Моніторинг атмосферного повітря

Зміст

Анотація

Вступ

1. Загальна характеристика проблеми забруднення атмосферного повітря

1.1 Джерела забруднення атмосферного повітря

1.2 Моніторинг атмосферного повітря

2. Вхідні дані та постановка задачі4

2.1 Вхідні дані та постановка задачі

2.2 Вибір оптимального програмного середовища

3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОБРОБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ДАНИХ

3.1 Створення та наповнення бази даних спостережень за станом атмосфери

3.2 Аналіз даних спостережень за станом атмосферного повітря

3.3 Нанесення джерел викидів на електронну карту та візуалізація усереднених даних по показникам якості

ВИСНОВКИ

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ДОДАТОК

Анотація

У курсовій роботі розглянуто характеристику проблем забруднення атмосферного повітря. А саме джерела забруднення та моніторинг атмосферного повітря.

Обрано оптимальне програмне середовище. Розроблено програмне забезпечення для обробки результатів спостережень та візуалізації даних. Створено та наповнено базу даних спостережень за станом атмосфери.

Проаналізовано дані спостережень за станом атмосферного повітря.

Нанесено джерела викидів на електронну карту та здійснено візуалізацію усереднених даних по показникам якості.

антропогенний атмосферний спостереження забруднення

Вступ

Атмосфера – це повітряна оболонка Землі, значення якої важко переоцінити. Збереження теплоти і захист живих організмів від згубних доз космічного випромінювання, джерело кисню для дихання, вуглекислого газу для фотосинтезу, енергії і всіляких хімічних речовин, середовище розгортання метеорологічних процесів і електричних явищ (атмосферна електрика), переміщення пари соди і дрібних матеріалів на планеті – ось далеко не повний перелік значення повітря в природних процесах, які розгортаються на Землі.

Стан повітряного середовища має особливо важливе значення для нормального функціонування людського організму й підтримки здоров’я.

Не дивлячись на величину повітряного басейну, він піддається дуже істотним діям, що викликають зміни його складу як на окремих ділянках, так і на всій планеті. Повітря необхідне як джерело кисню для дихання, окислення і спалювання сировини. Але велика кількість О₂ витрачається при випадкових пожежах торф’яників, лісів, покладів кам’яного вугілля при спалюванні нафтових газів. В результаті діяльності людини постійно зростає кількість вуглекислого газу в повітрі (за останніх 100 років від 0,004 до 0,032 %). Це може привести до зміни клімату на Землі, оскільки підвищена концентрація СО₂ викликає “парниковий ефект”.

Антропогенний вплив спричинюють: виробництво тепло- та електроенергії, переробна промисловість. Як результат ми отримуємо смоги, різні типи кислотних опадів, руйнування озонового шару, глобальне розігрівання нижніх шарів атмосфери, погіршення умов мешкання аеробних живих організмів тощо.

Актуальність курсової роботи полягає у розробці програмного забезпечення, якедасть змогу обробляти результати спостережень та візуалізувати дані атмосферного забруднення. Моніторинг атмосферного повітря збирає, опрацьовує, аналізує, оцінює та прогнозує стан повітря з метою його покращення. Як результат зменшується кількість викидів та усуваються забрудники, що є важливим для природного середовища.

Об’єктом дослідження курсової роботи є атмосферне повітря. Предметом дослідження – моніторинг атмосферного повітря.

Мета роботи – розробка програмного забезпечення обробки результатів спостережень та візуалізації даних.

Моніторинг у галузі охорони атмосферного повітря проводиться з метою отримання, збирання, оброблення, збереження та аналізу інформації про рівень забруднення атмосферного повітря, оцінки та прогнозування його змін і ступеня небезпечності та розроблення науково обґрунтованих рекомендацій для прийняття рішень у галузі охорони атмосферного повітря.

Моніторинг атмосферного повітря є складовою частиною державної системи моніторингу довкілля України.

