ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

Механика-математика факультеті

“ Келісілді ”	“ Бекітілді ”
Ақпараттық жүйелер кафедрасы меңгерушісінің міндетін атқарушы	Механика-математика факультетінің деканы
___________________ Тукеев У.А.	____________________ Бектемесов М.А.
«_______”____________2016 ж.	“_______”____________2016 ж.

2 Курс магистрантының

2016-2017 Оқу жылының күзгі семестрі бойынша ғылыми-зерттеу жұмысының есебі

Магистранттың ТАЖ	Дуйсембаева Лаура Серікқызы
Мамандығы	6M070300 - Ақпараттық жүйелер
Магистратураның білімдік бағдарламасы (мамандандыру)	6M070301 - Ақпараттық жүйелер «Технологиялық процестерді автоматтандыру және басқару» білім беру бағдарламасы
Кафедра	Ақпараттық жүйелер
Магистратурада оқу кезеңі	01.09.2015-12.02.2017
Ғылыми кеңесшісі	к.ф-м.н. доцент Дүйсебекова К.С.
Эдвайзер	ф. – м.ғ.к., доцент Азанов Н. П.
Магистрлік диссертациясының тақырыбы	Өндіріс қалдықтарының ауаға таралуын зерттеудің автоматтандырылған жүйесін құру
Диссертацияны қорғауға ұсыну кезеңі	30.01.2017-11.02.2017

2016 – 2017 жж.

І. Ғылыми-зерттеу жұмысы

( ИУП –ға сәйкес ғылыми зерттеулердің негізгі себебі)

1. Тақырыптың анықтамасы

2. Алдыңғы зерттеулер шолу:

Университеті ақпараттық қауіпсіздік ИТ- инфрақұрылымы, кәсіпорын ақпараттық қауіпсіздік саясаты.

3. Осы материалды талдау, яғни жиналған материалдың қатынасы анықтау

Диссертациясының тақырыбы: Өндіріс қалдықтарының ауаға таралуын зерттеудің автоматтандырылған жүйесін құру.

Ғылыми-зерттеу нысан: Алматы қаласының әуе қабаты.

Зерттеу тақырыбының өзектілігі: Соңғы жылдары қалалық индустриялды құрылыс арасындағы атмосфераның ластану тасымалының үш өлшемді модельдеуі актуалды мәселелердің бірі. Бұл есептеуіш техниканың заманауи даму деңгейі мұндай мәселелерді тек қана теорияда шешпей, тәжірибелік жүзінде де шеше алуымен байланысты. Мұндай модельдерді жасап шығару радиациялық қатер мен радиациялық жағдайға сәйкес бағамен болжауға, сонымен қатар, мегаполис жағдайындағы радиациялық және улы заттардың атмосферадағы тасымалын бағалауға мүмкіндік береді.

Жұмыстың мақсат: Қоспалардың диффузиясының және тасымалының үшөлшемді моделінің жеңілдетілген нұсқасын жасау. Ластаушы заттардын шоғырлануын және атмосфера ластауының комплексті көрсеткішті есептейтін акпараттық жүйені құру және модельдеу.

Зерттеу әдістері: Алматы қаласының әуе қабатын негізгі ластау заттарымен ластауы туралы мәлімет жию.

Дисперсияны және радионуклейдтердің құлауын бағалауға атмосфералық тасымал моделін (гауссты, лагранжты, эйлерлі) ғимараттар нығыздалып салынған аймақта қолдануға келмейді, себебі бөгетті (ғимараттар, құрылыстар) орағып өту кезіндегі аэродинамикалық эффекттерді сипаттамайды. Радиациялық жағдайды бағалаудың дұрыс тәсілдерінің бірі күрделі геометриялық өндіріс аймақтарында қатты беттерде турбуленттік (CFD-кодтары) моделін қолданумен, үш ӛлшемді Навье-Стокса теңдеулер негізінде ауа ағымын модельдеу болып табылады. Есептелген жел аймағында қоспалар тасымалының есебі үш өлшемді турбуленттік алмасу коэффицентімен, диффузия-адвекция теңдеуі арқылы шығарылады [1].

