Разработка баз данных информационно-моделирующей системы мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды

УДК 502.173/174

А. В. Дементиенко, Ю. А. Кузьмина, Т. В. Савицкая

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

РАЗРАБОТКА БАЗ ДАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Разработана информационно-моделирующая система мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды. Разработаны логические и физические модели баз данных по источникам выбросов промышленных предприятий, по свойствам химических веществ и видам опасности химической продукции, по отходам производственных объектов. Представлена схема интеграции реализованных баз.

An information-modeling system for monitoring and forecasting of the environment is developed. Logical and physicals data models of databases on industrial emissions sources, properties and hazards of chemical products, and industrial wastes are developed. A scheme for integration of databases is presented.

В Российской Федерации имеется более семи тысяч химически опасных и опасных производственных объектов (ХОО и ОПО). Технологические процессы большинства указанных объектов связаны с обращением или хранением токсичных, взрывоопасных веществ. Кроме того, серьезную опасность для человека и окружающей среды (ОС) представляют выбросы опасных химических веществ (ОХВ) и токсичные отходы. На сегодняшний день существует ряд программных комплексов, предназначенных для оценки последствий воздействий выбросов и отходов на ОС. Однако отсутствует полнофункциональная информационная система для оперативного и долгосрочного мониторинга и прогнозирования состояния ОС, а также предотвращения ее загрязнения в результате негативных воздействий ОХВ и техногенных отходов.

Для решения этих задач разработана информационно-моделирующая система (ИМС), которая, кроме того, предназначена для поддержки процессов безопасного обращения химической продукции на различных этапах жизненного цикла. По своим функциональным возможностям ИМС включает три подсистемы: подсистему мониторинга, прогнозирования и управления качеством атмосферного воздуха, информационно-аналитическую подсистему управления безопасным обращением химической продукции и подсистему мониторинга и оценки опасности техногенных отходов и рекомендаций по предотвращению их образования.

Для реализации основных задач ИМС разработана функциональная структура, в которой выделено пять основных подсистем:

- подсистема обработки исходных данных, предназначенная для анализа, определения достаточности и непротиворечивости исходных данных;

- подсистема хранения данных, представляющая собой систему управления базами данных (СУБД), в которой хранится ряд баз данных (БД) с информацией по источникам выбросов промышленных предприятий, по свойствам химических веществ и видам опасности химической продукции, по отходам химических и других опасных производственных объектов и др.;

- информационно-моделирующая подсистема, предназначенная для прогнозирования, оценки и классификации опасности химических веществ, химической продукции и техногенных отходов, содержит в себе основные расчетные и аналитические функциональные блоки: прогнозирования, идентификации источников выбросов, нейросетевого моделирования, оценки и классификации опасности химической продукции и другие. Функциональные блоки реализованы в виде соответствующих программных модулей (например, программный модуль классификации опасности химической продукции для человека и окружающей среды, программное обеспечение для определения классов опасности отходов и формирования паспортов отходов и др.);

- подсистема поддержки принятия решений предназначена для определения мер по снижению экологической опасности выбросов опасных веществ и отходов. Включает методы, модели и алгоритмы принятия решений, базы знаний, блоки экспертных оценок и экспертного анализа, блок алгоритмов анализа и сравнения результатов прогнозирования и оценки опасностей с существующими нормативами;

- подсистема выдачи рекомендаций и генерации отчетов содержит шаблоны отчетов и предназначена для представления информации в удобной для пользователя форме.

Для реализации баз данных разработаны логические и физические модели БД: по источникам выбросов промышленных предприятий; по свойствам химических веществ и видам опасности химической продукции; по отходам химических и других ОПО.

Логические модели БД реализованы в виде ER-диаграмм (Entity Relationship Diagram - диаграмма отношений сущностей) (см. рис. 1).

База данных по источникам выбросов промышленных предприятий включает 15 таблиц: таблицы с информацией о предприятиях в целом («Предприятия»), выпускаемой продукции («Производимая продукция»), данными о подразделениях предприятия, являющимися источниками экологической опасности («Трубопроводы», «Хранилища», «Установки») и технологических про-

цессов («Технологические процессы»); таблица со списком загрязняющих веществ и их свойствами («Загрязняющие вещества», «Свойства загрязняющих веществ»); таблица с информацией о станциях контроля и датчиках («Станции контроля и датчики»); таблицы с данными о метео-климатическом мониторинге и статистическими данными для различных регионов («Мониторинг», «Метео-климатический мониторинг», «Среднемесячные характеристики», «Данные о восходе и закате», «Населенные пункты»); таблица с информацией об источниках выбросов загрязняющих веществ («Источники выбросов»).

