Разработка программного обеспечения системы экологического мониторинга воздушной среды промышленные зоны города Тараз.

 

Авторы:

д.т.н., Тлебаев М.Б.

 магистрант Керимбетова Н.

 

Локальные загрязнения в результате выбросов промпредприятий во многих городах Казахстана давно превзошли предельно допустимые санитарные нормы. Важной задачей науки в настоящее время является прогноз изменения экологических систем под влиянием естественных и антропогенных факторов. Исходным моментом для этого является исследование процесса загрязнения окружающей среды выбросами отходов промпредприятий. В нашем случае предприятиями промышленной зоны г. Тараз.

 

Экологическое же состояние г. Тараз остается неудовлетворительным в Республике Казахстан. Это обусловлено высокой концентрацией фосфорных и энергетических предприятий и   увеличивающимся количеством автотранспорта при его плохом техническом состоянии. Несмотря на спад промышленного производства с 2000 по настоящее время, заметного снижения загрязнения атмосферы не наблюдалось и  экологическая обстановка как в городе так и в области остается крайне напряженной. Около 15% территории области расположено в зоне с неблагоприятной экологической обстановкой 5% территории приходятся на низовья бассейнов рек Шу, Таласа, Асы (основная естественная кормовая база животноводства области) и территорию экологической ситуации с последующим учетом изменений в процессе расчетов.

С целью оценки экологической обстановки в заданном районе, а также прогнозирования экологической ситуации,  в данной работе  выбраны два режима программного обеспечения: реального времени и статический. В зависимости от заданных начальных условий (температуры воздуха, атмосферного давления, состава загрязняющей субстанции, направления ветра, времени суток и т.д.) программное обеспечение отображает изменения в составе атмосферы с помощью точек и линий различной концентрации и цвета.

Атмосферный воздух является одним из главных и наиболее значительных компонентов окружающей среды, состояние которого существенно влияет на здоровье людей. Основными источниками загрязнения  атмосферного воздуха являются выбросы промпредприятий и автотранспорта [1].

Наиболее распространенными вредными компонентами из выбросов являются: фосфорный ангидрид, фтор, органическая пыль, зола, окись углерода, окислы азота и сернистый ангидрид. Количественные  показатели выбросов по отдельным компонентам (окислы азота, углеводород, фтористый водород) в 2010 году возросли по сравнению с 2008 г. Это объясняется эксплуатацией устаревшего оборудования и технологий, сжиганием неэкологического топлива, децентрализацией отопления, а также снижением контроля за выбросами [2].

Острота проблемы комплексного решения экологических задач города и области заключается в отсутствии единой комплексной системы наблюдения, одним из основополагающих принципов которой является взаимосвязанная сеть наблюдений, контроля, сбора и обработки информации для анализа, оценки и прогнозирования состояния окружающей природной среды.

К числу источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду относятся и автомобильный транспорт. На его долю в отдельных городах страны приходится 60-80% общего выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

К примеру  выбросы автотранспорта  в течение года по г. Таразу  составляет бензина - 145,66; дизтоплива - 120,43; нефтяного топлива - 6,56; сжатого газа - 23,34 тыс.т. Их суммарные выбросы составили 30,7%, в том числе по оксиду углерода- 91,5, оксиду- 16,3, углеводородам- 93,7.

Существует много проблем строгого описания экологических систем, из которых выделим три наиболее актуальных и при построении математических моделей и при прогностической оценке стадий развития этих сложных (возможно самых сложных природе) систем:

- проблема информационного обеспечения: сокращение рутинных процедур ввода и преобразования информации к виду, удобному для интерпретации в терминах биологической и физической природы явлений;

- проблема оптимизации потоков информации: создание диалоговой системы обмена информацией на базе телекоммуникационных и компьютерных сетей, удобной для инженера-эколога, а не для программиста;

-  проблема диагностики и прогностической оценки развития экосистем во взаимосвязи с внешними силами и потенциалами (интегрально-дифференициальными воздействиями природно-техногенного происхождения).

     Для проведении исследований процесса загрязнения окружающей среды математическое моделирование подходит как нельзя лучше, так как очень многие процессы, происходящие в атмосфере с различного рода субстанциями, нельзя смоделировать на физических моделях или создание такого вида моделей сопряжено со значительными временными и финансовыми затратами. Хотя математическое моделирование атмосферы Земли относится к наиболее сложным проблемам математической физики, но во многих случаях оказывается возможным свести эту задачу к последовательному решению более простых задач, эффективно решаемых при помощи компьютера.

