Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Растительный массив как экологический объект 13
Глава 2. Современные методы моделирования механических процессов в задачах экологии 33
2.1. Методы решения задач механики жидкостей и газов 33
2.1.1. Экспериментальные исследования 37
2.1.2. Перенос примесей воздушным потоком 39
2.1.3. Движение многофазных и химически активных примесей 43
2.1.4. Взаимодействие газовых потоков с препятствиями 46
2.1.5. Трансформация воздушного потока растительностью 47
2.2. Полуэмпирические модели турбулентности 55
2.2.1. Алгебраические модели турбулентной вязкости 57
2.2.2. Однопараметрические модели 59
2.2.2.1. Перенос турбулентной вязкости 59
2.2.2.2. Перенос кинетической энергии турбулентности 60
2.2.3. Двухпараметрические модели 60
2.2.3.1. Кинетическая энергия и масштаб турбулентности 61
2.2.3.2. Кинетическая энергия и скорость диссипации 61
2.2.3.3. Модифицированная К-є модель 63
2.2.3.4. Масштаб скорости и удельная скорость диссипации 64
2.2.3.5. Кинетическая энергия и удельная скорость диссипации 64
2.2.4. Модели переноса напряжений Рейнольдса 66
2.2.4.1. Упрощенная модель рейнольдсовых напряжений 67
2.2.4.2. Алгебраическая модель рейнольдсовых напряжений 68
2.2.4.3. Объединенная К-є и алгебраическая модель 68
2.2.5. Модели турбулентности в растительных массивах 69
2.3. Моделирование рассеяния примесей атмосферными потоками 72
2.3.1. Эйлеровы модели 76
2.3.2. Модели гауссова типа 80
2.3.3. Лагранжевы модели 83
2.3.4. Прикладные задачи экологии 89
2.3.5. Перенос и рассеяние выхлопных газов автотранспорта 94
Глава 3. Взаимодействие воздушного потока и растительного массива 104
3.1. Антропогенное загрязнение атмосферы 105
3.2. Одномерная модель 108
3.2.1. Постановка задачи 108
3.2.2. Методика решения 110
3.2.3. Анализ результатов 112
3.3. Двухмерная модель 116
3.3.1. Постановка задачи 120
3.3.2. Методика решения 123
3.3.2.1. Уравнения движения 123
3.3.2.2. Уравнение неразрывности 129
3.3.2.3. Уравнение энергии турбулентности 131
3.3.2.4. Уравнение диссипации турбулентной энергии 134
3.3.2.5. Уравнение концентрации примеси 136
3.3.3. Частные случаи задачи взаимодействия растительного массива и воздушного потока 138
3.3.3.1. Решение в переменных «скорость - давление» 141
3.3.3.2. Двухполевой метод («функция тока - завихренность») 142
3.3.3.3. Метод Давыдова (крупных частиц) 146
3.4. Анализ результатов 151
Глава 4. Взаимодействие растительного массива с облаком загрязнения 171
4.1. Двухмерная модель формирования облака загрязнения 177
4.1.1. Постановка задачи 180
4.1.2. Методика решения 184
4.2. Упрощенная модель формирования облака загрязнения 184
4.3. Анализ результатов 186
4.4. Трехмерная модель 196
4.5. Движение облака загрязнения через растительный массив 205
Глава 5. Взаимодействие растительного массива с выхлопными газами автомобильного транспорта 212
5.1. Модель переноса и рассеяния выхлопных газов транспортного потока 219
5.2. Определение размера представительного участка автотрассы 238
5.3. Взаимодействие выхлопных газов с растительным массивом 243
5.3.1. Автотрасса как стационарный источник выбросов 243
5.3.2. Влияние лесного массива на концентрацию выхлопных газов...247
Глава 6. Растительный массив как источник фоновых концентраций 258
6.1. Особенности переноса и рассеяния примесей в растительном массиве 260
6.2. Вытеснение загрязнения из растительного массива 274
Выводы 289
Библиографический список 291
Приложения 325
- Растительный массив как экологический объект
- Полуэмпирические модели турбулентности
- Частные случаи задачи взаимодействия растительного массива и воздушного потока
- Упрощенная модель формирования облака загрязнения
Введение к работе
По данным государственной службы наблюдений за состоянием атмосферного воздуха в России в последние годы отмечается снижение количества выбросов вредных веществ, в том числе за счет уменьшения объемов производства, реконструкции и технического перевооружения предприятий черной и цветной металлургии, химической промышленности. Вместе с тем кризисная ситуация, вызванная загрязнением воздушного бассейна, в целом сохраняется. К настоящему времени в условиях высокой аэрогенной нагрузки (более 10 значений предельно допустимых концентраций) проживает около 50 млн человек [12]. Эффективность природоохранных решений в условиях интенсивной техногенной нагрузки окружающей среды промышленно развитых территорий определяется не только полнотой контроля над объемами и составами выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, но и максимальным учетом условий и закономерностей переноса и рассеяния примесей. Изучению метеорологических процессов в нияших слоях атмосферы, анализу взаимодействия воздушных потоков с легкими и тяжелыми примесями, оценке влияния антропогенного загрязнения на состояние окружающей среды, разработке математических моделей экологических процессов посвящены фундаментальные исследования А. Е. Алояна, М. Е. Берлянда, Н. Л. Бызовой, Ю. М. Давыдова, А. Б. Казанского, Г. И. Марчука, А. С. Монина, В. В. Пененко и других ученых.
