PROGSYS - Počítačový prognostický systém na hodnotenie vplyvu priemyselných komplexov na ovzdušie.

Andrej Mitro
Ústav rádioekológie a.s.,
Garbiarska 2, 040 61 Košice, Slovenská Republika
Tel.: 00421 95 6323537

Úvod

Rozvoj priemyslu, podobne ako aj akejkoľvek inej ľudskej činnosti ovplyvňuje životné prostredie. Proces posudzovania vplyvov činností na životné prostredie, plánovanie a riadenie životného prostredia si vyžaduje kvalitatívne a kvantitatívne zhodnotenie vplyvov týchto činností na životné prostredie. Jedným z prístupov k tomuto hodnoteniu je aplikácia prognostických počítačových modelov a informačných systémov. V súčastnosti existuje v oblasti hodnotenia vplyvov na životné prostredie a odhadov ekologických rizík veľký počet matematických modelov a metód vo veľkej miere využívajúcich počítače. Ich aplikácia závisí v značnej miere na ich prijateľnosti pre potenciálneho uživateľa z hľadiska jednoduchosti, ceny a nárokov na hardware.

V tomto príspevku je popísaný počítačový prognostický systém, ktorý sa na našom pracovisku vyvíja na hodnotenie dlhodobých vplyvov priemyselných komplexov na okolie v oblastí znečistenia ovzdušia. Tento systém je softwarovo aj hardwarovo nenáročný, je budovaný ako otvorený systém, postupne ho bude možné rozšíriť aj o hodnotenie vplyvov na ostatné zložky životného prostredia, ako napr. povrchové a podzemné vody a na hodnotenie vplyvov v reálnom čase a na hodnotenie dopadov havarijných únikov.

Popis počítačového prognostického systému PROGSYS

Základnú štruktúru systému PROGSYS prezentuje schéma:

Skladá sa z dvoch základných modulov, prognostického a prezentačného, ktoré sú realizované pomocou počítačových programov SIMMODEL a PREZMAPA a pomocných modulov databázového a monitoringu.

Jadrom je prognostický modul, v ktorom je implementovaný matematický model na priestorovú prognózu transformácie emisií znečisťujúcich látok na imisie. Pomocný databázový modul je tvorený databázou obsahujúcou potrebné údaje pre prognostický a prezentačný modul, ako aj údaje z monitoringu hodnoteného okolia. Prezentačný modul umožňuje zobraziť do digitálnej mapy okolia prognózované veličiny, ako aj vybrané veličiny z databázového modulu.

V ďalšej časti príspevku budú sú jednotlivé časti podrobnejšie popísané.

Prognostický modul

Je založený na matematickom modeli na výpočet objemových a povrchových koncentrácií znečisťujúcich látok z emisií bodových, čiarových a plošných zdrojov. Vychádza z svetovo najpoužívanejších modelov v tejto oblasti ( ATMTOX - Atmospheric Transport Model for Toxic Substances, Oak Ridge Atmospheric Turbulence and Diffusion Laboratory, ISC2 - Industrial Source Complex Dispersion Model, U.S.EPA). Aplikovaný model je Gaussovho typu. Vychádza z Gaussovho normálneho rozloženia distribúcie polutantov v atmosfére, kde v smere prúdenia prevláda transport polutantov nad difúznymi procesmi. Model je vhodný na výpočet znečistenia atmosféry plynnými emisiami, ktoré sú vypúšťané z kontinuálnych bodových a vyvýšených zdrojov. Možno ho použiť aj na výpočet transportu aerosolov a prachových častíc po zarátaní gravitačného spadu u častíc s veľkosťou nad 10 µm. Z celej rady matematických modelov používaných na tieto účely (trajektorové modely, puffovské modely atď.), najčastejšie pre roztylové štúdie na krátke a stredné vzdialenosti (do 30 km, približne rovinný terén) sa používa práve nami vybraný Gaussovský model.

Vzťah medzi emisiami a imisiami v použitom modeli je daný :

parametrami zdroja,
meteorologickými parametrami,
orografickými parametrami,

Tieto parametre budú podrobnejšie charakterizované v databázovej časti.