     В данной  работе предпринята попытка решить проблему интерактивного слежения (мониторинга)  за состоянием атмосферы заданного района (в нашем случае промзоны  г. Тараз) путем отображения процессов переноса и диффузии загрязняющих веществ в атмосфере и оседания их на поверхность Земли. Причем полученные результаты отображены в наглядной форме (на карте с помощью изолиний), а также в виде графиков и таблиц. Точек выброса может быть несколько и предусмотрен режим добавления или удаления точек выброса в процессе прогнозирования

     Для реализации данного проекта мною был выбран пакет Microsoft Visual C++,  в который входит среда визуального программирования и 32-разрядный компилятор языка С/С++ со встроенной поддержкой библиотеки Microsoft Foundation Classes (MFC).[2]

     Разработанная программное обеспечение создания экологических экспресс-карт позволяет рассчитать и проанализировать экологическую обстановку в регионе, а также создавать прогнозы развития экологической ситуации.

    В основу функционирования программы положена математическая модель, описанная в предыдущих работах авторов [3]. Количество источников выброса не ограничивается, равно как и размеры территории, для которой производятся расчеты, однако следует помнить, что чем больше источников загрязнения мы будем вводить, и чем больше размер карты территории, то тем больше требования к ресурсам системы, на которой установлена данное программное обеспечение.

     Программное обеспечение предназначена для работы в среде Windows, с установленной библиотекой MFC версии не ниже 4.2.

     Система реализована в виде одного исполняемого модуля «kards.exe» (рис.1). Он может запускаться из любого каталога на жестком диске, в настройке каких-либо дополнительных параметров программа не нуждается, так как все нужные записи в реестр операционной системы производятся автоматически при первом запуске программы.

 


Рис. 1 - Внешний вид программы «Экспресс-карты».

 


     Для работы программного обеспечения пользователю необходимо имя файла, содержащего изображение территории, для которой производится моделирование. Файл должен быть представлен в формате «*.bmp», желательно с глубиной изображения в 256 цветов. Следует еще раз напомнить, что чем больше размер территории, для которой мы хотим произвести моделирование, то тем больше должен быть размер самой карты этой территории для более детального отображения отдельных участков территории, и соответственно, тем большим должен быть объем оперативной памяти, установленной на компьютере. В нашем случае для отображения карты г.Тараз использовался файл «Taraz.bmp», размером около 8 Мб, в котором хранится изображение карты г.Тараз размером 3000х3000 пикселей при глубине цвета 8 бит.

     Система реализована в виде одного исполняемого модуля «kards.exe». Он может запускаться из любого каталога на жестком диске, в настройке каких-либо дополнительных параметров программа не нуждается, так как все нужные записи в реестр операционной системы производятся автоматически при первом запуске программы (рис.2).

Для отображения карты местности, нам было необходимо применить карту, созданную в программе ARCGIS. Для отображения местности с расширением .shp. После того как карта была создана, она была внедрена в программный продукт в котором производились

программные операции.


 Рис. 2 -  Диалог открытия файла с изображением карты

 


     Параметры территории, для которой производится моделирование (рис.3).

1. Условное наименование территории (необязательно).

2. Реальные размеры территории в м.

3. Среднегодовая роза ветров в м/с.

 


  Рис. 3 - Диалог настройки параметров карты.

 


4.Среднегодовая температура воздуха в 0С.

5. Высота территории над уровнем моря в м.

Для ввода в программу нового источника загрязнения необходимы следующие данные:

1. Условное наименование источника (необязательно).

2. Высота источника в м.

3. Диаметр устья трубы в м.

4. Выбрасываемая субстанция (выбирается из списка, при необходимости можно добавить новые субстанции).

5. Температура окружающего воздуха в 0С.

6. Температура выбрасываемых газов в 0С.

7. Продолжительность выброса в часах.

Вывод результатов расчета производится в виде областей, ориентированных по направлениям ветра, и заштрихованных красным цветом там, где ПДК превышает норму от 300% и выше, и желтым цветом там, где ПДК превышает норму от 100% до 300%. Такая форма представления результатов является самой удобной для анализа и прогнозирования экологической ситуации, так как на экране монитора сразу же отображается возможная область загрязнения, привязанная к карте территории (рис.4).

В такой форме отображения даже неспециалист увидит, какому воздействию загрязняющих веществ будут подвержены конкретные участки территории.

После запуска модуля «kards.exe» выводится главное окно программы, разделенное на две области: область отображения карты и область отображения точек выброса на территории.