Исследования состояния воздушной среды территорий с высокой экологической нагрузкой при наличии больших лесных массивов свидетельствуют о сложных процессах накопления и трансформации потоков загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Замеры концентраций примесей в атмосферном воздухе над территориями, прилегающими к лесопарковому комплексу, а также непосредственно в самом лесном массиве выявили определенную аккумулирующую способность зон растительности. Установлено, что накопление загрязняющих веществ наблюдается в случае повышенной концентрации примесей в атмосферном воздухе при направлении
ветра от источника загрязнения. При смене ветра происходит постепенное вытеснение загрязняющих веществ из растительных массивов.
Необходимо отметить, что на процессы накопления и последующего выноса из лесного массива газообразных примесей влияет множество факторов: рельеф лесопарковых зон, неоднородность в расположении источников промышленных выбросов и их высот, условия поступления загрязняющих веществ в атмосферу, направление и скорость ветра, температура и влажность воздуха, высота деревьев и густота посадок, тип растительности и многое другое. В таких условиях выявление качественных закономерностей и построение каких-либо количественных зависимостей рассматриваемого процесса только на основе обработки данных натурных измерений потребуют значительных затрат. Экспериментальному исследованию взаимодействия растительности с атмосферными потоками посвящены работы Н. В. Бажуковой, Э. П. Галенко, Ю. Л. Матвеева, В. В. Мелашенко, Ю. Л. Раунера, Г. Ф. Хильми, Н. R. Oliver, М. R. Raupach и целого ряда других авторов.
В этой связи представляется актуальным построение ряда математических моделей, базирующихся на использовании общих физических законов, описывающих анализируемый процесс. Компьютерное моделирование процессов загрязнения атмосферного воздуха является наиболее целесообразным способом оценки экологической ситуации региона (производственного объекта, полигона, промышленной зоны, жилого района, участков сельскохозяйственного производства). Вычислительный эксперимент позволяет, во-первых, получать наиболее полные данные о состоянии окружающей среды, во-вторых, такой подход экономичен, в-третьих, более информативен по сравнению с традиционным мониторингом, и, наконец, позволяет делать превентивные оценки для аварийных ситуаций, натурное моделирование которых чрезвычайно опасно. Вопросы математического моделирования взаимодействия воздушных потоков с растительным покровом рассматриваются в исследованиях Л. П. Быковой, А. М. Гришина, А. С. Дубова,
СВ. Марунича, Г. В. Менжулина, A. S. Thorn, S. Barr и других.
В настоящей работе принято во внимание, что основная часть воздушных масс обтекает препятствие в виде лесного массива, при этом внутрь леса попадает незначительная часть потока воздуха. Это означает, что газообразная примесь, заносимая ветром в глубь леса, начинает дрейфовать со значительно меньшей скоростью, нежели в основном потоке. В результате лес играет роль накопителя загрязняющего вещества, сохраняющего его даже в том случае, когда первичный источник прекращает действовать, и чистый поток воздуха уносит все примеси из окружающей лес области. Смена направления ветра приводит к выносу ранее накопленных примесей из леса, исполняющего теперь роль источника повторного загрязнения. В рамках этой модели основной причиной накопления и повторного выброса загрязняющих веществ является резкое замедление скорости воздушного потока внутри лесного массива.
