Введение к работе
Актуальность темы. Лучшее понимание судьбы и путей миграции химикатов, поступающих в окружающую сред}' вследствие техногенной деятельности, позволяет более точно оценивать и контролировать их результирующее воздействие на природ}- и человека. Математические модели являются мощным инструментом исследования такой миграции.
В последнее время растет интерес к исследованиям особенностей распространения загрязняющих веществ в пространственно-неоднородных условиях. Это вызвано тем обстоятельством, что хотя земная поверхность в основном является неоднородной, большинство разработанных до настоящего времени моделей миграции химикатов предполагают се горизонтальную однородность. Процессы распространения и рассеяния загрязняющих веществ в пространственно-неоднородных районах сильно отличаются от рассеяния в однородных условиях. Если для таких районов использовать существующие методы расчета переноса для равнинной местности, то расчетные значеній концентрации могут отличаться от измеренных в 10-15 раз. Кроме того, существенная пространственная неоднородность метеорологических полей в условиях сложной орографии не позволяет ограничиться минимальным набором метсопараметров, обычно используемым для описания процессов рассеяния загрязняющих веществ в равнинных районах.
Модели, обычно используемые для расчетов рассеяния загрязняющих веществ в поверхностных водах, требуют большого числа входных параметров и малопригодны для подготовки прогноспгческих или диагностических расчетов без предварительной калибровки. Такие модели практически невозможно использовать, если доступна только стандартно получаемая на метеостанциях и гидролопгческих постах информация.
Теоретическим и экспериментальным исследованиям переноса загрязняющих веществ в условиях пространственной неоднородности в последнее время уделяется достаточно большое внимание. Однако сложность и многопараметричность процессов рассеяния в таких условиях не позволяет построить всеобъемлющую модель, которой описывались бы все эффекты, вызванные действием пространственной неоднородности.
Большой вклад в развитие методов расчета распространения примесей в окружающей: среде внесен работами отечественных исследователей А.Е. Алояна, М.Е. Берлянда, Н.Л. Бызовой, Е.К. Гаргера, ЕЛ. Гсниховича, Ю.А. Израэля, Г.И. Марчука, А.С. Монина, A.M. Обухова. ВВ. Пененко. А.Я. Прессмана, A.M. Яглома и др.
Цель работы. Основной целью исследований, результаты которых изложены в данной работе, была разработка математических подходов и способов прогнозирования переноса и трансформации загрязняющих веществ в условиях,
когда нельзя пренебрегать пространственной неоднородностью окружающей среды. При этом основными задачами работы являлись следующие: выявление основных механизмов, имеющих определяющий вклад в переносе загрязняющих веществ в окружающей среде в условиях, когда необходим учет влияния водоемов на такой перенос, разработка математических методов параметризации этих механизмов; создание физико-математических моделей различных типов течений и переноса загрязняющих веществ в этих течениях; постройте численных алгоритмов и их компьютерная реализация; верификация разработанных моделей путем сравнения с данными экспериментов и иллюстрация возможностей их практического использования; демонстрация возможностей моделей для решения ряда конкретных прикладных задач.
Научная новизна определяется следующим.
Впервые разработана математическая модель бризовой циркуляции с достаточной степенью пространственного и временного разрешения для описания как средней картины поля течения, так и таких деталей, как зона фронта бриза, термический внутренний пограничный слой. С ее помощью выявлены неизвестные ранее закономерности течения в зоне, охватываемой бризовой циркуляцией. Это особенности влияния крупномасштабного фонового ветра на основные характеристики бризовой циркуляции, показано, что такое влияние существенно нелинейно. Впервые теоретически обнаружена при помощи разработанной модели тонкая структура поля течения впереди фронта бриза - система циркуляционных ячеек, которые существенным образом изменяют процессы тепломассопереноса в области фронта бриза, определены значения внешних параметров, при которых происходит их возникновение.
