Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Петров Ю.С. 1 Соколов А.А. 1
1 Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
В результате исследований авторов по вопросам моделирования и распространения техногенных выбросов предприятий горно-металлургического комплекса были использованы методы электрогидродинамической аналогии, способы электрического моделирования в программе Elektronics Workbench и визуализация модулем разработанной подсистемы анализа, управления и принятия решений. В статье представлено описание способа моделирования фильтрации техногенных выбросов, через водопроницаемые пласты промышленно-техногенной системы. Приводится анализ географического распределения выбросов на территории системы и скриншоты программы, для расчета потоков грунтовых вод, содержащих техногенные выбросы предприятий горно-металлургического комплекса. В дальнейшем планируется реализовать контроль над технологическими циклами для регулирования объемов техногенных выбросов в режиме on-line, за счет новой системы управления и принятия решений.
виртуальное моделирование.
электрическая модель
анализ
техногенные выбросы
промышленно-техногенная система
1. Жернов И.Е., Шестаков В.М. Моделирование фильтрации подземных вод. – М.: Недра, 1971.
2. Королев В.А. Водопроницаемость грунтов / Российская геологическая энциклопедия. – в 3 т. – Т. 1 (А-И). – М.; СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2010.
3. Купалян С.Д. Теоретические основы электротехники, ч.3, Электромагнитное поле. – М., 1970, 248 с. ил.
4. Соколов А.А., Соколова О.А. Реализация теории и методов мониторинга подземных вод на сеточных моделях участков экосистем как объектов с распределенными параметрами // Проблемы региональной экологии. – 2009. – № 3. – С. 138–141.
5. Соколов А.А., Соколова О.А., Соколова Е.А. Разработка стенда для исследования и моделирования экологических рисков // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). – 2009. – № 7. – С. 169–172.
6. Соколов А.А., Соколова Е.А. К проблеме повышения эффективности комплексной оценки влияния промышленных объектов на экосистемы // Экология урбанизированных территорий. – 2009. – № 3. – С. 42–43.
7. Соколов А.А. Исследование влияния промышленных объектов на окружающие экосистемы разработанными техническими средствами // Перспективы науки. – 2010. – № 4. – С. 110–113.
8. Соколов А.А. Разработка новых методов и средств анализа обработки информации и управления сложными природно-техническими системами // Доклады Московского общества испытателей природы. – М., 2010. – Т. 44.
9. Соколов А.А., Соколова Е.А. Геоинформационная система экологических рисков. Патент на полезную модель RUS 87280 от 22.06.2009.
10. Соколов А.А., Соколова Е.А. Анализ работы алгоритмов компрессии для сокращения объема цифровой информации // Перспективы науки. – 2010. – № 7. – С. 93–96.
11. Фильдчаков П.Ф., Панчишин В.И. Интеграторы ЭГДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводящей бумаге. – Киев: Типография Издательства АН УССР, 171 с.

Введение. Для вывода нового эффективного способа моделирования фильтрационного потока, содержащего техногенные загрязнения, участки промышленно-техногенной системы (ПТГС), через которые осуществляется фильтрация, предлагается разделять на подсистемы по коэффициенту фильтрации и разности гидравлических уклонов. В результате детализации получается сеточный вид участков ПТГС, который можно описывать математическими методами с использованием теории матриц и теории электрических цепей, предполагая, что участки подсистемы и их аналоги – участки электрической цепи характеризуются взаимно однозначными параметрами (табл. 1) [11].

Предложенный метод расчета и модели распространения техногенных выбросов разработан с использованием основ электрогидродинамической аналогии и математических методов, теоретической электротехники [1, 2]. В уравнениях состояния электрической цепи – аналога гидравлического участка системы используется аналогия между величинами стационарного электрического поля в проводящей среде и величинами стационарного поля фильтрации жидкости.

Таблица 1

Основные положения электрогидродинамической аналогии.

Основные уравнения и характеристики

Стационарное поле плотности тока
в проводящей среде

Стационарное поле фильтрации жидкости

;

(закон Ома)

h (закон Дарси)

электрический потенциал, В

H – пьезометрический напор, м

– плотность тока, А/м2

– скорость фильтрации, м/сут.

– удельная электропроводность, См/м

– коэффициент фильтрации, м/сут.