Необходимо отметить, что указанный механизм может быть не единственным, поскольку концентрация загрязняющих примесей зависит также от степени поглощения и последующего выделения растительностью рассеянных в воздушном потоке веществ. В рамках используемой механической постановки нет возможности учесть влияние осадков (дождя и снега), влажности воздуха, температурной стратификации, взаимодействия примесей между собой с образованием новых соединений и ряд других факторов.
В настоящей работе анализируется взаимодействие растительных массивов с потоками примесей от источников загрязняющих веществ трех типов. В первом случае рассматривается удаленное предприятие, когда в потоке воздуха загрязняющее вещество распределено относительно равномерно по высоте приземного слоя.
Второй случай - загрязнение от локального кратковременно действующего источника. В этом случае через растительный массив проходит облако интенсивного загрязнения, имеющее конечные размеры. В качестве
иллюстрации рассматривается работа жидкостного ракетного двигателя во время технологических испытаний, которые сопровождаются выбросом газообразных веществ, являющихся продуктами сгорания компонентов топлива. За время испытаний в окружающую среду попадает значительная масса оксидов углерода и азота, представляющих реальную опасность для работников предприятия и жителей близлежащих районов. Основными задачами исследования являются отслеживание стадий формирования газообразного облака, определение его размеров и конфигурации, расчет концентраций оксидов углерода и азота вблизи испытательного стенда и при взаимодействии облака загрязнения с растительным массивом.
Моделирование высокоскоростных газовых потоков связано со значительными трудностями при решении больших систем нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных. Большой вклад в разработку методов решения прикладных задач динамики жидкости и газа внесли Ю. М. Давыдов, А. М. Липанов, Г. И. Марчук, В. В. Пененко, У. Г. Пирумов, Г. С. Росляков, Е. Л. Тарунин, Н. Н. Яненко, Л. Н. Ясницкий, К. Ях и
ДРУГИЄ.
Третий тип - наземный источник загрязнения. В качестве примера рассматривается автомобильная трасса. Теоретическое и натурное исследование переноса и рассеяния примесей, выбрасываемых потоком движущихся автомобилей и переносимых воздушным потоком сквозь растительные массивы, представляет существенные сложности, обусловленные нестационарностью рассматриваемого процесса и случайным характером появления автомобилей. Концентрации примесей в произвольной точке изучаемой области зависят от объемов отработанных газов, выбрасываемых всеми автомобилями, одновременно находящимися на рассматриваемом участке и являющимися подвижными точечными источниками загрязнения. В настоящей работе исследуется зависимость от времени и координат концентрации выхлопных газов, определяются ее стохастические
характеристики. Анализу процессов переноса и рассеяния выхлопных газов автомобильного транспорта посвящены работы П. Н. Белова, О. Д. Волковой, О. В. Родивиловой, А. В. Рузского, D. P. Chock, А. К. Luhar, P. S. Kasibhatla и других исследователей.
В первой главе лесной массив представлен как экологический объект. Рассматривается взаимное влияние его основных составляющих: почвы, растительности и атмосферы. Отмечается, что лес может служить как поглотителем, так и источником газообразных веществ и твердых частиц. Оценивается влияние загрязняющих примесей, газов и металлов на жизнедеятельность деревьев.
Во второй главе рассматриваются основные методы определения динамических характеристик газовых потоков, типы моделей процессов переноса и рассеяния примесей (эйлеровы, гауссовы и лагранжевы), наиболее известные полуэмпирические модели турбулентности, в том числе используемые при моделировании газовых потоков в растительности.
В третьей главе исследуется взаимодействие растительного массива с потоком газовоздушной смеси. Представлена математическая модель, описывающая основные характеристики турбулентного воздушного потока, а также упрощенные модели рассматриваемого процесса. Полученные численные результаты сравниваются между собой и с известными экспериментальными данными. Представлено решение задачи о накоплении и переносе примеси от удаленного источника. Приводится описание результатов, анализируется механизм механического удержания легких газовых примесей внутри растительного массива, делаются выводы о возможности и необходимости учета лесопарковых зон при назначении нормативов выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями.
В четвертой главе строится модель взаимодействия растительного массива с проходящим над ним облаком загрязнения. Описывается алгоритм решения задачи о движения газового потока, образованного продуктами сгорания
компонентов топлива, при проведении технологических испытаний ракетного двигателя, рассматривается эволюция облака загрязнения. Приводятся результаты вычислительного экспреримента: поля скорости, давления, плотности, концентрации примесей.
