Моделирование пространственного распространения оксида азота в атмосферном воздухе городской среды Текст научной статьи по специальности «Математика»

Решетневские чтения. 2017

УДК 504.054

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОКСИДА АЗОТА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Е. Н. Бельская1*, А. В. Медведев1, Е. Д. Михов2, О. В. Тасейко1' 3

1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 3Институт вычислительных технологий СО РАН - СКТБ «Наука» Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 E-mail: [email protected]

Рассмотрены угрозы здоровью человека и экологическим системам от загрязнения атмосферного воздуха оксидами азота и основные источники их поступления в окружающую среду, представлена модель пространственного распределения оксида азота в Красноярске, приведены результаты численного моделирования.

Ключевые слова: непараметрическое моделирование, загрязнение атмосферного воздуха города, управление качеством окружающей среды.

SPATIAL DISTRIBUTION MODELING OF NITROGEN OXIDE IN URBAN TERRITORY

E. N. Bel'skaya1*, A. V. Medvedev1, E. D. Mikhov2, O. V. Taseiko1, 3

1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

3Institute of Computational Technologies SB RAS - SDTB "Nauka" 53, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation *E-mail: [email protected]

This work studies hazards of human health and ecological systems caused by air pollution in urban territory. The main sources of nitrogen oxides as one of risk factors are considered. This study presents a model of spatial distribution of nitrogen oxide in Krasnoyarsk city with using mathematical calculations.

Keywords: nonparametric modeling ,urban air pollution, environmental quality management.

Современная антропогенная нагрузка на биосферу вносит существенное нарушение в механизмы равновесия окружающей природной среды и создаёт экологические проблемы, что требует использования разносторонней и детальной информации о её состоянии. Качественный и количественный состав веществ, содержащихся в воздухе, зависит как от источников загрязнения, так и от метеорологических условий и топографических факторов [1; 2]. Целесообразно выявлять приоритетные вещества по их количеству в выбросах и вредному воздействию на людей и существующие экологические системы.

Атмосферный воздух является окислительной средой, в которой происходят химические и фотохимические превращения загрязняющих его веществ. Основной причиной фотохимических превращений в атмосферном воздухе промышленных районов является его загрязнение углеводородами нефтяного происхождения и оксидами азота, образующимися в процессе высокотемпературного горения при окислении азота воздуха молекулярным кислородом.

Антропогенные источники выбрасывают ежегодно до 20 млн т азота, в виде оксидов. Основные процессы

сгорания ископаемого топлива на ТЭЦ (до 6,5 млн т/год) и в двигателях внутреннего сгорания автомобилей (до 5,5 млн т/год) являются наиболее мощными источниками рассматриваемого вещества и причиной возникновения фотохимического смога [1]. Преобразование оксидов азота в атмосфере может сопровождаться образованием более токсичных веществ. Оксид азота действует на центральную нервную систему, диоксид азота способствует развитию астмы, нарушению лёгочной функции. Сохранение смоговой ситуации в течение длительного времени приводит к повышению заболеваемости и смертности, в первую очередь детей и пожилых людей. Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков.

В работе выполнены сценарные расчеты содержания оксида азота в атмосферном воздухе г. Красноярска. В качестве входных данных использовались время, широта, долгота, направление и скорость ветра. А в качестве обучающей выборки были взяты данные с постов наблюдения за загрязнением атмосферы Среднесибирского УГМС. Распределение их на территории города рассматривалось в работах [2; 3].

Техносферная безопасность

Пространственное распределение оксида азота в г. Красноярск 18.03.2004 - 0.00 ч и 15.01.2004 - 20.00 ч (расчетные данные)

В данных мониторинга существуют пропуски, как по значениям метеопараметров, так и по значениям концентраций вредных веществ. Случай, когда входные переменные оказываются стохастически зависимы, представляет специальный интерес, как категория новых задач идентификации. Исследуемый процесс, в пространстве «входных-выходных» переменных, протекает не только в многомерном кубе, но в некоторой его подобласти, имеющей «трубчатую» структуру (Н-процессы) [2-4].

Предложенная модель построена при помощи алгоритма ядерного сглаживания [2; 4]. Поскольку входные и выходные переменные процесса могут иметь зависимость друг от друга, для проверки наличия и степени связи выполнен расчет корреляционной матрицы. Для повышения качества моделирования на основании полученных данных становится очевидной необходимость использования не только входных, но и уже оцененных выходных данных.

В работе приведено пространственное распределение концентраций оксида азота по территории города Красноярска в разные периоды, результаты моделирования представлены на рисунке. Согласно выполненным расчетам наибольшие уровни загрязнения наблюдаются в центральном районе города и на южном берегу, что объясняется наличием транспортных потоков высокой интенсивности и действующих промышленных предприятий.

Результаты расчетов согласуются с данными натурных наблюдений. Прогноз требует небольшого времени вычислений (порядка 10 мс). Кроме определения содержания оксида азота, модель может быть использована для любых других загрязняющих веществ (с учётом трансформации в атмосферном воздухе города) [2; 3].

Моделирование пространственного распространения загрязняющих веществ в воздухе городской среды является необходимым этапом при разработке управленческих решений, регулирующих экологическую ситуацию в режиме реального времени. Предложенный подход позволяет оптимизировать

процедуру принятия решений в области управления качеством в экологических системах.

Библиографические ссылки

1. Химия загрязняющих веществ и экология : монография / В. Н. Вернигорова [и др.]. М. : Палеотип, 2005. 240 с.

2. Применение методов непараметрического моделирования в решении задач экологического мониторинга / Е. Н. Бельская [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. T. 17 (1). С. 10-18.

3. Восстановление полей загрязняющих веществ в городской среде / Е. Н. Бельская [и др.] // Решетнев-ские чтения : материалы XX Межд. науч.-практ. конф. (09-12 нояб. 2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. Ч. 2. С. 286-288.

4. Михов Е. Д. Оптимизация коэффициента размытости ядра в непараметрическом моделировании // Вестник СибГАУ. 2015. T. 16 (2). С. 338-342.

References

1. Chimiya zagriazniayshih veshestv i ecologia [Chemistry of pollutants and ecology] / V. N. Vernig-orova [et al.]. M. : Paleotip Publ., 2005. 240 p.

2. [Application of non-parametric modelling in solving problems of environmental monitoring] / E. N. Bel'skaya [et al.]. Vestnik SibSAU, 2016. Vol. 17, No. 1. P. 10-18. (In Russ.)

3. Vosstanovlenie polei zagriazniayshih veshestv v gorodskoi srede [Reconstruction of air pollution fields in urban territory] / E. N. Bel'skaya [et al.]. Reshetnevsky readings : materials XX of the International scientific and practical conference. Krasnoyarsk : Sib. the state. space university, 2016. P. 2. P. 286-287.

4. Mikhov E. D. [Optimization of coefficient of blurring of a kernel in nonparametric modeling] Vestnik SibGAU, 2015. Vol. 16, No. 2. P. 338-342. (In Russ.)

© Бельская Е. Н., Медведев А. В., Михов Е. Д., Тасейко О. В., 2017