Моделирование и оценка процессов в техносфере

 
 
 
 
 
Н. М. Ларионов, А. С. Рябышенков 
 
 
 
 
 
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА  
ПРОЦЕССОВ В ТЕХНОСФЕРЕ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 632.15 
ББК 20.18 
Л25 
 
 
 
Рецензенты: 
д. т. н., проф., директор института прикладной математики и компьютерных наук,  
заведующий кафедрой теоретических основ информатики  
Национального исследовательского Томского государственного университета  
Замятин Александр Владимирович; 
к. т. н., ведущий научный сотрудник НПО «Квин Тех»  
Тузовский Константин Анатольевич  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ларионов, Н. М. 
Л25  
Моделирование и оценка процессов в техносфере : учебное пособие / 
Н. М. Ларионов, А. С. Рябышенков. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 188 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2050-1 
 
Проводится моделирование процесса распространения аэрозолей в атмосферном 
воздухе, а также оценка вредного воздействия загрязняющих веществ на гидро- и литосферу. Приведенные расчетные методы позволяют определить концентрацию загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды, оценить степень техногенного 
воздействия на техносферу. 
Для студентов, обучающихся по направлению бакалавриата 20.03.01 и магистратуры 20.04.01 «Техносферная безопасность». 
 
УДК 632.15 
ББК 20.18 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2050-1 
” Ларионов Н. М., Рябышенков А. С., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Влияние среды обитания на развитие живых организмов может проявляться разными путями, как прямо, так и косвенно. Человек разумный, как один 
из видов, сложившихся в ходе длительной эволюции природной среды, несмотря 
на уникальные способности к адаптации, не в состоянии приспособиться к той 
скорости изменения качества природной среды, которую сам же и породил. 
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей составляющей природной среды и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности 
человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Оптимальные для жизни и деятельности человека условия окружающей 
среды (и ее важнейшего компонента – атмосферного воздуха) находятся в определенных, относительно узких пределах. Увеличение или уменьшение границ 
этих пределов означает качественное изменение условий жизни человека.  
Другой, не менее важной жизнеобеспечивающей природной средой является гидросфера. Увеличение антропогенной нагрузки на гидросферу происходит как за счет выпадения загрязнений с атмосферными осадками, так и за счет 
поступления в результате промышленной деятельности. 
Химический состав природных вод варьируется, их чистота зависит от 
свойств подстилающих пород, глубины водоносного слоя, аэрации, буферной 
емкости почв и водоемов.  Сточные воды промышленного предприятия содержат 
специфические загрязнения, которые должны быть удалены или нейтрализованы 
до смешения со стоками другого предприятия или населенного пункта, поскольку увеличение объема воды, в котором содержится отдельный ингредиент, 
существенно затруднит его удаление и потребует гораздо больших затрат, чем 
при очистке на месте образования стоков.  
Почве принадлежит важная роль в природной среде обитания человека. 
Прежде всего потому, что почва – основное средство сельскохозяйственного 
производства, относящееся к категории невозобновимых природных ресурсов. 
Международные декларации и соглашения по проблемам природопользования 
(«Всемирная стратегия охраны природы», «Всемирная почвенная хартия», «Основы мировой почвенной политики») утверждают значение почвы как всеобщего 
достояния человечества, рационально использовать и охранять которое должны 
все люди Земли. Поэтому вопросы рационального землепользования затрагивают комплекс сложных проблем социально-экономического характера: вопросы земельной собственности, земельного законодательства, земельного 
права, экономической оценки земель и т. д. 
По отношению к окружающей среде и человеку почва выполняет еще одну 
важную роль – протекторную. Обладая способностью поглощать и удерживать в 
себе различные загрязняющие вещества, в том числе и радионуклиды, связывая 
их химическим и физическим путем, почва тем самым служит своеобразным 
фильтром, предотвращающим поступление этих соединений в природные воды, 
растения и далее по пищевым цепям в животные организмы и человека. Однако 
3

