Введение к работе
Общая характеристика работы. Эффективность разрабатываемых природоохранных мероприятий в значительной мере зависит от методов исследования, от количественной и качественной оценки свойств загрязнителей. Для выявления степени воздействия нефтегазодобывающего производства на окружающую среду и определения необходимых мер по защите и очищению атмосферного воздуха, в работе использованы методы математического моделирования атмосферных процессов и процесса переноса вредных примесей в атмосфере. Важной задачей в проблеме охраны окружающей среды является обеспечение чистоты атмосферы. Накопление вредных примесей в приземном слое воздуха во многом зависит от метеорологических факторов, главным образом от устойчивости стратификации температуры воздуха и горизонтального переноса.
Работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР кафедры «Прикладная информатика» КазЭУ им. Т.Рыскулова и научно-исследовательского института математики и механики КазНУ им. Аль-Фараби.
Актуальность работы. Повышенный интерес к увеличению производственной мощности предприятий нефтяной и газовой промышленности приводят к серьезному антропогенному воздействию на окружающую среду, а при сильных аварийных ситуациях переходит в глобальную проблему. По основным предприятиям республики ежегодные выбросы в атмосферу составляют более 135,0 тысяч тонн. Актуальной остается проблема утилизации попутного газа в нефтегазодобывающих месторождениях, где они сжигается на факеле. Ежегодно растет число претензий и штрафов, которые в настоящее время по сравнению с 2001 г. увеличился 5 раз. Для реализации мероприятий по охране окружающей среды национальными компаниями ежегодно планируется более 1,8млрд.тенге. Однако это не всегда сопровождается осмысленной целенаправленной работой по созданию благоприятной системы управления охраны окружающей природной среды. Требуется научный подход при решении этих проблем.
Процесс распространения промышленных выбросов в атмосфере происходит за счет адвективного их переноса воздушными массами и диффузии, обусловленной турбулентными пульсациями воздуха. Естественно, что почти все примеси в конечном итоге осаждаются: тяжелые - в основном под действием гравитационного поля, а легкие - в результате диффузионного процесса. Поэтому задачи, связанные с изучением процессов, происходящих в атмосфере, является одним из важнейших проблем при изучении переноса вредных веществ в атмосфере, при исследовании которых широко используются математические модели, описывающие ряд процессов.
При решении научных и прикладных задач атмосферы и окружающей среды требуется детальное описание структуры метеорологических полей и процессов распространения примесей в атмосфере. Особенно остро эти задачи ставятся в последние годы в связи с активным влиянием человека на окружающую среду локального и глобального характера. При их оценке существенную роль должны сыграть математические модели, поскольку с их помощью можно оценить возмущения основных параметров, характеризующих изменения состояния климатической системы под влиянием естественных и антропогенных факторов.
Атмосферные процессы развиваются при совместном влиянии естественных и антропогенных факторов различных пространственно-временных масштабов. Учитывая имеющийся опыт в решении задач физики атмосферы, в работе за основу принять модели, описываемые системами полных уравнений гидротермодинамики атмосферы в неадиабатиче-
ском приближении с учетом процессов влагообмена и взаимодействия атмосферы с термически неоднородной поверхностью земли. К числу активных факторов отнесены воздействие воздушных масс на ограниченной территории на фоновые процессы и влияние источников антропогенного происхождения - тепла, влаги, различных примесей и изменений динамических, гидрометеорологических и теплофизических характеристик поверхности земли. Поэтому, математическое моделирование переноса вредных примесей в атмосфере является актуальной.
Цель работы заключается в обосновании, разработке, создании и применении научно обоснованных методов расчета высокоэффективных и многофункциональных моделей, предназначенных для описания переноса вредных веществ, выбрасываемых промышленными предприятиями в атмосферу, и анализе, прогнозе, оценке экологической ситуации промышленных регионов Республики Казахстан с учетом атмосферных процессов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
анализ и оценка хозяйственного воздействия на экологическое состояние воздушного бассейна промышленных регионов республики;
разработка математической модели для прогноза метеорологических параметров с учетом вертикальной турбулентной диффузии, тепломассы переноса, а также фазового перехода; теоретических задач гидротермодинамики и теплообмена многофазных сред с учетом взаимодействия подстилающей поверхности; методики учета незакрепленного верхнего слоя атмосферы;
разработка методики расчета переноса и рассеивания вредных веществ в пограничном и приземном слое атмосферы, а также методики расчета взаимодействия деятельного слоя почвы с воздушной массой;
разработка методики численного расчета прогноза погоды и переноса вредных веществ в воздушном бассейне, построение геоэкологической карты;
- практическое применение результатов вьиислительного эксперимента математической модели массоэнергообменных процессов, протекающих в атмосфере.