1. Загальна характеристика проблеми забруднення атмосферного повітря

1.1 Джерела забруднення атмосферного повітря

Атмосферне повітря є життєво важливим компонентом природного довкілля. Від його якісного стану залежать як умови життя на Землі, так і саме життя. В даний час негативна антропогенна дія на цей природний компонент привела до істотного погіршення його якості, що відбилося і на здоров’ї населення, і на стані довкілля в цілому [1].

Атмосферне повітря забруднюється різними газами, дрібними часточками і рідкими речовинами, які негативно впливають на живі істоти, погіршуючи умови їх існування. Джерела його забруднення можуть бути природними і штучними (антропогенними) [2].

1. До природного забруднення відносять:

· пилові бурі;

· вулканізм;

· лісові пожежі;

· вивітрювання;

· розкладання живих організмів.

2. До штучного забруднення:

· промислові підприємства;

· транспорт;

· теплоенергетика;

· опалювання житла;

· сільське господарство.

По дії на організм людини забруднення атмосфери поділяють на фізичне і хімічне. До фізичного відносять: радіоактивне випромінювання, теплова дія, шум, низькочастотні вібрації, електромагнітні поля. До хімічного – наявність хімічних речовин і їх сполук.

Викиди в атмосферу забруднюючих речовин характеризуються по чотирьох признаках: по агрегатному стану, хімічному складу, розміру часток і масовій витраті викинутої речовини.

Головними і найбільш небезпечними джерелами забруднення атмосфери є промислові, транспортні і побутові викиди. По особливостях будови і характері впливу на атмосферу забруднення, як правило, підрозділяють на механічні і хімічні [3].

Унаслідок діяльності людини в атмосферу поступають вуглекислий газ СО₂ і чадний газ СО, діоксид сірки SO₂ метан СН₄, оксиди азоту NO₂, NO і N₂O. При використанні аерозолів в атмосферу поступають хлорфторвуглеводні, в результаті роботи транспорту – вуглеводні.

Речовини, що забруднюють атмосферу, поділяються також на первинні і вторинні. Первинні – це речовини, які містяться у викидах підприємств від різних джерел. Вторинні є продуктами трансформації первинного або вторинного синтезу. Вони нерідко більш небезпечні у порівнянні з первинними.

Маса забруднювальних речовин в атмосфері становить приблизно 9 – 10 млн. т. Порівняно з масою земної атмосфери це мізерна величина, однак на висоті 50 – 100 м. від Землі, де саме концентруються забруднювальні речовини, частка їх є істотною, відносно кількості чистого повітря. Головними екологічними глобальними наслідками забруднення атмосфери є: парниковий ефект, озонова дірка, кислотні дощі, смог [4].

В Україні основними забруднювачами атмосферного повітря були і лишаються підприємства енергетики і металургії. На них припадає понад 70 % усіх викидів оксиду азоту, а сполук сірки ще більше – 82 %.

Вимірювання на території України свідчать, що практично в усіх великих містах постійно чи періодично шкідливі речовини присутні у повітрі у надмірній кількості. На початок 90-х років XX ст. найбільшими викидами у повітря характеризувалися Кривий Ріг (1,15 млн. т), Маріуполь (650 тис. т), Запоріжжя, Макіївка, Дніпропетровськ, Дніпродзержинськ (по 350 тис. т), Київ, Донецьк, Керч, Дебальцеве (по 300 тис. т), Комунарськ і Одеса (200 тис. т) та ін. Характерними для наших міст є порівняно високі рівні забруднення специфічними і органічними сполуками: бензопіреном, фенолом, формальдегідом, аміаком та іншими [5].

1.2 Моніторинг атмосферного повітря

Зміни у навколишньому природному середовищі відбуваються під впливом природних і антропогенних (зумовлених діяльністю людини) біосферних факторів. Пізнання цих змін неможливе без виокремлення антропогенних процесів на фоні природних, для чого й організовують спеціальні спостереження за різноманітними параметрами біосфери, які змінюються внаслідок людської діяльності. Саме у спостереженні за довкіллям, оцінюванні його фактичного стану , прогнозуванні його розвитку полягає сутність моніторингу.

