CC BY
19УДК 504.054
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ ГОРОДА С УЧЁТОМ ПЛОТНОСТИ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ*
Е. Н. Бельская1, а, 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 аБ-шай: [email protected]
Представлена модель содержания примесей вредных веществ в атмосферном воздухе города Красноярска с учётом плотности городской застройки, приведены результаты численного моделирования.
Ключевые слова: непараметрическое моделирование, загрязнение атмосферного воздуха города, управление качеством окружающей среды, плотность городской застройки.
SPATIAL DISTRIBUTION MODELING IMPURITY OF HARMFUL SUBSTANCES IN URBAN TERRITORY, TAKING INTO ACCOUNT DENSITY OF URBAN DEVELOPMENT
Б. N. Bel'skaya1, а, A. V. Medvedev1, Б. 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" 52, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation ^E-mail: [email protected]
The model of spatial distribution of harmful substances in urban territory, taking into account density of urban development, with using mathematical calculations.
Keywords: nonparametric modeling, urban air pollution, environmental quality management, density of urban development.
Высокий уровень техногенной нагрузки и ухудшение экологической ситуации в городе Красноярск выдвинули в число приоритетных направлений оценку экологического состояния этой территории. В городской среде источники загрязнения атмосферы многообразны, а состав выбросов отличается много-компонентностью. На экологическое состояние города основное влияние оказывают промышленные предприятия и интенсивный транспортный поток [1]. Процесс выявления и картографирования экологических проблем и ситуаций, возникающих в результате воздействия вредных факторов на окружающую среду, взаимосвязан и неделим. Моделирование пространственного распространения загрязняющих веществ
в воздухе городской среды является необходимым этапом при разработке управленческих решений в области управления качеством экологических систем.
В работах [1-5] выполнены сценарные расчеты содержания оксида азота, формальдегида и оксида углерода в атмосферном воздухе г. Красноярска. В качестве входных данных использовались время, широта, долгота, направление и скорость ветра, в качестве обучающей выборки были взяты данные со стационарных постов наблюдения за загрязнением атмосферы Среднесибирского УГМС. Распределение их на территории города рассматривалось в работах [2; 4].
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта: «Методы и информационные технологии оценки рисков развития социально-природно-техногенных систем промышленного региона».
Решетневские чтения. 2018
Рис. 1. Пространственное распределение диоксида азота без учета плотности застройки 10.02.2014
Рис. 2. Пространственное распределение диоксида азота с учетом плотности застройки 10.02.2014
Рис. 3. Пространственное распределение формальдегида без учета плотности застройки 05.08.2014
Рис. 4. Пространственное распределение формальдегида с учетом плотности застройки 05.08.2014
Для моделирования содержания примесей в атмосферном воздухе города использован непараметрический метод ядерной аппроксимации, для работы которого не требуется предварительный подбор параметрической структуры процесса.
Предложенная в работе модель дополнительно учитывает плотность застройки города, для определения которой использовались спутниковые снимки и алгоритм выделения граней. На рис. 1-4 представлены результаты моделирования по диоксиду азота и формальдегиду.
На рис. 1 и 2 тёмным цветом отображена область с наибольшей концентрацией диоксида азота Сш2 > 0,053 мг/м3, серым цветом - область с концентрацией С^02 > 0,046 мг/м3, предельно допустимая среднесуточная концентрация по диоксиду азота составляет Спдксс = 0,04мг/м3, максимально разовая Спдкмр = 0,2 мг/м3.
На рис. 3 и 4 темным цветом отображена область с концентрацией формальдегида Сформ > 0,062 мг/м3, серым цветом - область с концентрацией Сформ > 0,052 мг/м3, предельно допустимая среднесуточная концентрация по формальдегиду составляет Спдксс = 0,01 мг/м3, максимально разовая Спдкмр = 0,05 мг/м3.
Для оценки точности модели использовался метод скользящего экзамена, при котором последовательно каждая г-я точка исходной обучающей выборки принимается в качестве контрольной ситуации с последующим исключением её из процесса обучения и по оставшейся части строится дерево, с помощью которого и осуществляется прогнозирование.
По результатам проверки вышеописанным методом использование параметра плотности застройки улучшило качество построенной модели на 10-15 %. Далее авторами планируется усовершенствование модели с помощью учёта данных с семи дополни-
тельных автоматизированных постов региональной наблюдательной сети мониторинга загрязнения атмосферного воздуха КГБУ «Центра реализации мероприятий по природопользованию и охране окружающей среды Красноярского края».
Очевидна необходимость дальнейшего развития данного направления, что будет способствовать сокращению времени на принятие управленческих решений в области управления качеством экологических систем и, как следствие, сокращению уровня загрязнения атмосферного воздуха в городе.
Библиографические ссылки
1. Моделирование пространственного распространения оксида азота в атмосферном воздухе городской среды / Е. Н. Бельская [и др.] // Решетневские чтения : материалы XXI Межд. науч.-практ. конф. (08-11 нояб. 2017, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. ун-т науки и технологий. Красноярск, 2017. Ч. 2. С. 96-97.
2. Применение методов непараметрического моделирования в решении задач экологического мониторинга / Е. Н. Бельская [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17 (1). С. 10-18.
3. Восстановление полей загрязняющих веществ в городской среде / Е. Н. Бельская [и др.] // Решетневские 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. Оценка экологической ситуации с применением методов непараметрического моделирования / Е. Н. Бельская [и др.] // Экология и промышленность России. 2017. Т. 8. С. 54-58.
5. Оценка экологического состояния городской среды на основе ядерной аппроксимации / Е. Н. Бель-
ская [и др.] // Безопасность в техносфере. 2017. Т. 6 (4). С. 13-20.
References
1. Modelirovanie prostranstvennogo rasprostranenia oksida azota v atmosfernom vozduche gorodskoi sredi [Spatial distribution modeling of nitrogen oxidein urban territory] / E. N. Bel'skaya [et al.]. Reshetnevsky readings: materials XXI of the International scientific and practical conference. Krasnoyarsk: Siberian state university of science and technologies, 2017. P. 2. P. 96-97.
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. [Environmental assessment using by non-parametric modeling] / E. N. Bel'skaya [et al.]. Ecology and industry of Russia. 2017. T. 8. P. 54-58 (In Russ.).
5. Urban environmental assessment with using nuclear approximation] / E. N. Bel'skaya [et al.]. Safety in a technosphere. 2017. Vol. 6, No. 4. P. 13-20. (In Russ.)
© Бельская Е. Н., Медведев А. В., Михов Е. Д., Тасейко О. В., 2018