– сила тока, А

Q – фильтрационный расход, м3/сут.

Материалы и методы. В предлагаемом способе моделирования используется возможность перехода от уравнений поля к уравнениям объектов с сосредоточенными параметрами (от стационарного поля плотности тока в проводящей среде к электрическим цепям с сосредоточенными параметрами и от стационарного поля фильтрации жидкости к гидравлическим цепям с сосредоточенными параметрами).

В этом случае будут использованы аналогии между силой тока I фильтрационным расходом Q, между разностью электрических потенциалов Δj (падением напряжения U(В)) и разностью пьезометрических напоров Δh (гидравлическим уклоном ) – разности между пьезометрическими напорами h1 и h2 в начале и в конце исследуемого участка к длине этого участка l, а также между удельной электропроводностью G и коэффициентом фильтрации .

В процессе моделирования рассматривается система водопроницаемых пластов, в которых происходит фильтрация и в которых заданы структура пластов, определенная в результате реального разреза, коэффициенты фильтрации пластов и общий гидравлический уклон.

Основой моделирования является аналогия между законами Ома и законом Дарси, причем эти законы, относящиеся соответственно к скорости фильтрации и к плотности тока (строка 3 табл. 1), преобразуются в законы, использующие фильтрационный расход и силу тока путем умножения обеих частей уравнений на единицу площади, в предположении, что площадь фильтрации перпендикулярна фильтрационному потоку.

(1)

(2)

откуда

(3)

(4)

Далее при переходе от электрической модели к модели поля фильтрации жидкости (и наоборот) были использованы масштабные коэффициенты, определенные из начальных условий.

За аналог расхода фильтрационного потока Q на заданном участке пласта принимаем силу электрического тока I (показания амперметра) на соответствующем участке электрической цепи

, (5)

где – масштабный коэффициент фильтрационного расхода фильтрации, .

За аналог приведенного коэффициента фильтрации (характеризующего фильтрацию на единице площади) на исследуемом участке грунта принимаем приведенную электрическую проводимость на участке цепи G

, (6)

где - масштабный коэффициент приведенного коэффициента фильтрации ().

За аналог величины гидравлического уклона на участке грунта принимаем величину напряжения U на участке цепи

, (7)

где – масштабный коэффициент гидравлического уклона ().

Подставив в формулу (4) значения параметров через масштабные коэффициенты можно получить соотношение:

(8).

В процессе моделирования предполагалось, что коэффициенты фильтрации, характеризующие участки пластов, оставались постоянными, и для случая фильтрующейся жидкости вследствие выпадения осадков определялся возможный фильтрационный расход.

Для моделирования фильтрации осадков, содержащих техногенные выбросы горно-металлургического комплекса, был выбран разрез Северо-Осетинской равнины, где расположена исследуемая промышленно-техногенная система, с территорией, прилегающей к промышленным предприятиям ОАО «Электроцинк» и ОАО «Победит». На рис. 1 показан разрез с водопроницаемыми пластами, через которые осуществляется фильтрация грунтовых вод.

В табл. 1 приведены гидрогеологические характеристики водопроницаемых пластов на исследуемом участке с учетом [3], при этом коэффициент фильтрации пласта в дальнейшем был использован как аналог электрических проводимостей на электрической модели [4].

Рис. 1. Разрез центральной части Северо-Осетинской равнины, на которой расположена исследуемая промышленно-техногенная система

В настоящее время аналоговое моделирование может быть без потери качества эксперимента заменено виртуальным моделированием исследуемых процессов, поэтому авторы с учетом всех специфических особенностей решаемых задач для моделирования и расчета скорости фильтрационных потоков, содержащих техногенные загрязнения, использовали программу ElectronicsWorkbench.

На основе данных разреза по рис. 1 была составлена схема электрической модели, аналога разреза водопроницаемых пластов, представленная на рис. 2, и выполнен ее расчет. Полученные данные токов – аналогов фильтрационных расходов потоков грунтовых вод, содержащих техногенные загрязнения, хорошо согласуются с данными полевых экспериментальных исследований авторов [5 ,6] разработанными техническими средствами.