Моніторинг атмосферного повітря – це система спостережень за станом атмосфери, його забрудненням і природними явищами, які відбуваються в ньому, а також оцінка і прогноз стану атмосферного повітря (контроль, аналіз, висновки) [6].

В даний час в багатьох містах промислово розвинених країн створюється мережа пунктів спостереження (моніторингу) за забрудненням повітря. За останнє десятиліття дана система отримала значне розширення і розвиток. Збільшилося число міст, в яких ведеться контроль за забрудненням повітря, число пунктів спостережень в них і спостережуваних інгредієнтів. Розроблені нові методи і технічні засоби вимірів, у тому числі автоматичні прилади і системи контролю. Характерною особливістю розвитку моніторингу є і те, що організацією і вдосконаленням його у ряді країн активно зайнялися метеорологічні відомства. Це дозволило підвищити науково-технічний рівень спостережень, що проводилися, і одночасно з виміром концентрацій шкідливих речовин вивчити метеорологічні, топографічні і інші чинники, що визначають їх розподіл в атмосфері [7].

Моніторинг у галузі охорони атмосферного повітря проводиться з метою отримання, збирання, оброблення, збереження та аналізу інформації про рівень забруднення атмосферного повітря, оцінки та прогнозування його змін і ступеня небезпечності та розроблення науково обґрунтованих рекомендацій для прийняття рішень у галузі охорони атмосферного повітря (ст. 32 Закону України “Про охорону атмосферного повітря”). Він є складовою частиною державної системи моніторингу довкілля України [8].

До об’єктів моніторингу атмосферного повітря належить: атмосферне повітря, у тому числі атмосферні опади; викиди забруднюючих речовин в атмосферне повітря.

Суб’єктами, які здійснюють моніторинг атмосферного повітря, є: Мінприроди України, МНС України, Державна санітарно-епідеміологічна служба МОЗ України, їх органи на місцях, підприємства, установи, організації, діяльність яких призводить або може призвести до погіршення стану атмосферного повітря.

Проведення моніторингу атмосферного повітря має на меті отримання: первинних даних контролю за викидами та спостережень за станом забруднення; узагальнених даних про рівень забруднення на певній території за певний проміжок часу; узагальнених даних про склад та обсяги викидів забруднюючих речовин; оцінки рівня та ступеня небезпечності забруднення для довкілля та життєдіяльності населення; оцінки складу та обсягів викидів забруднюючих речовин.

Порядок організації та проведення моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря затверджено постановою Кабінету Міністрів України від 9 березня 1999 р. зі змінами, внесеними постановою Кабінету Міністрів від 24 вересня 1999 р [9].

Відповідно до ст. 27 Закону України “Про охорону атмосферного повітря” контроль у галузі охорони атмосферного повітря здійснюється з метою забезпечення дотримання вимог законодавства про охорону атмосферного повітря. Виділяються такі його види: державний, виробничий, громадський [8].

Мінприроди України здійснює свою діяльність у галузі охорони атмосферного повітря спільно з санітарно-епідеміологічною службою МОЗ України та його органами на місцях у частині додержання нормативів екологічної безпеки та інших правил і нормативів, спрямованих на запобігання негативному впливу на здоров’я людей; Державною автомобільною інспекцією МВС України та її органами на місцях у частині додержання нормативів вмісту забруднюючих речовин у відпрацьованих газах та шкідливого впливу фізичних факторів, встановлених для відповідного типу автомобільного транспорту та сільськогосподарської техніки; іншими державними органами, а також органами місцевого самоврядування відповідно до законодавства України.

Місцеві органи державної виконавчої влади контролюють, як виконуються і дотримуються правила по оздоровленню навколишнього середовища, як здійснюється санітарна охорона атмосферного повітря. Вони забезпечують проведення заходів щодо охорони навколишнього середовища, запобігання, зниження інтенсивності й усунення шуму у виробничих, жилих і громадських приміщеннях, у дворах, на вулицях і площах населених пунктів [10].