Жалпы экологиялық жағдайдың нашарлауы мен оны дұрыс болжау, соған қоса жедел түрде ластану зардаптарынан арылу үшін дұрыс шешім қабылдау арнайы болып жатқан құбылыстарды көрсететін математикалық модельдерді жасап шығаруды талап етеді. Бұндай модель арқылы алынған мәліметтер ластаушы заттардың тасталуының шекті мәндерін және ластаушы заттардың судағы және жердегі концентрациясын анықтауға мүмкіндік береді. Соңғы кездері антропогенді көздер арқылы қоршаған ортаның ластану процесстерін математикалық модельдеуге ғылыми-практикалық қызығушылық арта түсуде. Ластану деңгейін болжауды сәтті түрде шығару қоспалар тасымалының физикалық ерекшеліктерін, қоспалар арасындағы концентрациясын және орта параметрін, яғни судың жылдамдығы мен ағу бағытын ( егер қоспалар су ортасында тасымалданатын болса), жердің ерекшеліктерін (егер қоспалар су ортасында тасымалданатын болса) ескеретін математикалық модельдерді қолдануда негізделген. Ластаушы заттар тасымалының көптеген мәселелері қоспалар тасымалы (диффузия және конвекция) теңдеуіне түйістірілуі мүмкін.

Атмосфералық диффузия теориясы бойынша жұмыстар атмосфералық қоспадағы турбуленттік диффузия негізінің интегралдауы негізіне негізделген, олар Совет Одағында едәуір дамыған. Мұнда бұл жұмыстардың ауаның ластануын болжау тәсілдерін қолданудағы негізгі бӛлімдері (Берлянд, 1972, 1975, 1982, 1983) көрсетіледі.

Атмосфераның жер қабатындағы турбуленттік диффузияның көптік сипаттамасын, биіктік функциясы ретінде жел жылдамдығының аналитикалық көрсеткіштерін, жер қабатының стратификациялық теңсіздігі кезінде анықтау,

күрделі мәселелердің бірі болып табылады. Бұл мәселені шешуде көптеген көрнекті математиктер, гидродинамиктер және метеорологтар жұмыс жасаған.

Турбуленттік диффузияның екінші ерекшелігі жүзгіннің концентрация тепе-теңдігін сақтайтын рөлінен тұнбаның пайда болуына әсер ететін механизм рөліне ауысады.

Атмосфералық диффузияны сипаттау кезінде адвекция және диффузия процессі турбуленттік диффузияның бір процессі ретінде қарастырылады. Сулы орта үшін, сулы массалардың орын ауыстыруының басқа күштері арқасында, мысалы, өзен ағысы осы екі заттардың тасымалын бөлек қарастырған ыңғайлы. Сонымен қатар, мұхиттық орта үшін адвекция және диффузия мәселелерін математикалық түрде тұжырымдағанда турбулентті диффузия шеңберінде ескеріледі [4].

Қазіргі заманда атмосфераның өнеркәсіптік шығарындыларымен ластануын бағалау және зиянды заттардың атмосферада таралуын анықтау барысында, негізінен түрлі ақпараттық-аналитикалық бағдарламалық кешендерде жүзеге асырылған арнайы компьютерлік бағдарламалар қолданылады.

Ағын ядросында қозғалыс турбулентті дамыған болып табылады. Турбулентті шекаралық қабатта турбулентті қозғалыстың ламинарлы қозғалысқа айналуы жүреді. Тұтқыр қабатта үйкеліс күшінің арқасында қозғалыс ламинарлыға жақындап, молекулярлық диффузияның мәні өсе келеді. Бірақ тұтқыр қабаттың көп бөлігінде турбулентті диффузия басым болады. Тек тұтқыр қабаттың тереңінде ғана, жұқа диффузиялы қабатшаның ішінде, құбырдың тікелей қабырғасымен тұйықталатын бӛлігінде молекулярлы диффузия басымырақ болады.