Programovou realizáciou matematického modelu na báze počítačov PC, je počítačový program SIMMODEL. Je napísaný v jazyku Fortran 77, a bol odladený 32-bitovým prekladačom a linkerom F77L-EM/32 firmy Lahey Computer System, s 32-bitovým extenderom Ergo OS/386. Program sme odladili aj 32-bitovým prekladačom a linkerom MS FORTRAN for POWERSTATION v.1.0 fy Microsoft, ktorý používa 32 bitový extender DOSXMSF, ale pre výpočty používame predchádzajúci systém pre jeho rýchlosť (vo výpočtoch je asi o polovicu rýchlejší).

Databázová časť

Základom tejto časti systému je databázový systém FoxPro, v ktorom boli vytvorené databázy obsahujúce potrebné údaje pre prognostický a prezentačný modul, ako aj údaje z monitoringu.

Pre prognostický modul sú potrebné:

údaje o parametroch zdrojov
K týmto parametrom patria : stavebná výška zdroja, nadmorská výška päty zdroja, súradnice zdroja vo zvolenom súradnom systéme, tepelná výdatnosť zdroja, plocha prierezu ústia zdroja, výstupná rýchlosť emitovaných polutantov, spektrum polutantov a ich emisné rýchlosti atď.
meteorologické parametre
K týmto parametrom patria : kategória stability počasia, parameter charakterizujúci stav ovzdušia. Použitý model rozlišuje 6-triedne členenie podľa Pasquilla, označené ako A, B, C, D, E, F. Jednotlivé kategórie sú charakterizované vertikálnymi teplotnými gradientami, ktoré vyjadrujú stabilitu počasia a tým aj rozptylové podmienky. Rýchlosť vetra. Použitý model, ako vstupný parameter požaduje rýchlosť vetra vo výške 10 m. Pravdepodobnosti výskytu kategórie stability počasia, pravde podobnosti súčasného výskytu smeru vetra a rýchlosti vetra pre danú kategóriu stability počasia. Tieto parametre sú potrebné pri výpočtoch dlhodobých priemerných imisných stavov, ako aj na určenie najpravdepodobnejších, ako aj najmenej pravdepodobných, ale nenulových meteorologických situácií.
orografické parametre
K týmto parametrom patria : vzdialenosti bodov výpočtu od zdroja, nadmorské výšky bodov výpočtu a drsnosť povrchu v bodoch výpočtu.

Prezentačný modul

Výsledky výpočtov z prognostického modulu sú v numerickom tvare a reprezentujú prognózované hodnoty prízemných merných koncentráci plynov a depozície tuhých úletov v zadaných bodoch výpočtu. Pre vizualizáciu týchto výsledkov bolo vypracované grafické rozhranie, pomocou ktorého je možná názorná prezentácia získaných výsledkov.

Základom je digitálna mapa hodnoteného okolia priemyselného komplexu. Je získavaná digitalizáciou základnej mapy, väčšinou mierky 1 : 50 000. Vo vektorovej forme je spracovaných niekoľko vrstiev objektov, ktoré je možné potom podľa potreby zakreslovať do digitálnej mapy. Sú to napr. vrstvy : hranice katastrov obcí, hranice zastavaného územia obcí, štátne hranice, hranice hodnoteného priemyselného komplexu, lesy, umiestnenie trvale monitorovacích plôch, rieky atď.

Program PREZMAPA, ktorý realizuje vizualizáciu digitálnej mapy na počítači bol odladený v prostredí MS FORTRAN for POWERSTATION, ktorý umožňuje využívať grafické módy SVGA až do rozlíšenia 1280 x 1024. Program využíva grafický mód s rozlíšením 1024 x 768 s možnosťou použitia 256 farieb. Toto rozlíšenie sme zvolili kvôli uľahčeniu prenositeľnosti programu, pretože väčšina 14" SVGA monitorov umožňuje tento mód zobrazovať. Vykreslené obrázky na monitore program umožňuje ukladať do súborov vo formáte BMP.