Згідно зі ст. 29 Закону України “Про охорону атмосферного повітря” виробничий контроль у галузі охорони атмосферного повітря здійснюють суб’єкти господарювання, які в своїй діяльності використовують джерела шкідливих хімічних, біологічних і фізичних впливів на атмосферне повітря і які призначають осіб, що відповідають за проведення виробничого контролю в галузі охорони атмосферного повітря [11].

2. Вхідні дані та постановка задачі

2.1 Вхідні дані та постановка задачі

Для виконання практичної частини курсової роботи необхідно:

1. Створити та наповнити базу даних спостережень за станом атмосферного повітря. Розробити її структуру, по вихідним даним зробити дві таблиці, одна з яких буде містити інформацію про джерела викидів, а інша – результати вимірювань.

2. Проаналізувати та обробити результати спостереження за якістю атмосферного повітря та виконати їх графічну візуалізацію. Для аналізу і обробки результатів необхідно обчислити мінімальне, середнє та максимальне значення по кожному джерелу викидів.

3. Джерела викидів нанести на електронну карту та провести візуалізацію усереднених даних по показникам якості. Здійснити графічну інтерпретацію динаміки викидів протягом року для джерел та побудувати діаграми середніх значень.

Таблиця 2.1 – Координати джерел викидів

2.2 Вибір оптимального програмного середовища

Обираємо середовища яке оптимально б підійшло для виконання розрахункової частини.

Щоб провести першу частину, нам потрібно створити базу даних (БД).

Для створення та наповнення БД потрібно вибрати систему управління базами даних (СУБД), яка була б легка у застосуванні та управлінні. Найпоширенішими системами є: Visual FoxPro (VFP), Paradox, Sav Zigzag, Visual Basic, OpenOffice.org Base, MS Access та інші.

Система управління базами даних Microsoft Access входить до складу пакета Microsoft Office. Програма Microsoft Access використовується для створення даних різного значення і роботи з ними, ця програма проста і зручна в роботі, не дивлячись на те, що вона має велику кількість можливостей. За допомогою даної програми можна зберігати і систематизувати дані, що дозволяє легко орієнтуватися в них і швидко находити потрібні дані. Microsoft Access дозволяє проводити такі дії: створення таблиць в режимі конструктора, з допомогою майстра, шляхом введення даних, редагування, копіювання, сортування, форматування таблиць, створення, зміна, збереження та знищення вибірок інформації з таблиць, для введення та редагування інформації. Головна особливість Microsoft Access – тісна інтеграція з Microsoft Office, дані легко експортувати в MS Word і MS Excel. Оптимальним варіантом для вирішення поставленої задачі є MS Access [12].

Далі обираємо програму в якій буде проводитися обчислення. Є такі програми: MatCad, MatLab та Excel.

MS Excel входить до складу пакету MS Office, має багаті можливості використання, в ній зручно подавати дані, та різноманітні можливості обчислення та графічного представлення інформації. Excel дозволяє ефективно проводити кількісну та якісну оцінку даних. Оскільки вхідні дані представлені в MS Word, то аналіз даних будемо здійснювати MS Excel [13].

Щоб нанести дані на електронні карти потрібно вибрати найбільш оптимальну геоінформаційну систему (ГІС). Відомі електронні карти: ГІС-пакет “ArcGIS” (США), ГІС-пакет “Панорама 9” (“Карта 2005”) (РФ), ГІС-пакет “MapInfo Professional”, ГІС-пакет “Digitals” (Україна), ГІС-пакет “GeoDraw” (РФ).

Для виконання поставленої задачі обираємо ГІС-пакет “Панорама 9” (“Карта 2005”) (РФ). Дана програма як доступна, так і зручна у користуванні. Основною перевагою пакета “Карта 2005” для регіональних комп’ютеризованих систем екологічного моніторингу, є наявність повнофункціональної безкоштовної версії, яка має практично усі можливості, що й платна професійна версія, в тому числі роботу з базами даних, створення тематичних карт, програмне використання її інструментарію[14].

“Карта 2005” – це універсальна геоінформаційна система, що має засоби створення і редагування електронних карт, виконання різних вимірювань і розрахунків, обробки растрових даних, засоби підготовки графічних документів в електронному і друкованому вигляді, а також інструментальні засоби для побудови інформаційних систем із застосуванням різних СУБД.