Қоспалар ауаға түскеннен кейін, олардың орын ауыстыруы және дисперсиясы олардың өзіндік физикалық қасиеттерімен және ол сол жақтағы атмосфераның қасиетімен анықталады. Тасталынатын заттар атмосфераға белгілі бір жылдамдықпен және температурамен енеді. Тасталынатын заттардың қозғалысы вертикальды құрамдас бөлігінен тұрады, ол ағынның бастапқы вертикалды жылдамдығы және температура айырымы болып, осы факторлардың әсері кетпейінше, шартты түрде алынған. Тасталынатын заттың бұл вертикалды көтерілуі шлейф деп аталады. Ол тасталыну нүктесінің эффективті биіктігіне H әсер етеді..

Шлейфтің ағыны кезінде және одан кейінге көтерілу қозғалысын тасымалдау деп аталады. Атмосфераның турбулентті қозғалысы тасталынатын заттың еркін қозғалысына, ал ол ауаның қозғалысы арқылы горизонталды және вертикалды таралуына алып келеді. Бұл процесс атмосфералық диффузия деп аталады.

Тасымал мен диффузияның құрамы атмосфералық дисперсия деп аталады. Бұл процессті сипаттайтын модельдерді атмосфералық тасымал-диффузиясы немесе атмосфералық дисперсия моделі деп атайды.

1-сурет. Атмосфераға тасталынған ластайтын заттардың сипаты.

Атом энергетикасының обьекттерінде болған апат салдарынан кейінгі атмосферада әр түрлі қоспалардың таралу моделін анализдеу кезінде, ХАТЭАГ шолуында үш типті модель қарастылырған: гаусті модельдер, лагранж бұлтының моделі және үш өлшемді модельдер.[3]

Модельдер жайлы жалпы мағлұмат. Модельдердің сипаты мен санын экологиялық қызмет алдында тұратын тапсырмалар шеңбері арқылы анықтаса, баска жағынан модельдеудің дәлдігін талап етеді. Ластануды бағалаудың сипаттамаларына әр түрлі талаптар және тасталудың таралуының жоғары спецификасы, әр түрлі метео шарттарда, төменде келтірілген модельдерді қолдануға алып келеді.

1. ГО-ның штатты модель қызметі. Стандартты тәсіл эмпирикалық модельдерде негізделген және ол улы заттардың тасталуы мүмкін болатын жерлерді максималды түрлерде анықтауға мүмкіндік береді. Тасталынатын заттың бұлттың қай уақытта болсын нақтылы орналасауын анықтап береді, улы заттардың концентрациясы адам денсаулығына метеожағдай кезінде қауіпті мәнге жетуі мүмкін шекараларын көрсетеді. Модель оңай және тез істейді.

2. Стационарлы дереккөздердің ОНД-86 моделінде негізделген атмосфераның ластану модельдері. Модельдер квазистационарлы процесстер анализі үшін қолданылуы мүмкін, ұлы заттардың тасталуына тән уақыт кеңістіктегі тәжірибе аймағындағы (мысалы, өрт жағдайы немесе өнім сымдарындағы шығу) ауа шоғырының орын ауыстыру уақытынан артып кеткен кезде. Модель эмпирикалық және ол бекітілген улы заттың концентрациясының таралуын анықталған жел кезінде есептеуге және максималды жәйсіз кездегі қоспалардың атмосферадағы таралуын есептеуге мүмкіндік береді.