возможности почвы в этом отношении небезграничны, а уровень техногенного 
прессинга все возрастает, поэтому все чаще наблюдаются случаи опасного загрязнения почв и последующего отравления людей. 
Для оценки возможного вредного воздействия на компоненты окружающей среды загрязняющих веществ различной необходимо владеть методами моделирования процесса распространения загрязняющих веществ в окружающей 
среде и оценки степени негативного воздействия на окружающую среду. 
В данном учебном пособии рассматриваются вопросы моделирования и 
оценки процессов распространения загрязняющих веществ во всех компонентах 
окружающей среды: атмосфере, гидросфере и литосфере.  
В главах 1–3 дается определение понятия аэрозоль, классификация аэрозолей. На основе предложенных физических и математических моделей с использованием необходимого математического аппарата получены зависимости, описывающие различные аспекты распространения аэрозолей в атмосферном воздухе. Данные зависимости позволяют определить концентрацию аэрозоля в каждой точке пространства и построить поле скоростей движения частиц аэрозоля в 
любой момент времени. Предложенный подход может быть использованы при 
написании магистерских диссертаций и в последующих научных исследованиях. 
Материал главы 4 позволяет определить средние значения концентрации 
загрязняющих веществ от действующих источников в исследуемой области и является аппаратом прикладных расчетов. 
В главе 5 рассмотрены расчетные методы определения концентрации загрязняющих веществ в водных объекта различного хозяйственного назначения и 
нахождения необходимой степени разбавления сточных вод перед выпуском их 
в водные объекты. 
В главе 6 рассматриваются методы оценки степени негативного воздействия загрязняющих веществ на почвенный покров по различным критериальным показателям. 
Глава 7 содержит расширенный материал для проверки степени усвоения 
материала пособия 
Изложенный в данном пособии материал позволяет сформировать у будущих специалистов необходимые профессиональные компетенции в области 
оценки состояния окружающей среды и разработки, в случае необходимости, мероприятий по его улучшению.
 
4

ВВЕДЕНИЕ 
 
С появлением человека и развитием человеческого общества в биосфере 
появляется качественно новый и самый сложный тип процессов – техногенез, 
под которым понимается воздействие хозяйственной деятельности человека во 
всех её формах на природную среду. Явление техногенеза неразрывно связано с 
появлением особой составляющей биосферы – техносферы. 
Техносфера – часть биосферы, коренным образом преобразованная человеком в технические и техногенные объекты (механизмы, здания, сооружения, 
горные выработки, дороги и т. д.) с помощью прямого или косвенного воздействия технических средств в целях наилучшего соответствия социально-экономическим потребностям человека. Современная техносфера многообразна: её 
представителями являются города, в состав которых входят промышленные и селитебные зоны, транспортные узлы и магистрали, торговые и культурно-бытовые зоны и отдельные помещения, ТЭС и ТЭЦ, зоны отдыха и т. п. 
Техносферу можно рассматривать как совокупность регионов биосферы,  
в которых природная среда полностью или частично перестроена человеком при 
помощи прямого или косвенного технического воздействия с целью наибольшего соответствия своим материальным и духовным потребностям. 
Техносфера характеризуется по сравнению с биосферой более широкой номенклатурой опасностей и негативных воздействий, высокой вероятностью, величиной уровня и последствий (ущерба) их реализации. Техногенные негативные факторы в техносфере формируются из-за наличия отходов производства и 
быта, из-за использования технических средств, из-за концентрации энергетических ресурсов и др. Наибольшую концентрацию негативные факторы техносферы имеют в сфере производства. С развитием техносферы возникают и обостряются проблемы негативного воздействия на окружающую среду: 
– проблема химического загрязнения природных сред (атмосферы, гидросферы, литосферы); 
– проблема теплового загрязнения биосферы; 
– проблема вероятного роста парникового эффекта; 
– проблема запыления атмосферы в результате выбросов предприятий и 
других видов промышленной деятельности; 
– проблема уменьшения общего количества биомассы и биоразнообразия 
в биосфере Земли в результате двух основных типа процессов: 
а. техногенные процессы, не свойственные биосфере: производство веществ, не существующих в природе, перемещения вещества, создание техногенных объектов, не имеющих природных аналогов, использование атомной энергии и т. д.; 
б. техногенно-трансформированные биосферные процессы: любые процессы перемещения и преобразований вещества и энергии, которые продолжают 
осуществляться в целом в тех же формах и по тем же законам, что и в природе, 
но их ход, так или иначе, изменён в результате техногенного влияния. 
5