Пакет програм “Карта 2005” розрахований для роботи на малопотужних комп’ютерах завдяки оптимізованому способу виведення великих обсягів картографічних даних на екран. Також пакет має потужні засоби введення, візуалізації та обробки даних [15].

3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ОБРОБКИ РЕЗУЛЬТАТІВ СПОСТЕРЕЖЕНЬ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ДАНИХ

3.1 Створення та наповнення бази даних спостережень за станом атмосфери

Використовуючи конструктор для створення таблиць MS Access, створюємо відповідні таблиці (рис. 3.1, 3.2).

Рис. 3.1 – Структура таблиці, що містить інформацію про джерела викидів

Рис. 3.2 – Структура таблиці результатів вимірювань

Використовуючи майстер підстановок налаштовуємо зв’язок між таблицями по номеру джерела викидів (рис. 3.3).

Рис. 3.3 – Зв’язок між таблицями

З метою подальшої обробки та здійснення зручної конвертації до бази даних переносимо вихідні дані з таблиць 1 і 2 до табличного процесору MS Excel. Далі копіюємо їх до відповідних таблиць новоствореної бази даних (рис. 3.4, 3.5).

Рис. 3.4 – Фрагмент наповненої таблиці результатів вимірювань

Рис. 3.5 – Таблиця, що містить інформацію про джерела викидів в атмосферу

Використовуючи майстер для створення форм, створюємо форми для зручного користування інформацією (рис. 3.6, 3.7).

Рис. 3.6 – Форма таблиці переліку джерел викидів

Рис. 3.7 – Форма таблиці результатів вимірювань

3.2 Аналіз даних спостережень за станом атмосферного повітря

В MS Excel обчислюємо середнє, мінімальне та максимальне значення по кожному джерелу викидів. Для цього необхідно ставши на вільну комірку натиснути «Вставка/Функція» і в розділі «статистичні» вибрати функцію для обчислення середнього, мінімального та максимального значення, потім вибрати інтервал даних (рис. 3.8).

Рис. 3.8 – Приклад застосування функції для обчислення середнього значення

Аналогічним чином обчислюємо середнє, мінімальне та максимальне значення по кожному джерелу викидів по кожному з показників якості (рис. 3.9).

Рис. 3.9 – Приклад аналізу для джерела викиду №1

Здійснюємо графічну інтерпретацію динаміки викидів протягом року для 2 перших джерел (рис. 3.10, 3.11).

Рис. 3.10 – Динаміка викидів вуглекислого газу з джерела №1

Рис. 3.11 – Динаміка викидів нітратів з джерела №2

Будуємо діаграми середніх, мінімальних та максимальних значень (рис. 3.12, 3.13, 3.14).

Рис. 3.12 – Діаграма зміни середніх значень по джерелам викидів

Рис. 3.13 – Діаграма зміни мінімальних значень по джерелам викидів

Рис. 3.14 – Діаграма зміни максимальних значень по джерелам викидів

3.3 Нанесення джерел викидів на електронну карту та візуалізація усереднених даних по показникам якості

Для здійснення автоматичного нанесення джерел викидів на електронну карту формуємо текстовий файл координат (рис. 3.15).

Рис. 3.15 – Фрагмент структури текстового файлу координат

Відкриваємо карту Podolsk.map. В редакторі класифікатору створюємо числову семантику 340 «Код зв’язку з базою даних». Створюємо нову користувацьку карту. Відкриваємо панель інструментів «Редактор карти». Запускаємо інструмент «Створення об’єкта». Вибираємо точковий об’єкт «Промислові підприємства з трубами» та спосіб нанесення «По координатам загруженим з файлу», натискаємо «Вибір» та вибираємо новостворений файл координат (рис. 3.16).

Рис. 3.16 – Створення нового об’єкта на карті

В результаті нанесено 10 векторних об’єктів (рис. 3.17).

