета работают над созданием математической модели распространения загрязняющих веществ в воздухе и представили модель рассеивания SUSUPLUME.
«Мы разрабатываем новые модели распространения загрязнения в атмосферном воздухе, которые отличаются от существующих моделей тем, что, во-первых, наши модели ориентированы на моделирование очень большого количества источников загрязнения. Очень часто на предприятиях или в населенных пунктах есть необходимость учитывать выбросы от нескольких тысяч источников, а каждый источник, как правило, выбрасывает десятки различных загрязняющих веществ. Получается, что для учета загрязнения от всех источников необходимы модели, которые могут быть рассчитаны за разумное время. Построенные модели позволяют эффективно использовать вычислительные ресурсы для моделирования распространения загрязнения в атмосфере для тысяч источников в режиме реального времени.
Второе отличие разрабатываемых моделей заключается в том, что эти модели могут быть настроены для конкретного источника выбросов, окружающей застройки. Это позволяет с более высокой точностью моделировать распространение загрязнения в атмосфере от этого источника в режиме реального времени.
В основе модели рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере SUSUPLUME лежит широко известная гауссова модель распространения примеси в атмосфере. Этот класс моделей был выбран как наиболее адекватный цели проекта «Экомонитор» – расчет концентрации загрязняющих веществ в режиме реального времени. Другие классы моделей позволяют получать более высокую точность, но при этом требуют на несколько порядков больше вычислительных ресурсов, что не позволяет их использовать в режиме реального времени. В классе гауссовых моделей модель SUSUPLUME отличается от других моделей тем, что учитывает дополнительные параметры, значимо влияющие на расчет концентрации загрязняющих веществ – молярную массу загрязняющего вещества, температуру, условия истечения загрязняющих веществ из источника загрязнения. При этом алгоритм расчета концентрации загрязняющих веществ по модели SUSUPLUME выполняется примерно в 100 раз быстрее, чем по другим гауссовым моделям», – Сергей Елсаков подробно раскрыл, какой заложен алгоритм и в чем принципиальное отличие авторской модифицированной математической модели от существующих.
Пример рассчитанного поля концентраций загрязняющего вещества для трех источников.
Как модель адаптирована к реальным условиям? Каковы результаты? (согласованность численных расчетов с практикой)?
«При апробации надо учитывать, что модель SUSUPLUME можно адаптировать под локальные особенности источника выбросов. Типичный процесс её использования выглядит следующим образом. Сначала разворачивается комплекс мониторинга, который собирает и моделирует информацию с установленных датчиков. Спустя некоторое время проводится уточнение параметров модели на основе собранных данных. Это позволяет адаптироваться модели к колебаниям технологического процесса, учитывать локальные особенности источника выбросов.
Результаты расчетов модели SUSUPLUME сравнивались с реальными измерениями совместно с партнерами проекта Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Челябинской области (Росприроднадзор). Результаты этого сравнения оказались типичными для гауссовых моделей. Также планируется сравнение с реальными данными на других площадках с партнерами проекта: производственная компания автоматизированных систем и средств измерений ООО Эмерсон, завод по производству утеплительных материалов ООО "Завод ТЕХНО". Надеемся, что результаты этих сравнений позволят увеличить точность модели SUSPLUME», – отметил ученый.
Какой следующий шаг? Как будете развивать эту модель или какие очередные модели планируете рассмотреть для реализации проекта комплекса управления экологическими рисками «Экомонитор»?
«В ближайшем будущем мы планируем завершить разработку модели распространения загрязняющих веществ в атмосфере с учетом застройки, которая базируется на уравнениях Навье-Стокса. Также в завершающей стадии находится модуль расчета максимальных разовых концентраций в соответствии с методикой МРР-2017, который позволит выполнять статичную оценку загрязнённости территории, а также проводить сводные расчеты по территориям», – Сергей Елсаков обозначил задачи, стоящие в дальнейшем перед командой ЮУрГУ.
Итак, разрабатываемый уральскими учеными комплекс «Экомонитор», учитывающий погодные условия и тип выбрасываемого вещества, загрязняющего городскую атмосферу – это инструмент, позволяющий взвешенно принимать решение на основе объективных данных.
Все фотографии и иллюстрации предоставил С. Елсаков
Фото превью avtg