Загрязнение атмосферного воздуха влияет на организм человека и окружающую среду различными способами – от прямой угрозы смерти индивида или 
разрушения экосистемы до постепенного угасания функций отдельных частей 
организма и биоценозов. В некоторых случаях этот процесс разрушения заходит так далеко, что регуляторные механизмы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние. Более 10 % всех болезней и смертельных исходов неинфекционных заболеваний в городах напрямую связано с вредным действием 
природных и антропогенных аэрозолей (косвенное влияние аэрозолей на состояние здоровья человека гораздо сложнее и больше).  Несмотря на то, что атмосфера имеет определенные возможности к самоочищению и самовосстановлению, она все же недостаточно устойчива для неконтролируемого антропогенного воздействия на нее. 
Проблема защиты окружающей среды от вредных выбросов промышленных предприятий может быть эффективно решена только при ясном понимании 
природы зарождения, становления и развития аэрозольных систем. 
По отношению к объектам гидросферы загрязнение – это снижение биологической функциональности и экологической значимости объекта из-за поступления вредных веществ в гидросферу. Результатами загрязнения водных объектов становятся изменения качества воды (ухудшение вкуса, цвета, прозрачности), увеличение концентрации токсичных веществ (тяжелых металлов, активных радикалов), уменьшение концентрации кислорода в воде и т. д. Ежегодный 
объем загрязненных сточных вод, сбрасываемых в поверхностные водные объекты, составляет в настоящий момент около 2 млрд м3 в год. 
Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие 
в биосфере. Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный 
покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений, а также почве отведена важнейшая роль в 
жизни общества, так как она представляет собой источник продовольствия, обеспечивающий 95–97 % продовольственных ресурсов для населения планеты. Если 
это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности, так как эффективная защита 
окружающей среды от опасных химических реагентов невозможна без достоверной информации о степени загрязнения почв. 
Оценку способностей почвы выполнять функции, обеспечивающие стабильность отдельных биоценозов и биосферы в целом, проводят при помощи 
специальных методов исследования загрязненных почв. 
Стабильность состояния окружающей (природной) среды является определяющим условием существования и развития живых организмов на нашей планете. Установлено [1], что равновесие в системе геосфер определяют следующие 
6

энергетические факторы: 1) солнечная радиация; 2) силы гравитации; 3) тектонические процессы; 4) химическая энергия (окислительно-восстановительные 
процессы); 5) энергия биологических процессов; 6) энергия мирового производства. Отмечается, что последний фактор имеет устойчивую тенденцию к удвоению мощности каждые 10–15 лет. Результатом постоянного совершенствования и нарастания хозяйственной деятельности человека стало динамичное негативное изменение состояния окружающей среды, что является глобальной социальной проблемой и требует, в том числе всестороннего научного подхода к 
решению. 
От того, каким образом человечество в ближайшие десятилетия организует 
свою производственную деятельность, будет зависеть сохранение или необратимое нарушение динамического равновесия в среде обитания живых организмов, 
сложившееся за несколько миллиардов лет ее саморазвития. 
Осваивая среду обитания и ее природные ресурсы, человек стремится создать необходимые условия для своей жизнедеятельности и расширенного воспроизводства. Негативным результатом этого процесса является изменение всех 
составляющих природной среды: атмосферы, гидросферы, земной коры и биосферы. 
Одним из глобальных негативных факторов являются вредные выбросы в 
окружающую среду от производственной деятельности промышленных предприятий, предприятий энергетического комплекса, автотранспорта. На процесс 
распространения этих выбросов в окружающей среде оказывает влияние большое количество внешних факторов (метеорологические условия, рельеф местности и т. п.). 
Моделирование распространения вредных выбросов в окружающей среде, 
как следствие процессов техносфере, позволяет давать прогнозную оценку негативного воздействия на окружающую среду и служит основой для разработки 
программно-аппаратных средств автоматизированных систем мониторинга состояния компонентов окружающей среды
 
7

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАГРЯНЕНИЯ  
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА. 
 