Рис. 3.17 – Нанесені джерела викидів на електронну карту

В редакторі класифікатора створюємо семантику 341 «Величина показника». Призначаємо новостворену семантику об’єкту «Промислові підприємства з трубами». Почерговим вибором об’єктів заносимо усереднені значення по показнику CO₂ (рис. 3.18).

Рис. 3.18 – Додавання значення в семантику об’єктів

Використовуючи інструмент для побудови тематичних діаграм («Задачи/Запуск приложений/Построение тематических диаграмм») налаштовуємо характеристики так , щоб значення для побудови діаграм бралися з семантики 341 «Величина показника» об’єктів «Промислові підприємства з трубами». Далі задаємо параметри і будуємо діаграми забруднення атмосферного повітря об’єктами «Промислові підприємства з трубами» (рис. 3.19, 3.20).

Рис. 3.19 – Побудовані діаграми

Рис. 20 – Фрагмент карти забруднення атмосферного повітря вуглекислим газом.

ВИСНОВКИ

У курсовій роботі було виконано наступне:

У першому розділі визначено джерела забруднення атмосферного повітря, суб’єкти, об’єкти, засоби здійснення моніторингу та схеми зв’язків між ними. Джерела забруднення є природні та антропогенні, більшість забруднюючих речовин викидають антропогенні джерела. Моніторинг атмосферного повітря здійснюють державні організації та приватні підприємства за визначеною законодавством схемою.

В другому розділі було поставлено задачу курсової роботи та обрано систему управління базами даних, табличний процесори та ГІС-пакет, для виконання поставленої задачі. А саме було обрано СУБД MS Access, табличний процесор MS Excel та ГІС-пакет “Панорама 9”, вони чудово інтегровані між собою, швидкі та точні в обробці даних, та багатофункціональні.

У третьому розділі курсової роботи було створено та наповнено бази даних спостережень за станом атмосфери, проаналізовано дані спостережень за усередненими, мінімальними та максимальними значеннями, на основі аналізу побудовано графіки та гістограми, нанесено джерела викидів на електронну карту та проведено візуалізацію усереднених даних по показникам концентрації CO₂, мг/м³.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Безпека життєдіяльності. Підручник. – К., 2001.

2. Злобін Ю.А. Основи екології.- К.: Лібра, 1998. – 249.

3. Экология города. Под ред. Стольберга Ф.В. К.: 2000г.

4. Степановских А.С. Экология: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. - 703 с.

5. Бойчук Ю. Д., Солошенко Е. М., Бугай О. В. Екологія і охорона навколишнього середовища: Навч. посіб. – 2-ге вид., стереотип. – Суми: Вид. "Унів. книга", 2003. – 284 с.

6. Клименко М. О., Прищепа А. М., Вознюк Н. М. Моніторинг довкілля: Підручник. – К.: Видавничий центр “Академія”, 2006. – 360 с.

7. Безуглая Э. Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 200 с.

8. Закон України «Про охорону атмосферного повітря». – К., 1992

9. Постанова від 9 березня 1999 р. N 343 Київ Про затвердження порядку організації та проведення моніторингу в галузі охорони атмосферного повітря

10. Бринчук М. М. Правовая охрана атмосферного воздуха. – М., 1986.

11. Положення про державну систему моніторингу довкілля, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. N 391.

12. Моркес Д. Microsoft Access 2003. Эффективный самоучитель [пер. с чеш. Серия “Просто о сложном”] / Спб.: Наука и техника, 2006. – 352 с.

13. С. В. Глушков., О. С. Сурядний, Персональний комп’ютер / Харків: Фоліо, 2005. – 509 с.

14. Геоинформационная система "КАРТА 2000" ("Панорама 7.х" 1991–2004). Руководство пользователя (“Mapguide”) / Под ред. О.В. Беленкова. – РФ, Ногинск: КБ Панорама, 2004. – 112 с.

15. Петрук В.Г., Володарський Є.Т., Мокін В.Б. Основи науково-дослідної роботи. – Вінниця: ВНТУ, 2005. – 143 с.

ДОДАТОК

Дані спостережень за станом атмосфери