Введение к работе
Актуальность проблемы. Глобальные экологические проблемы современности связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. Защита атмосферного воздуха - ключевая проблема оздоровления окружающей природной среды, так как воздух занимает особое положение среди других компонентов биосферы. Атмосферный воздух выполняет также и сложнейшую защитную экологическую функцию. С развитием общественного производства расширяется сфера воздействия на атмосферу, возрастают негативные изменения окружающей среды, происходит загрязнение веществами, вредными для живых организмов, нарушение динамического равновесия природных систем и т.д. Особенно это характерно для территорий горнопромышленных регионов.
При этом одной из актуальных задач, стоящих перед обществом на современном этапе, является совершенствование управления и повышение эффективности производства. Однако в настоящее время рост производства и повышение материального уровня жизни уже нельзя рассматривать без учета того воздействия, какое оказывают эти процессы на окружающую среду. Появилось важное понятие эколого-экономической системы, представляющей собой совокупность взаимосвязанных экономических, технических, социальных и природных факторов в окружающем человека мире.
Увеличение масштабов техногенного воздействия на окружающую природную среду придает особую актуальность проблеме создания адекватных эколого-экономических математических моделей. Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природу и ее отрицательные последствия, а также возможности оптимизации этого воздействия требуют глубокого изучения. При этом особое значение приобретает поиск научно обоснованных форм и масштабов производственной деятельности человека, обеспечивающих рациональное использование природных ресурсов и получение необходимой полезной продукции без пагубного влияния на природную среду.
Решение задачи экологически оптимального распределения ресурсов для промышленных предприятий горнопромышленного региона позволит получить предприятию максимально возможную прибыль при условии снижения техногенной нагрузки на окружающую среду до предельно допустимого уровня, установленного нормативными документами. Поэтому важнейшей проблемой стратегии управления качеством окружающей природной среды является вопрос об организации системы, определяющей эффективность комплексного и экологически рационального использования природных ресурсов. Такой комплексный подход к рациональному природопользованию, основанный на системных принципах разработки и внедрения новых методов оценки воздействия на атмосферу угольных шахт позволит внедрить экологически рациональные технологии.
Следовательно, оценка последствий загрязнения атмосферы горными предприятиями и оптимизация распределения ресурсов на профилактические мероприятия является актуальной научно-технической проблемой.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 гг.)» (рег. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).
Целью работы являлось уточнение закономерностей формирования последствий, обусловленных воздействием горных предприятий на атмосферу, для оптимизации распределения ресурсов на профилактические мероприятия, обеспечивающие аэрологическую безопасность горнопромышленного региона.
Идея работы заключается в том, что оптимальное распределение ресурсов на профилактические мероприятия, обеспечивающие аэрологическую безопасность горнопромышленного региона, основывается на стационарном распределении концентраций загрязнителей в приземном слое и оценке эффективности проектов защиты атмосферы с использованием ограничений, формируемых экологическим императивом.
Основные научные положения, сформулированные в работе, состоят в следующем:
атмосферный воздух представляет собой природный ресурс территории горнопромышленного региона, поэтому оптимизация технико-экономических параметров по аэрологическому фактору должна быть основана на правилах, регламентированных институтами согласия, и объединяющими горные предприятия с предприятиями других отраслей промышленности на рассматриваемой территории;
при оценке предельно допустимого выброса (ПДВ) загрязнителей в атмосферу горными предприятиями целесообразно определять поля концентраций пылегазовых загрязнителей в приземном слое атмосферы на основе аналитических решений уравнения конвективно-турбулентной диффузии для трехмерного полупространства;
для системы «горные предприятия – другие промышленные предприятия - атмосфера» можно сформулировать задачу эколого-экономического компромисса и построить территориальный «институт согласия», реализующий требования экологического императива, как решение оптимальное по Парето.
Новизна основных научных и практических результатов:
уточнены основные закономерности распределения пылегазовых примесей в приземном слое атмосферы на основе аналитического решения уравнения конвективно-турбулентной диффузии для точечного источника при постоянных значениях ортогональных компонент скорости ветра и коэффициентов турбулентной диффузии;
сформулированы задачи определения предельно допустимых выбросов для системы «горные предприятия – другие промышленные предприятия - атмосфера» и реализации экономического компромисса и предложены алгоритмы их решения;
разработаны математические модели взаимодействия двух и нескольких предприятий по аэрологическому фактору, получена количественная оценка оптимальной величины затрат на локализацию пылегазовых выбросов и усовершенствована методика оценки ПДВ с учетом особенностей метеорологических условий горнопромышленного региона.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследований, обоснованным использованием методов математической физики, нелинейного программирования, численных методов, современных достижений вычислительной техники; большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных в процессе исследования и решения поставленных задач, а также положительными результатами практической апробации на территории Кемеровской области.
Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации при наличии фактической информации о метеорологических параметрах окружающей среды и экономических показателях угольных шахт и рудников могут быть использованы при разработке территориальной автоматизированной системы управления предприятиями по эколого-экономическим критериям и контроля выбросов загрязнителей в атмосферу. Разработанные модели при наличии разносторонней фактической информации о производственных процессах горных предприятия позволяют оптимизировать их деятельность по аэрологическому фактору и повысить экологическую эффективность горного производства на территориях горнопромышленных регионов.
Апробация работы. Научные положения и практические рекомендации диссертационной работы в целом, и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры геотехнологий и строительства подземных сооружений ТулГУ (г. Тула, 2009-2013 гг.), ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, Тула, 2009-2013 гг.), технических советах ООО «ОУК «Южкузбассуголь» (г. Новокузнецк, 2010 – 2012 гг.), Международной конференции «Ecology, Energy, Economy Safety in a Non Liner World. 3E – SAFETY» (г. Белград, 2009 г.); 3-я Международная конференция по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи и переработки отходов горного производства» (г. Тула, 2010 г.); 3-rd International Symposium ENERGY MINING «Energy Mining, New Technologies, Sustainable Development» (Сербия, г. Апатин, 2010 г.).
Публикации. По результатам научных исследований имеется 6 публикаций, 3 из которых в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Материал изложен на 178 страницах, содержит 16 рисунков, список литературы из 73 наименований.