Основная идея работы заключается в методологическом обосновании и разработке математического аппарата определение влияния промышленного комплекса на окружающую среду и оценки экологической обстановки конкретного региона, т.е. в разработке математической модели для прогноза метеорологических параметров, решении задач гидротермодинамики и теплообмена многофазных сред, модельной оценке влияния загрязнения воздушного бассейна на здоровье человека, для анализа и оценки хозяйственного воздействия на экологическое состояние воздушного бассейна промышленных регионов республики.
Методы и объекты исследования. В работе использованы классические методы экологической оценки и системно-аналитический подход, включающий методы теорий систем, модели расчета рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, методологии учета показателей экономического ущерба. Объектами исследования являются процессы, происходящие в реальной атмосфере, в том числе при переносе и диффузии загрязняющих веществ, а также техногенные загрязнения и выбросы, оказывающие отрицательное воздействие на окружающую природную среду нефтегазовых производств Казахстана.
Научная новизна работы, в том числе по специальности 25.00.36:
созданы оперативные математические аппараты переноса вредных веществ в атмосфере, учитывающие влияние деятельного слоя почвы, свободной незакрепленной границы, тепломассообмена, вертикальной термодиффузии, фазового перехода;
создана геоэкологическая карта с учетом орографии местности и атмосферных про-
цессов на примере Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения, проведено экологическое картографирование районов технополиса;
- рассчитаны экономический ущерб и экономическая эффективность воздухоохранных
мероприятий.
по специальности 05.13.18:
разработана математическая модель глобальных метеорологических процессов реальной атмосферы с учетом массовых сил, орографии земной поверхности, баланса влаги в атмосфере, притока тепла, в том числе и радиационного притока тепла, неоднородности атмосферных сред, ненасыщенной (насыщенной) атмосферы при наличии конденсации, вертикального движения в облачной атмосфере, а также с учетом фронтальных поверхностей атмосферного воздуха, турбулентной диффузии, температурной стратификации, фазового перехода, тепломассообмена;
разработаны методы расчета, а также поставлена и решена задача переноса и рассеивания вредных веществ в воздушном бассейне (пограничном и приземном слоях атмосферы) с учетом атмосферных процессов, используя методы гидротермодинамики и многофазных сред, термодиффузии;
разработаны в комплексе численная реализация схем для моделирований циркуляционной атмосферы и переноса вредных примесей в атмосфере.
Научные положения, выносимые на защиту, в том числе по специальности 25.00.36:
закономерность экологической обстановки региона в результате техногенной деятельности;
орографическое описание, климат и климатические особенности загрязнения атмосферы, сезонные колебания загрязнения промышленных регионов, зависимость загрязнения от метеорологических условий и связь состояния загрязнения атмосферы от условий ее циркуляции; анализ и инициализация исходной метеоинформации и параметров выбросов источников вредных веществ;
результаты исследования бароклинных процессов в сжимаемой атмосфере: выявлен важный фактор, играющий большую роль в динамике бароклинных преобразований -внешние притоки тепла;
распространения примесей в пограничном и приземном слое атмосферы,
описания рассеивания примесей в приземном слое атмосферы для наиболее аномальных метеоситуаций на основе диффузионных моделей
по специальности 05.13.18:
основные уравнения динамики реальной атмосферы в поле массовых сил и уравнения горизонтального движения с учетом неровности земной поверхности, получены прогностические уравнения для сглаженных значений метеорологических элементов в сжимаемой атмосфере при заданных внешних радиационных притоках тепла и соответствующих начальных и краевых условиях;
основные уравнения атмосферной циркуляции и конечно-разностная схема решения задачи с учетом приземного трения и орографии с применением полуявной схемы реализации прогностической модели, а также численные модели неадвективных изменений давлений бароклинных процессов атмосферы и краткосрочного прогноза, оценка роли турбулентной диффузии, моделирование динамики вертикальных движений в облачной атмосфере;
- модели приземного слоя атмосферы с незакрепленной верхней границей; общая
структура и основные входные данные модели переноса примесей в атмосфере;
- моделирование распространения вредных веществ при переменном профиле скоро-
сти, переноса и диффузии примесей с учетом классификации атмосферной устойчивости, квазистационарное моделирование распространения вредных веществ в нижнем слое атмосферы;
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели изменения экологического состояния региона нефтегазовой промышленности позволяют оперативно принимать решении эффективного безопасного управления эколого-экономической системой. Разработанные модели могут быть использованы промышленными предприятиями РК для эффективного решения экологических проблем. Комплекс разработанных решений обеспечивает возможность эффективного решения экологических проблем и задач распространения вредных примесей в атмосфере, выделяемых промышленными предприятиями региона, используя гео-эколого-экономико-математические модели, которые более экономичнее по сравнению с другими методами исследования. Методика анализа исходных параметров и расчета переноса в воздушной среде использованы при выполнении НИР «Разработка компьютерных технологий и программных комплексов для решения проблем экологической безопасности в нефтегазодобывающих регионов РК» в рамках НТП МОиН РК «Научно-техническое обеспечение развития промышленности Республики Казахстан», проводимой в НИИ ММ КазНУ имени аль-Фараби. Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются при чтении курсов учебных дисциплин при подготовке бакалавров и магистров по специальностям 050609-экология, 050703 - Информационные системы, 050704 - вьиислительная техника и программное обеспечение в КазЭУ им. Т.Рыскулова, 050609-экология, 010940-экология и природопользования в КазГосЖенПУ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
использованием фундаментальных закономерностей распространения вредных примесей в атмосфере и механизмов взаимодействия с воздушной средой;
достаточной сходимостью между натурными исследованиями, полученными при анализе объекта исследований (Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения) и с результатами теоретических исследований;
разработанными численными алгоритмами и построенными математическими моделями, опирающимися на общеизвестные в прикладной математике и экологии методы;
положительными результатами, полученными при внедрении основных положений диссертационной работы на Кияктинской топливно-ресурсной компании, в учебном процессе подготовки студентов.