Пятая глава рассматривает вопросы моделирования загрязнения атмосферного воздуха выхлопными газами автомобильного транспорта. Ставится и решается задача о переносе и рассеянии выхлопных газов от случайного автомобильного потока, описываемого пуассоновским процессом. Приводятся оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения концентрации примеси в зависимости от интенсивности автотранспортного потока, мощности выброса выхлопных газов, метеорологических условий. Ставится и решается задача об аппроксимации множества подвижных источников примесей моделью прямолинейного стационарного источника, распределенного вдоль автомобильной трассы. Приводится оценка длины участка дороги, который может считаться представительным с точки зрения полноты получаемой информации о концентрации загрязняющей примеси. Рассматривается задача о поступлении в лесной массив, расположенный в непосредственной близости от автотрассы, выхлопных газов, исследуется влияние удерживаемых растительным массивом примесей на суммарную концентрацию загрязнения возле дороги.
В последней, шестой, главе изучается возможность учета лесопарковых зон в качестве источников повторного антропогенного загрязнения. Определяется длительность вытеснения загрязненного воздуха из растительного массива, оценивается среднее по времени значение концентрации примеси, рекомендуемое для учета в качестве фонового при назначении нормативов предельно допустимых выбросов в атмосферу загрязняющих веществ.
Растительный массив как экологический объект
Экосистема - это природная целостность, все организмы которой на данной территории взаимодействуют с физическим окружением, порождая потоки энергии, обусловливающие четко выраженную трофическую структуру, видовое разнообразие и обмен веществ между ее биотическими и абиотическими составляющими [173]. В число компонентов входят неорганические и органические вещества, продуценты , макро- и микроконсументы4, климат. Процессы включают потоки энергии, пищевые цепи, биогеохимические циклы, развитие, эволюцию разнообразных структур.
Основной целью исследования лесной экосистемы является комплексная оценка растительного сообщества, то есть определение основных показателей, адекватно отражающих состояние атмосферы, почвы и растительности на данный момент времени в рассматриваемом географически определенном регионе, а также с высокой степенью достоверности прогнозирующих это состояние на ближайшую и отдаленную по времени перспективу.
Растительность, как основная часть лесной экосистемы, выполняет функции поглощения газообразных примесей из атмосферного воздуха, удерживает микрочастицы и жидкость на поверхности листьев, ветвей и стволов, забирает жидкость и питательные вещества из почвы, преобразует их в биомассу, выбрасывает продукты жизнедеятельности в атмосферу и почву (дыхание, испарение, опад листьев, пыльца, семена).
Функции атмосферы, как составной части биогеоценоза, заключаются в формировании микроклиматических условий (температура, влажность, давление), в доставке газов и аэрозолей как антропогенного, так и естественного происхождения, а также воды в виде разнообразных осадков (туман, изморось, дождь, снег и так далее), преобразовании химических веществ под действием солнечной радиации, в переносе продуктов жизнедеятельности растительности (газы, аэрозоли, пыльца, семена).
Роль почвы в лесном сообществе определяется размещением в ней корневой системы всех растительных составляющих экосистемы, обеспечением круговорота питательных веществ и жидкости, поглощением внесенных атмосферными потоками аэрозолей, газов, жидкостей, накоплением и удержанием тяжелых металлов, преобразованием органических и минеральных соединений посредством химических реакций и биологических процессов, выщелачиванием и выветриванием микроэлементов, способностью к формированию микроклиматических условий (температурные режимы, циркуляция воздуха, поддержание влажности).
Газообразные примеси переносятся из атмосферы на растительность совместным действием диффузии и воздушных потоков. При контакте с растениями газы растворяются на их внешней поверхности или усваиваются через устьица. Диффузия газов в листьях, время и степень открытия устьиц зависят от многих факторов окружающей среды: скорости ветра, размера и формы листа, свойств вязкости и диффузии газа, растворимости его в воде, степени открытости устьиц.
Поверхность деревьев аккумулирует из воздуха твердые и жидкие частицы природного и искусственного происхождения. Перехват и удержание атмосферных частиц растениями зависят от размера, формы, влажности и текстуры поверхности как самих частиц, так и улавливающего органа растения. Частицы примесей скапливаются преимущественно на кончике листа и его периферии, где присутствует турбулентный пограничный слой. Листья сложной конфигурации с большим периметром собирают частицы наиболее эффективно, поэтому хвойные породы оказываются более эффективными пылеуловителями, чем лиственные. Скорости отложения на черешках и стеблях больше, чем на листовых пластинках, поэтому накопление атмосферных частиц лиственными лесами, даже сбросившими листву на зиму, остается достаточно высоким благодаря импакции на побегах и ветвях.