База данных по свойствам химических веществ и видам опасности химической продукции включает 13 таблиц: основные таблицы, обеспечивающие идентификацию химической продукции: «Список веществ», «Состав смеси или материала», «Таблица основных названий, синонимов и формул»; таблицы, содержащие информацию о свойствах веществ: «Физические свойства», «Пожаровзрывоопасные свойства», «Токсические свойства», «Экоток-сические свойства»; справочники опасных для здоровья человека и окружающей среды веществ: «Канцерогены», «Репродуктивные токсиканты», «Перечень озоноразрушающих веществ» и таблицы, содержащие информацию об установленных законодательством видах опасности химической продукции и результатах классификации продукции: «Классификация химической продукции», «Вид опасности», «Класс опасности».

База данных по отходам химических и других ОПО включает 16 таблиц: таблицы, необходимые для хранения информации о самом опасном промышленном объекте его и технологических процессах: «Предприятие», «Установки», «Технологические процессы», «Параметры процессов», «Характер опасности, которую представляет собой производственная установка»; таблицы, хранящие информацию об отходах промышленного объекта и их свойствах: «Отходы предприятия», «Компонентный состав отхода», «Свойства отходов», «Физическая форма отходов», «Опасные свойства отходов», «Реакционные свойства отхода», «Компоненты отхода», «Свойства компонентов отходов» и «Меры предосторожности при обращении с отходом», а также таблицы для хранения данных о политике предприятия по вопросу обращения отходов, документации на них и экологическом аудите: «Документация предприятия на отход (ПБ)», «Обращение отходов», «Экологический аудит предприятия».

Базы данных реализованы с помощью системы управления базами данных (СУБД) Огас1е, что позволяет организовывать многопользовательскую работу. Графические веб-интерфейсы ИМС выполнены с использованием интернет-технологий, таких как:

Источники выбросов

Источник выброса <рі> #

Название источника *

Тип источника о

Загрязняющее вещество <А1> *

Установка <А2> *

Технологический процесс <А3> *

Валовая мощность выброса о

Температура выброса о

Скорость выброса о

Объемный расход о

Доля загрязняющего вещества о

Высота трубы о

Диаметр трубы о

Длина трубы (для вентиляции) о

Свойства загрязняющих веществ Свойство

Загрязняющее вещество Среднесуточное ПДК ПДКм.р.

ПДК м.р. в рабочей зоне ПДК с.с. в рабочей зоне ПДК почвы ПДК в.о. 1 категории ПДК в.о. 2 категории ОБУВ

Класс опасности

Плотность

Температура

Ш50

Ю50

РйбО

Поправочный коэффициент а Поправочный коэффициент 5 Поправочный коэффициент Л Поправочный коэффициент р Поправочный коэффициент Ai

Мониторинг Мониторинг <о1>

Станция контроля или датчик <А1> Загрязняющее вещество <А2>

Дата и время отбора пробы Значение концентрации

<А>

Предприятия Предприятие <р1> #

Продукция <fi> о

ФИО собственника предприятия о

Название предприятия о

ИНН о

ОКПО о

ОКВЭД о

ОКАТО о

ОКОНХ о

Юридический адрес о

Почтовый адрес о

Телефон о

Адрес электронной почты о

Факс о

Координаты расположения о

Описание предприятия о

Примечание о

І

Производимая продукция Продукция <

Наименование продукции

>

'1

I

I

і

Загрязняющие вещества Загрязняющее вещество <р> # Название вещества о

Химическая формула о

іі> #

1

I

I

I

і

Г

I

I

I.