основными научными результатами диссертации, которые широко обсуждены на различных международных и республиканских научных конференциях и семинарах.
Апробация практических результатов работы. Разработанные модели и методика проведения модельных исследований прошли натурно-экспериментальную проверку и обоснована их практическая применимость в условиях производства в:
Кияктинской топливно-ресурсной компании (КТК);
Алматинском городском территориальном управлений охраны окружающей среды.
Подтверждена полнота, достоверность и эффективность мероприятий, рекомендованных и внедренных на предприятиях нефтегазового комплекса.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных конференциях: "Математическое моделирование и информационные технологии в образовании и науке" (А., 1998), П,Ш "Математическое моделирование научно-технологических и экологичес-ких проблем в нефтегазодобывающей промышленности" (А., 1998,2000), «Проблемы ВМиИТ» (А., 1999),
«Акад. К.Сатпаев и его роль в развитии науки, образования и ин-дустрии в Казахстане» (А., 1999), «КазНТУ-образованию, науке и производству РК» (А., 1999), of the second international conference in the republic of Kazakhstan KazITC'99 (A.,1999), HI,V традиционных «Новое в охране труда и окружающей среды и защите человека в ЧС» (А. ,2000, 2002), «Инженерная наука на рубеже XXI века» (А. ,2001), «Проблемы ММиИТ» (Бишкек,2001), «Математическое моделирование механических систем и физических процессов» (А. ,2001), «Региональные проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности» (А., 2002), «Развитие экономической мысли в РК» (А.,2006), «Научно-технические, духовные ценности в наследии мыслителей востока и А.Машани» (А.,2006), «Инновационные пути развития нефтегазовой отрасли РК» (А., 2007), ПДТЦУ «Рыскуловские чтения» (А.,2007,2008,2009), «Банк года в странах СНГ: международный опыт и Казахстанская практика» (А.,2007), «Наука и инновации на железнодорожном траспорте» (А.,2007), «Прикладные аспекты информатики и математической экономики» (Душанбе,2008), «ВИТ» (Алматы-Новосибирск,2008), по распространению упругих и упругогшастических волн (Биш-кек,2009), «Актуальные проблемы математики, информатики, механики и теории управления» (А.,2009), «Наука в информационном пространстве» (Днепропетровск,2009), «Актуальные проблемы естественно-научных дисциплин» (А. ,2010); на республиканских научно-практических конференциях: ФАН (Ташкент,1999), АН РУз "Современные проблемы механики" (Ташкент,2001), «Современные проблемы регионального управления экономикой РК» (А.,2000) и Ассамблее исследователей нефтегазопромысловых регионов РК (Ак-тау, 1998).
Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования; моделировании состоянии реальной атмосферы; математическом моделировании процесса переноса загрязняющих веществ в пограничном и приземном слое атмосферы; в расчетах и оценке загрязнения компонентов природной среды, практическом применении результатов вычислительного эксперимента и математической моделировании массоэнергообмен-ных процессов, протекающих в атмосфере.
Публикации. Основные научные результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 79 научных работах, в том числе 3 монографии, 23 статьей в 12 различных научных журналах, рекомендованных комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК, 15-за рубежом. 11 работ опубликовано единолично.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из 517 наименований. Общий объем диссертации 300 страниц, включая 41 рисунков, 51 таблиц.