В последнее время заметно возросли антропогенные выбросы металлов, загрязняющих атмосферу и почву. Загрязнение поверхности земли соединениями As, Cd, Pb и Zn в Бельгии оцениваются в среднем в 1,6, 2,0, 26 и 380 кг/км за год, соответственно. В [320] приведены данные по концентрациям грубых и дисперсных частиц Fe, Zn, Со, Cr, Ni, Pb, Мл и Na для ряда станций наблюдения, причем наибольшие концентрации зафиксированы вблизи промышленных центров. Тяжелые металлы, наиболее опасные по губительному воздействию на леса [333], попадают в атмосферу с газообразными продуктами сгорания топлива, при выделении газов из сталеплавильных печей и других источников. Осаждающиеся на поверхности небольших частиц, содержащихся в воздухе, металлы переносятся на большие расстояния, оказывая долговременное воздействие на лесные массивы. Механизм токсического воздействия металлов на листву чрезвычайно разнообразен. Чаще всего они нарушают функции ферментов, служат в качестве антиметаболитов, образуют устойчивые соединения с главным метаболитом, изменяют проницаемость клеточных мембран, замещают важные структурные или электрохимически важные элементы в клетке.
Поступление антропогенного свинца происходит от сжигания бензина, угля, мусора, отстойных шламов; сжигания или в процессе износа поверхностей, покрытых красками, содержащими свинец, при различных технологических процессах. При интенсивном автомобильном движении выпадение соединений свинца на близлежащую поверхность почвы составляет свыше 300 кг/км в год, в отдаленных от транспортных магистралей местностях - менее 2 кг/км [240]. Обычное содержание свинца (фоновый уровень) в
верхних горизонтах незасоленной и незагрязненной почвы составляет приблизительно 10-20 мкг на грамм сухой почвы. Почвенные пробы, взятые в нескольких метрах от шоссе с интенсивным движением, показывают значения, в 30 и более раз превышающие фоновые. Однако в 10 м от дороги уровень свинца уже лишь в 5-15 раз выше. На расстоянии в 20 м содержание свинца в почве выравнивается, и влияние шоссе исчезает [173]. Свинец со временем накапливается в почве. Так, содержание его в почве рядом со старой дорогой с низкой интенсивностью движения может оказаться выше, чем вблизи новой дороги с интенсивным потоком автомобилей.
В лесные почвы твердые частицы размером 0,1-5 мкм попадают из атмосферы путем непосредственного оседания или вместе с метеорологическими осадками, а также с лиственным и веточным опадом. Лесные почвы, особенно органика лесной подстилки, с различной степенью интенсивности поглощают свинец, цинк, кадмий, медь, никель, марганец, ванадий, хром, накапливают их до концентраций, превышающих фоновые значения, в том числе и на расстоянии многих километров от источников их выбросов (табл. 1.1).
По степени влияния на многочисленные компоненты лесных экосистем и на протекающие в них процессы атмосферные примеси условно делится на три класса [173]. При низком их содержании (взаимодействие I класса) растительность и почвы лесных экосистем функционируют как их важные поглотители. Поступившие в экосистему вещества обмениваются между атмосферой, питательными и другими элементами почвы и различными составляющими биоты. В зависимости от характера примесей влияние их на экосистему может быть незаметным (безвредным) или стимулирующим (эффект удобрения). Слабые воздействия подавляются буферными механизмами экосистемы и практически не оказывают влияния на ее состояние. Незначительное повышение уровня воздействия может вызвать общий сдвиг диагностических признаков в ту или иную сторону без нарушения структуры и функций экосистемы.
Полуэмпирические модели турбулентности
Мезомасштабная модель [133] теплового воздействия АЭС на окружающую среду разработана для анализа изменений атмосферных процессов вблизи пруда-охладителя современной атомной станции. Рассчитываются трехмерные поля концентраций аэрозолей и загрязнение подстилающей поверхности. Значительное внимание уделено условиям возможного туманообразования в результате взаимодействия холодных воздушных масс в атмосферном пограничном слое с теплой поверхностью пруда. Динамика атмосферы описывается системой уравнений движения, неразрывности, теплопереноса, влажности. Для замыкания системы уравнений используется однопараметрическая модель турбулентности. Для решения поставленной задачи применяются разностные схемы и метод расщепления. Приводятся результаты расчетов: водность тумана, удельная влажность, температура и потоки тепла для атмосферы над прудом-охладителем.