3. ХАТЭАГ моделі (халықаралық стандарт) атмосферадағы ластануды есептеуге арналған стандарт, ол стационарлы қоспалардың дерекөздерінен алады. Бұл қазіргі бар модельдерге қарағанда толық модельдің бірі. Талдап тексеру кезіндегі сипаттамалар жергілікті метеорологиялық жағдайды ескеруге мүмкіндік береді және ағымдағы метео жағдайдағы қоспалардың концентрациясының таралуын есептейді. Модель жергілікті жағдайға байлау жасауды талап етеді. Модельдердің 2 және 3 есептеу уақыты шамамен бірдей .

4. Қарапайым стационарлы емес модельдер экспресс-болжамға арналған ластайтын заттардың таралу бұлтын есептейді. Модельдер ХАТЭАГ негізінде жасалған тәсілдер мен модельдерде құрастырылған және траекторияны есептеуге және тасталынатын бұлттың улылығын жоғалту қозғалысының уақытын немесе ағымдағы метео жағдайды есептеуге арналған. Бұл модельдерге бекітілген стандарттар жоқ [6].

5. Беттің бір текті еместікті ескеретін стационарлы емес ластану модельдері. Квази үш жақты модельдер, жартылай эмпирикалық ХАТЭАГ модельдерінде қоспалардың диффузия-тасымалының жер қабатында негізделіп жасалған. Жылдамдықты және есептеудің дәлдігін жоғарылату үшін жоғары эффективті сандық тәсілдер және шешілетін тапсырманың ерекшелігі ескеріліп жасалған. Беттің бір текті емес кезінде қолданылады, ал есептеуіш ресурстар немесе ақпараттың толық еместігі модель 6-ны қолдануға мүмкіндік бермейді.

6. Біршама толық және жетілген стационарлы емес атмосфераны ластаушы модельдер, оларға атмосфераның жергілікті орфографияны ескеріп, мезометеорологиялық сипаттамалары ескерілген.

Атмосфераның ластануын болжау жағдайы мен деңгейін бағалау модельдері. Теориялық және эксперименталдық жұмыстардың айтарлықтай көлемі ластаушы заттардың дисперсиясына арналған. Бұл жұмыста ауаға залалды заттардың шығарылуы негізінде математикалық модельдер көрсетілген.

Одан үлкен арақашықтықтарға төмендегі тәсілдер жарамсыздау болып келеді. Арақашықтықтың үлкею шамасы бойынша, шығарылудың вертикалды бағытта таралу масштабы планетарлы шекаралы қабаттың қалыңдығымен салыстырмалы бірдей болады және біртектілік туралы әдетті болжаулар бұл жеңілдетілген модельдерді қолдануға мүмкіндік бермейді. Сонымен бірге төменде бұл модельдер қолданылатын шарттар да, модельдердің нақты практикалық жағдайда қолданылатын түр өзгерісі және осы модельде қолданылатын метеорологиялық мәліметтер көрсетілген.

Нақты жағдайға байланысты таңдалынған параметрледрді енгізу және модельдерді дұрыстау, оның орналасуы және зиянды заттарды шығару шарттарына зерттелініп жатқан аймақтың сипаттамасына байланысты. Осылайша, сәйкес келетін модельді немесе модельдің қажетті қимасын таңдау арнайы алаңға және ластайтын заттардың шығу сипаттамасын әбден зерттеп таңдалынуы қажет. [5].

Бұл модельдердің шектеулерін айрықша ескеру қажет. Әр түрлі елдерде мемлекеттік модель болып негізінен желдің сипаттамасы және температураның вертикалды градиенті сиқты метеорологиялық параметрлері шамамен уақытта да және кеңістікте де бірқалыпты болатын жағдайлар қолданбалы.

Арнайы атап өтсек, шынайы жағдайда метеорологиялық параметрлер уақытта және кеңістікте тез өзгеруі мүмкін. Барлық жағдайға сәйкес келетін модельдер болмайды.