Нажав кнопку «Открыть» или выбрав в меню «Файл-Открыть», мы попадаем в диалог выбора файла с изображением территории. Выбрав нужный нам файл, щелкаем «Открыть» в диалоговом окне.

Если файл изображения не поврежден и действительно содержит в себе изображение,

то карта выводится в область отображения карты, которая дополнительно делиться на 100 подобластей тонкими черными линиями.

Далее нужно задать параметры территории. Нажимаем кнопку «Карта» или выбираем в меню «Параметры-Карта». Выводится диалоговое окно «Настройка карты». В нем мы должны задать название территории, которое будет отображаться в области отображения

точек выброса, размеры территории в м, среднегодовую температуру воздуха, высоту над уровнем моря, и среднегодовую розу ветров. После нажатия кнопки «ОК» в диалоге «Настройка карты» название территории и ее размеры по вертикали и горизонтали.

 

 

 отображаются в корневом пункте дерева объектов территории. Настройка параметров территории закончена.

Для добавления новой точки выброса нужно нажать кнопку «Труба» или выбрать в меню «Параметры-Труба». Затем наведя курсор мыши на нужное место на карте, щелкнуть два раза левой кнопкой мыши. Выведется диалог «Настройка параметров трубы». Здесь мы должны ввести название точки выброса, высоту дымовой трубы, диаметр ее устья, выбрать выбрасываемый газ, ввести температуру окружающего воздуха, температуру выбрасываемых газов. Затем, если роза ветров в точке выброса отличается от заданной нами в диалоге «Настройка карты», то мы должны изменить значения скорости ветра в нужных направлениях. После нажатия кнопки «ОК» новый пункт с названием точки выброса добавиться в дерево объектов территории, выполнится расчет области загрязнения и готовые результаты выведутся на карту в виде заштрихованной двумя цветами (желтым и красным) области.

При необходимости можно увеличить любой участок территории. Для этого при


открытии карты область просмотра разделяется на 100 подобластей. Для увеличения любой из этих подобластей нужно нажать кнопку «Увеличить участок» или выбрать в меню «Вид-Увеличить». Затем, наведя курсор мыши на нужный участок карты, дважды щелкнуть на нем левой кнопкой. Нужный участок карты увеличиться, линии, разделяющие карту на подобласти, сотрутся, кнопка «Увеличить участок» и пункт меню «Вид-Увеличить» станут недоступны. Если на этом участке существует какая-либо точка выброса, то она также отобразиться и при увеличении масштаба изображения также в увеличенном виде.

Рис. 4 - Главное окно программы с тремя точками выброса.

 

     Для того, чтобы вернуться к отображению всей карты, нужно нажать кнопку «Вся карта» или выбрать пункт меню «Вид-Вся карта». Карта отобразиться полностью, кнопка «Увеличить участок» и пункт «Увеличить» станут снова доступны, а кнопка «Вся карта» и пункт «Вся карта» соответственно недоступны.

Дерево объектов программы служит для отображения следующих данных: названия территории и размеров ее по вертикали и горизонтали, а также для вывода условных наименований точек выброса и выбрасываемых ими газов. Если дважды щелкнуть на каком-либо пункте дерева, то название точки выброса отобразиться на карте в месте нахождения этой точки.

Для удаления точки выброса нужно выбрать ее в дереве объектов и нажать клавишу «Delete». При этом удалиться пункт из дерева объектов области отображения объектов, и область выброса на карте также не будет отображаться.

Для выхода из программы нужно выбрать пункт меню «Файл-Выход» или нажать клавиши «Alt+F4». При этом все настройки, сделанные нами, добавленные точки выброса сохраняются в специальном файле автоматически, чтобы при следующем открытии этой карты нам не нужно было заново вводить параметры территории, добавлять уже известные точки и т.д.

В ходе решения проблемы создания математической модели распространения и диффузии веществ в атмосфере было создано несколько небольших, как бы промежуточных моделей, например модель распространения веществ в зависимости от направления и скорости ветра, модель масштабирования и преобразования физических величин в логические, модель построения области распространения вещества в приземном слое атмосферы. Все эти модели были отдельными маленькими задачами, составными частями одной большой задачи.

 

Литература:

 

1.    Д.Уайт, К.Скрайбнер, Ю.Олафсен «Visual C++  и MFC». 2010г.

2.    Б.Страуструп «Язык программирования C++».  2008г.

3.    Бишимбаев В.К., Тлебаев  М.Б.  Разработка модели взаимосвязи и охраны атмо­сферы от загрязнения (на примере производства фосфора).  Респуб. науч. журнал Наука и образование Южного Казахстана № 6(13) 1998г.