Разработана математическая модель переноса примесей в условиях бризовой щфкуляции, которая позволила выявить роль неоднородности полей ветра и турбулентности в условиях бриза на характеристики рассеяния примеси. Показано, что наибольшую роль в рассеянии загрязняющих веществ в зоне, охватываемой бризовой щгркуляцией, играет неоднородность и нестационарность полей ветра, вклад турбулентного перемешивания при этом относительно меньше. Продемонстрировано, что фронт бриза является эффективным барьером на пути проникновения загрязняющих веществ вглубь суши.
Теоретически исследованы условия обострения или ослабления фронта циркуляционного течения, вызванного действием силы плавучести, влияние на это интенсивности турбулентности, пространственного распределения плотности среды.
На основе проведения специальных измерешгй показано, что при форміфовании загрязнения рек долгоживущими радионуклидами влияние неоднородностеи загрязнения прилегающей к реке территории (или донных отложений) из-за процессов сорбции и седиментации-взлгучивания протирается
только на небольшое расстояние. Теоретически выявлена и подтверждена по данным натурных измерений переноса долгоживущнх радионуклидов в поверхностных водах роль седиментационно-эрозионных и сорбционно-десорбционных процессов как факторов, определяющих степень изменения по отношению к скорости водного потока скорости миграции сорбирующихся загрязняющих веществ вдоль русла реки или по поверхности водосборов. Получено уравнение, позволяющее рассчитывать степень замедления скорости переноса сорбир}іощихся химикатов вдоль реки (или поверхности водосбора) по отношению к скорости водного потока. При этом показано, что эффективная скорость переноса долгоживущнх радионуклидов вдоль реки (или вдоль поверхности водосбора) уменьшается во много раз по сравнению со скоростью водного потока.
Теоретически показано и подтверждено данными наблюдений . что периодические колебания концентрации в водоеме, связанные с сезонной периодичностью поверхностного смыва, приводят к таким же колебаниям концентрации в верхнем слое донных отложений, однако в донных отложениях эти колебания затухают с глубиной. Глубина проникновения колебаний в слой донных отложений и их фаза определяются эффективным коэффициентом диффузии, т.е. зависят от характеристик донных отложений и физико-химических свойств мигрирующего радионуклида..
Научная обоснованность и достоверность. Достоверность положений и выводов работы подтверждается сравнением полученных результатов с материалами наблюдений. Некоторые результаты нашли подтверждение в более поздних исследованиях. Достоверность численных расчетов обеспечивается их сопоставлением с экспериментальными результатами и с известными аналитическими решениями ряда частных задач.
Научная и практическая значимость. Результаты работы представляют собой новое крупное достижение в развитии перспективного научного направления, связанного с изучением механизмов переноса загрязняющих веществ в окружающей среде в нестационарных и пространственно-неоднородных условиях и созданием методов расчета переноса загрязняющих веществ в таких условиях. Разработанные математические модели переноса и рассеяния загрязняющих веществ в условиях пространственной неоднородности и найденные с их помощью закономерности переноса и рассеяния загрязняющих веществ в таких условиях образуют научную основу для разработки практических способов прогноза таких процессов.
На основе результатов исследовании предложены и использовались при работах по ликвидации последствий Чернобыльской аварии способы прогноза загрязнения поверхностных вод.
Результаты расчетов по исследованию переноса примеси в условиях бриза использованы в руководящем документе Госкомгидромета, ряд результатов
исследований по моделированию миграции радионуклидов в поверхностных водах вошли в руководящий документ Госкомгидромета и в руководство Всемирной Метеорологической Организации.
Основные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем.
1. Адекватность полученных результатов исследований специфических
характеристик течений в области фронта бризовой циркуляции и формирования
внутреннего термического пограничного слоя при бризах.
2. Основные принципы построения математической модели для расчетов
рассеяния загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от источников
произвольного размера, формы и времени действия, в условиях бризов.