Атмосфераға түскен зиянды заттар тасымалданады, сейіледі және онда концентрацияланады. Бұл күрделі атмосфералық тасымал ластағыштар өсімдіктердің, су көздерінің, топырақтың беткі қабатында тұнған кезде, жаңбырмен атмосферадан айрылған немесе ағындарымен алыс қашықтыққа таралған кезде ғана тоқтайды. Атмосфераның аэрополютанттарымен ластануы тек технологиялық праметрлерге ғана емес, сондай-ақ желдің жылдамдығы, атмосфераның стратификациясы, турбуленттік ӛрісі сияқты метерологиялық факторларға тәуелді болады. Қазіргі таңда аэрополютанттардың атмосферада таралуын есептеуге арналған кӛптеген моделдер бар. Кӛптеген жағдайларда аэрополютанттардың негізгі массасы атмосфераның тӛменгі қабатында таралады және термиялық әсеріне байланысты үлкен масштабтағы қозғалыстың әсерінен туындайдын локальды циркуляцияның ықпалына байланысты зиянды заттар жер бетіне жақын қабатта трансформацияланады [3].

Жел жылдамдығының артуынан ауа қабаттарының турбулентті таымалының интенсивтілігінің артуына байланысты, желдің жылдамдығы зиянды заттардың таралуына, сейілуіне әсер етеді. Желдің әлсіз болуы кезінде, алаудың жоғары көтерілуінің артуына және зиянды заттардың жоғары шығарылуына байланысты, биік шығарынды көздер орналасқан аймақтарда зиянды заттардың концентрациясы жерге жақын қабатта төмендейді. Зиянды заттардың ең жоғары концентрациялары көбіне қауіпті жел жылдамдығы кезінде орын алады. Жел жылдамдығының қауіптілігі шығарындылардың параметрлеріне байланысты. Жел бағыттарының тұрақсыз болуы зиянды заттардың концентрацияларының горизонтальды бағыт бойынша сейілуінің артуына және жерге жақын қабаттағы олардың концентрацияларының төмендеуіне әкеледі.

Атмосфералық ауаның сапасын модельдеу үшін, атмосферада зиянды заттардың таралуының моделдері қолданылады:

- зиянды заттардың атмосферада сейілуі;

- атмосфераның ластануының моделі.

Дисперсияны бағалау тәсілі. Атмосфералық ластанудың ортақ бағалау тәртібі және осы аймаққа арналған дисперсия, ұзақ және қысқа мерзімді периодқа мыналарды қосады:

- аймақтың кедір-бұдырлық бетін және осы аймақтағы тастау биіктігін және жағдайларды ескере отырып сәйкес модельді таңдау;

- беріктік (турбуленттілік) классын анықтау, нақты жағдайларға байланысты сәйкес өлшенген немесе визуалды алынған параметрлер көмегімен;

- керек деңгейде желдің жылдамдығын анықтау (әдетте тастау деңгейінде) басқа деңгейлердегі өлшеулерге байланысты, осы деңгейде өлшеулер арқылы немесе логаримфдік қатынастарды есептеу арқылы;

- шлейфтің кӛтерілуін есептеу арқылы тасталудың эффективті биіктігі;

- турбуленттік коэффицентін анықтау, графикте көрсетілген арақашықтықта немесе сәйкес модельдің формуласы арқылы, оларды анықтамалық әдебиетте таңдап алуға болады [1, 2];

- дисперсияның сәйкес формула бойынша концентрация мен коэффицент есебі.

Кейбір жағдайларда дисперсияны бағалау үшін жеңілдетілген тәсілдерді қолдануға болады. Берілген аймақтың атмосфералық дисперсиясының гомогендік сипаттамасында негізделген теңдеулерді қолдануға мүмкін болады. Бұл аймақ туралы нақты метеорологиялық ақпарат жоқ кезде, ал басқа параметрлермен салыстыру, мысалы тұрғындарды таратуды (алдын ала аймақты босатып алу) енді жасау кезінде немесе маңызды емесе тасталу туралы болғанда пайдалы.