1.1. Схема моделирования и типы моделей 
 
Рассмотрим общую схему использования методов математического моделирования [2]. Пусть исследуется некоторая совокупность S реального объекта а 
с использованием математических методов. При этом под объектом понимается 
как сам объект, так и любой процесс, явление и т. п. 
Для этого выбирают (строят) математический объект ̌
෬ – систему уравнений, или арифметических соотношений, исследование которого средствами математики и должно дать ответ на поставленный вопрос о свойствах совокупности 
S реального объекта а. В этом случае ̌
෬ называется математической моделью объекта а относительно совокупности S его свойств. Таким образом, средства математики применяются не непосредственно к реальному объекту, а к его математической модели (рис. 1.1).  
 
 
 
Рис. 1.1. Общая схема математического моделирования 
 
Исходя из реального объекта формулируется интересующие нас или иные 
связанные с объектом свойства на языке той или иной науки, т. е. строится механическая либо физическая, либо биологическая, либо социальная модель объекта. Такую модель называют содержательной моделью. При построении содержательной модели формулируются соответствующие гипотезы. 
На основании содержательной модели составляются соответствующие 
уравнения, либо каким-то иным образом модель переводится на формальный математический язык, тем самым содержательная модель преобразуется в модель 
математическую. В этом заключается первый этап – этап построения модели. 
Второй этап заключается в изучении построенной математической модели, 
а именно, в решении сформулированной математической задачи. На данном 
этапе выбирается метод решения, проводятся все необходимые вычисления с использованием, при необходимости, вычислительной техники. В процессе реше8

ния математической задачи можно привлекать дополнительные сведения, которые позволят упростить этот процесс, либо выделить из нескольких решений 
нужное. 
Третий этап – интерпретация (анализ) результатов исследования математической модели. В него входит контроль правильности модели на основе сравнения результатов с другими известными фактическими или экспериментальными данными. 
Важнейшим требованием к математической модели является требование 
ее адекватности (правильного соответствия) изучаемому реальному объекту а 
относительно совокупности системы S его свойств. Под этим понимается: 
1. Правильные качественные описания рассматриваемых свойств объекта: 
например, возможность на основании исследований модели сделать правильный 
вывод о направлении изменения каких-либо качественных характеристик этих 
свойств, о их взаимосвязи, состояния устойчивости объекта или его эволюции. 
2. Правильное количественное описание эти свойств с оптимальной точностью. 
Независимо от того, выполняется условие 2 или нет, говорят о количественных или качественных моделях. В социальных, биологических науках модели бывают, как правило, лишь качественными. Необходимо подчеркнуть, что 
адекватность следует рассматривать только по определенным признакам (свойствам), принятым в данном исследовании за основные.  
Как известно, величины могу быть двух основных типов – дискретные или 
непрерывные, а также дискретно-непрерывными (смешанные). Подобным образом модели как содержательные, так и математические могут быть дискретными, 
непрерывными, либо дискретно-непрерывными (смешанными). 
Между этими типами моделей нет принципиального различия, и при уточнении или видоизменении модели дискретная картина может стать непрерывной 
и наоборот. В этом случае применяется операция осреднения.  
Математическая модель может включать случайные компоненты – случайные скалярные, векторные величины, случайные функции, случайные структуры, удовлетворяющие статистическим законам. Такие модели называются вероятностными или стохастическими, в отличие от детерминированных моделей, 
которые подобных компонентов не содержат. Например, случайные функции появляются при рассмотрении воздействия ветра на какие-либо сооружения, турбулентном движении жидкости. Вероятностные модели изучаются на основе методов теории вероятностей. 
Для классификации моделей используются и другие признаки. Так различают стационарные и динамически модели; в последнем случае предметом изучения является изменение рассматриваемого объекта во времени. В стационарной модели считается, что процессы происходят, но изучаемый объект во времени не меняется. Полная классификация математических моделей приведена на 
рис. 1.2 [3]. 
 
9

3
 
 
 
Рис. 1.2. Классификация видов моделирования систем