Так как ресурсы программы Electronics Workbench не позволяют использовать проводимости G, то в программе используются электрические сопротивления R, числовые значения которых пересчитаны для данных табл. 1, принадлежащие проводимостям водопроницаемых пластов. Гидравлический уклон на исследуемом участке площадью 1 км2 составляет 100 м и представлен на электрической схеме рис. 2 источником напряжения 100 В. С учетом вышеизложенного материала, по показаниям амперметров, установленных в каждой ветви схемы на рис. 2, можно определить расход фильтрационных потоков на участках исследуемой территории и произвести системный анализ фильтрационных расходов потоков, содержащих загрязнения, в каждом водопроницаемом пласте исследуемого участка, а следовательно, выполнить прогноз о распространении вредных выбросов по территории промышленно-техногенной системы грунтовыми водами.

Таблица 2

Сводные данные для моделирования в программе ElectronicsWorkbench фильтрации через водопроницаемые пласты разреза на рисунке 1.

Грунт

Значения коэффициентов фильтрации водопроницаемых пластов исследуемого разреза и соответствующих им значений электрических проводимостей и сопротивлений электрической модели

Водопроницаемый пласт

Коэффициент фильтрации пласта

KF, м/сут.

Проводимость

G, Ом-1

Сопротивление

R, Ом

Песчаные грунты

0,6–60

G1=22

R1=0,045

G2=11

R2=0,09

G3=5

R3=0,2

G4=2

R4=0,5

G5=8

R5=0,125

G6=17

R6=0,059

G7=14

R7=0,071

G8=4

R8=0,25

G9=15

R9=0,067

Супеси

0,01–1,0

G10=0,5

R10=2

G11=0,2

R11=5

G12=0,3

R12=3,33

G13=0,1

R13=10

G14=0,9

R14=1,11

G15=0,7

R15=1,43

G16=0,4

R16=2,5

G17=0,05

R17=20

Суглинки

0,005–1,0

G18=0,03

R18=33,3

G19=0,08

R19=12,5

G20=0,06

R20=16,67

G21=0,04

R21=25

G22=0,02

R22=50

G23=0,09

R23=11,1

G24=0,005

R24=200


Рис. 2. Скриншот виртуального моделирования фильтрации через водопроницаемый пласт


Следует иметь в виду, что для иных случаев необходимо в процессе моделирования соблюдать физическое, кинематическое и динамическое подобие и учитывать индивидуальные для каждого эксперимента масштабные коэффициенты. В табл. 3 показаны загрязненные участки в промышленно-техногенной системе г.Владикавказа, рассчитанные по предложенной методике и взятые скриншотами из программ, с которыми уверенно работает предложенная авторами система анализа, управления и принятия решений [6–8]. Для визуализации распространения техногенных выбросов и анализа их географического распределения была задействованная разработанная ранее геоинформационная система [9, 10].

Таблица 3

Представление исследуемой территории в различных вариантах, используемых для анализа состояния системы

Фото спутник

Карта

Схема распространения техногенных выбросов

1

2

3

 

 

 

Результаты исследований и их обсуждение. Таким образом, предложенная методика позволяет при наличии информации по гидрогеологическим характеристикам водопроницаемых пластов и объемам вредных выбросов промышленного предприятия определять потоки грунтовых вод, содержащих техногенные выбросы, и соответственно распределение загрязнений в грунтах промышленно-техногенной системы. Новый метод моделирования и анализа обработки информации и управления сложными системами повышает эффективность, качество и надежность сложных промышленных систем.

Выводы. В ходе исследований была расширена возможность применения электрогидродинамической аналогии, предложены новые схемы для электрического и виртуального моделирования, применение которых в блоке постоянно-действующих моделей системы анализа, управления и принятия решений и увеличивает эффективность анализа, обработки и визуализации информации по техногенному циклу промышленного предприятия.

Рецензенты:

Лолаев А.Б., д.т.н., профессор, и.о. директора, Северо-Осетинский филиал ОАО «МРСК Северного Кавказа», г. Владикавказ.

Сорокер Л.В., д.т.н., профессор, Научно-производственный комплекс «Югцветметавтоматика», г. Владикавказ.

Пачурин Герман Васильевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Производственная безопасность и экология» (ПБиЭ), Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.


Библиографическая ссылка

Петров Ю.С., Соколов А.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12143 (дата обращения: 19.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674