______________________I

Технологические процессы Технологический процесс <рі> Название ТП

I I

'ТЦ

і

і

і

і

і

і

і

і

Д

~т

Станции контроля и датчики Станция контроля или датчик Т ип устройства

Название или модель устройства Координаты расположения Описание устройства

X

I

Установки

Установка Название установки Описание установки Предприятие Продукция

Технологический процесс Примечание____________

<рі> #

<А1> * <І12> о <А3> о о

Хранилища

Хранилище

Название хранилищ Объем хранилищу Загрязняющее вещество Коэффициент заполнения Предприятие у Трубопровод_______________

<рі> #

<І11>

<А2>

<Гі3>

<

Данные о восходе и закате Восход/закат <р>

Дата и время восхода Дата и время заката Регион/населенный пункт <А>

_А

Ж

і

^---------------------,

,___________________I____

Трубопроводы Трубопровод <р> #

Диаметр трубопровода о

Толщина стенки о

Внутреннее давление о

ТУ о

ГОСТ о

Материал о

Загрязняющее вещество <А1> *

Предприятие <А2> о

Расход о

Л

Метео-климатический моторинг Метео-климатический моторинг <pi> #

Станция контроля или датчик <А> *

Дата и время *

Температура о

Влажность воздуха о

Скорость ветра о

Направление ветра о

Атмосферное давление о

Облачность о

Наличие осадков о

Населенные пункты Регион/населенный пункт < Название Примечание

Т

I

1_________________«

Среднемесячные характеристики Характеристика <рі>

Месяц и год

Среднемесячная температура Среднемесячная скорость ветра Преимущественное направление ветра Примечание V Регион/населенный пункт____________________<А>

Рис. 1. Логическая модель БД по источникам выбросов промышленных предприятий

о

#

о

#

о

- HTML (HTML - HyperText Markup Language - язык разметки гипертекста), являющегося языком для составления и верстки веб-страниц;

- PHP (PHP - HyperText Preprocessor - препроцессор гипертекста), являющегося скриптовым языком программирования.

Описанные базы данных обеспечивают необходимый уровень детализации о функционировании предприятия и влиянии на окружающую среду в различных аспектах. База данных по источникам выбросов промышленных предприятий связана с базой данных по отходам химических и других ОПО таблицами «Предприятие», «Установки», «Технологические процессы». Обе эти базы связаны с базой по свойствам химических веществ и видам опасности химической продукции с помощью таблиц «Список веществ», «Загрязняющие вещества», «Компоненты отходов» (см. рис. 2). Таблицы, по которым осуществляется интеграция, содержат основную информацию, необходимую для анализа и контроля по всем рассмотренным направлениям мониторинга.

Рис. 2. Схема интеграции баз данных в ИМС

Пользователями ИМС могут являться:

- руководители различных структурных подразделений (предприятия, цехов и т.д.) и служб предприятия (экологической, аварийно-спасательной и т.п.);

- руководители и ответственные работники территориальных экологических служб, служб ГО и ЧС;

- специалисты, занимающиеся составлением паспортов безопасности и разработкой маркировки химической продукции.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0662 «Разработка технологий и инфор-мационно-моделирующей системы мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды и предотвращения ее загрязнения в результате негативных воздействий опасных химических веществ и техногенных отходов».

УДК 579.6::004.942

И. Н. Аркадьева, А. С. Скичко

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ

МИКРОВОДОРОСЛЕЙ CLORELLA PYRENOIDOSA В АВТОТРОФНОМ РЕЖИМЕ В ФОТОБИОРЕАКТОРЕ С АЭРАЦИЕЙ

Работа посвящена выбору маршрутов массопереноса углекислого газа и кислорода в процессе культивирования микроводорослей Clorella pyrenoidosa в автотрофном режиме в фотобиореакторе с аэрацией. Разработаны математические модели, описывающие пути массопереноса между клетками микроводорослей и соприкасающимися с ними жидкой и воздушной фазами. На основе экспериментальных данных проведен сравнительный анализ моделей. Для углекислого газа и кислорода выбраны маршруты, наиболее корректно описывающие массообмен.

The scientific work is devoted to route selection of mass transfer of oxygen and carbon dioxide during autotrophic cultivation of Clorella pyrenoidosa microalgae in a photobioreactor with aeration. Mathematical model, describing route of mass transfer between cells of microalgae and contact them liquid and air phases, was developed. Based on experimental data comparative analysis of the models was done. For carbon dioxide and oxygen the most correctly describing mass transfer route was chosen.