Súčasťou modulu je procedúra IZOLINE na výpočet a grafické znázornenie vybraných izolínií prízemnej koncetrácie plynných emisií alebo depozitu. Vo forme vstupného súboru sa zadajú hodnoty vypočítané programom SIMMODEL vo vrcholoch zvolenej siete a program automaticky, alebo po interaktívnom zadaní hodnôt , pre ktoré požadujeme výpočet izolínií tieto vypočíta a zobrazí. Výpočet je založený na zobecnenej Lagrandeovej interpolačnej formuli. Vykreslený obrázok je možné uložiť vo forme bitmapy (BMP) a zobrazovať ako ďaľšiu vrstvu do digitálnej mapy. Na obr.1 je výsledok modelovej štúdie rozptylu priemerných ročných prízemných koncentrácií SO2 v okolí priemyselného komplexu, obr.2 prezentuje modelovanie tuhého depozitu.

Monitoring okolia hodnoteného priemyselného komplexu

Ekologický monitoring okolia pozostáva z monitoringu SO2 na voľných priestranstvách a v lesných porastoch, z monitoringu zdravotného stavu lesného porastu a odhadu jeho poškodenia, merania tuhého depozitu, z monitoringu poľnohospodárskych pôd , plodín a ich poškodenia. Výsledky monitoringu sú ukladané do databázového modulu a slúžia k verifikácii prognostického systému a k upresneniu odhadu vplyvu hodnotených priemyselných komplexov na ich okolie. Monitoring a odhad škôd je realizovaný vlastnými pracovníkmi ústavu a tiež skupinou kvalifikovaných odborníkov z tejto oblasti.

Verifikácia prognostického systému

Veľmi dôležitou etapou pri tvorbe prognostického systému je overenie správnosti jeho predikčných schopností - verifikácia.

Prezentovaný systém sme verifikovali v rámci riešenia hospodárskej zmluvy: "Návrh ekologicky optimálneho využívania krajiny a komplexného ekologického monitorovania VSŽ".

Použili sme údaje z monitoringu prízemných koncentrácií SO2 a tuhého depozitu na vybraných trvale monitorovacích plochách. Pre tieto miesta boli z nameraných hodnôt vypočítané priemerné ročné hodnoty a ich štandardné odchýlky.

Prognózované hodnoty pre tieto meracie miesta boli vypočítané programom SIMMODEL, na základe spracovaných vstupných údajov o meteorológii a o množstvách emisií SO2 a tuhých látok zo zdrojov, ktoré sme získali z databázy o emisiách. Hodnoty priemerných ročných koncentrácií sme pre verifikáciu zvolili preto, lebo v údajov o emisiách SO2 a tuhých látok sú udávané ročné emisie bez špecifikácie sezónnosti a priemerovaním sa odstránia aj iné náhodné vplyvy.

Výsledky boli spracované matematicko-štatistickými metódami. Kvantifikáciu zhody sme overili korelačnou analýzou nameraných a vypočítaných údajov. Boli vypočítané vysoké hodnoty korelačných koeficientov r > 0.9, štatisticky významné na hladine významnosti p < 0,01. Nižšie prognózované hodnoty bolo možné očakávať, pretože pozaďové hodnoty vo výpočtoch nie sú uvažované. Pretože presnosť difúznych modelov je odhadovaná v rámci rádu, získané výsledky verifikácie možno považovať za veľmi dobré.

Záver

Použitie prezentovaného počítačového prognostického systému je najmä na :

prognózu zmeny imisnej situácie v okolí projektovanej výstavby výrobnej jednotky. Výsledky výpočtov potom môžu slúžiť na prípadnú zmenu projektu (zmena umiestnenia, výšky zdroja, množstva produkovaných emisií atď.)
na posúdenie príspevku konkrétneho zdroja emisií ku škodám, ktoré sú spôsobené znečistením okolia.
na prognózu imisných situácií v oblastiach, ktoré sú významne ohrozené znečistením. Tu sa môže stať po dopracovaní časti na hodnotenie vplyvov v reálnom čase a na hodnotenie dopadov havarijných únikov, súčasťou prognóznych signálnych systémov ochrany životného prostredia.

Literatúra:
[1] : The Atmospheric Transport Model for Toxic Substances (ATM-TOX), ORNL 1984
[2] : Industrial Source Complex Dispersion Model (ISC2), U.S.EPA, 1992