Результаты анализа при помощи этой модели роли неоднородности нолей ветра
и турбулентности на характеристики рассеяния примеси в различных
характерных для бризов зонах и на различных этапах развития бриза.
-
Роль седиментационно-эрозионных и сорбционно-десорбционных процессов как факторов, определяющих степень изменения по отношению к скорости водного потока скорости миграции сорбирующихся загрязняющих веществ вдоль русла реки или по поверхности водосборов. Обоснование наличия такого замедления при переносе радионуклидов (или гидрофобных химикатов) вдоль речного русла и метод вычисления средней скорости такого переноса и определение фактора замедления в процессах переноса водным потоком сорбирующихся загрязняющих веществ по поверхности водосборов.
-
Результаты расчетно-теоретических исследований механизма формирования уровней радиоактивного загрязнения поверхностных вод с учетом влияния сезонных колебаний поверхностного смыва радионуклидов на их распределение в слое донных отложении водоемов.
5. Комплекс математических моделей для краткосрочного (сезон) и
долгосрочного (годы) прогноза загрязнения долгоживущими радионуклидами
основных рек на территориях, подвергшихся влиянию Чернобыльской аварии.
Результаты использования моделей для прогнозов загрязнения основных рек
зоны влияния Чернобыльской аварии.
Изложенные в работе результаты получены в 1974-1993 гг. в Институте экспериментальной метеорологии в ходе выполнения плановых НИР, в том числе заданий "Комплексной программы научно-исследовательских работ по оценке и прогнозированию радиационной обстановки в зоне аварии на Чернобыльской АЭС на 1986-1990 гг.", "Государственной союзно-республиканской программы неотложных мер на 1990-1992 гг. по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС", раздел 1, Постановления ГКНТ N 140 от 08.05.85, тем 5.1.5.2 и 4.2.5 Государственной научно-технической программы "Экология России".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Всесоюзной конференции
по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и погранігчном слоях атмос<)>еры (Обнинск 1981); Всесоюзном семинаре "Методы математического моделігрования, экспериментального исследования и прикладные аспекты турбулентной диффузии в атмосфере" (Новосибирск 1983); Международной конференции ВМО по моделированию загрязнения атмосферы и его применениям (Лешшград, 1986); советско-американском симпозиуме "Поведение песпщццов и химикатов в окружающей среде" (Айова-Сити, США, 1987); Всесоюзной конференции "Радиационные аспекты Чернобыльской аварии" (Обнинск 1988); II заседании рабочей группы ВМО по выбросам опасных веществ в атмосферу (Киев, 1988); III Всесоюзном симпозиуме "Изотопы в гидросфере" (Каунас, 1989); I Всесоюзном радиобиолопгческом съезде (Москва, 1989); Международном семинаре "Современные методы математического моделирования распространения примесей в атмосфере при нарушении нормальных условий эксплуатации АЭС" (Москва, 1989); III Международной конференции "Поддержка систем принятия решений на аварийно опасных объектах" (Шлосс-Элмау. Бавария, 1992), конференции "Миграция радионуклидов в водных системах" (Обнинск, 1993), Всероссийской конференции "Радиоэкологические, медицинские и социально-зкономігческне последствия аварии на Чернобыльской АЭС" (Голнцино, 1995), международной конференции "Воздействие атомных злектрігческих станций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы" (Обнинск, 1996).
Начиная с 1986 года подготавливались прогнозы вторичного радиоактивного загрязнения основных рек в результате паводков и половодий на территориях, подвергшихся влиянию аварии на Чернобыльской АЭС и давались оценки и предложеши по проведению водоохранных мероприятий. Результаты прогнозов представлялись в Правительственную комиссию.
По теме диссертации опубликовано более 50 работ, включая материалы конференций.
Ряд результатов работы вошли во всесоюзные руководящие документы и в руководство ВМО.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и зактючсгаш. Основная часть диссертации содержит 239 страниц текста, включая 55 рисунков. Список цитированной литературы включает 185 наименований.