На основе прямого численного моделирования [334] исследованы процессы захвата частиц турбулентным течением. Мгновенные поля скорости получены на основе численного решения уравнения Навье-Стокса псевдоспектральным методом. Движение сферических частиц размером менее 1 мкм рассчитано на основе уравнения Бассе-Буссинеска-Озеена при наличии броуновской диффузии. Подъемная сила и осаждение частиц под действием силы тяжести из анализа исключены. Получены траектории частиц в турбулентном поле скорости, проведен их статистический анализ. Показано, что в процессе вовлечения частиц в движение основную роль играют пристеночные когерентные структуры, которые имеют вид продольных вихрей, а также более редких пар противоположно вращающихся вихрей с грубо периодическим расположением.
С использованием модели [160] осесимметричного движения вязкого сжимаемого газа исследуется подъем и распространение дымового аэрозоля в стратифицированной атмосфере с учетом конденсации влажного воздуха. Модель использует уравнения Навье-Стокса с эффективными коэффициентами турбулентного переноса, вычисляемыми с помощью алгебраической модели. В основу модели [24] переноса и диффузии твердых частиц положены уравнения турбулентной диффузии и гидродинамики, описывающие структуру пограничного слоя атмосферы в условиях горизонтальной неоднородности и динамику приповерхностного ветропесчаного потока. Модель [219], использующая k-є модель турбулентности, позволяет рассчитывать параметры турбулентности и двухфазных потоков в пределах уличного каньона.
Трехмерная нестационарная метеорологическая и фотохимическая модель атмосферы в районе крупного европейского города представлена в [339]. Основным источником выбросов является автотранспорт. Математическая модель базируется на осредненных по ансамблю уравнений для ветра, температуры и влажности в приближении Буссинеска. На той же сетке решаются уравнения неразрывности для ряда химических веществ с учетом химических превращений. Замыкание уравнений турбулентного течения осуществляется схемой второго порядка. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными по скорости и направлению ветра, концентрации озона, NO, СО, NO2.
Двухмерная динамическая модель [217] предназначена для расчета ветровых характеристик, турбулентности, облачности и дождевых потоков в атмосфере. Результаты расчетов используются в качестве исходных данных для химической модели, основанной на решении уравнения неразрывности для химических соединений в воздухе, облаках, дождевой воде и снеге. В рамках этой модели рассматриваются характеристики растворов SO2, HNO3, NH4, СОг, Оз, процессы ядрообразования и вымывания аэрозолей, окисления S(IV) до S(VI). Обнаружено, что важнейшими источниками сульфатов в облаках являются процессы ядрообразования сульфат-аэрозолей и их вымывание.
Двухмерная метеорологическая модель [235] позволяет определять соотношения загрязняющих соединений в воздухе, облаке и дождевой воде в соответствии с их химическими свойствами и микрофизическими процессами, пространственное перераспределение загрязняющих веществ, образование кислоты как следствие окисления SO2 водной средой. Модель позволяет исследовать основные метеорологические и химические процессы внутри облака, которые наиболее сильно влияют на конечную кислотность облачной и дождевой воды.
Особенности математического моделирования химических процессов в атмосфере, их взаимосвязь с геофизическими процессами, классификация по пространственно-временным масштабам, их чувствительность рассмотрены в [156]. Исследуются возможности моделирования фотохимического механизма превращений кислород-, водород-, азот-, серо- и углеродсодержащих соединений в воздухе загрязненных районов, выбор условий параметризации в соответствии с метеорологическими условиями.
Метод определения траекторий движения примесей и выпадения осадков, предназначенный для использования в лагранжевых моделях дальнего атмосферного переноса рассмотрен в [332, 337]. Чередование периодов выпадения влажных и сухих осадков описывается марковским процессом. Используются стохастические модели среднегодового ветра и коэффициента горизонтальной диффузии. Для каждой переменной приняты нормальные распределения ее значений, полученные обработкой метеостатистики за длительный период.
Частные случаи задачи взаимодействия растительного массива и воздушного потока
Приведены частные случаи: распределение концентрации на высотной и наземной осях источника, распределение концентрации частиц заданного размера на подстилающей поверхности.
В основе математической модели [6] турбулентной диффузии облака пассивной примеси заложено уравнение двумерной турбулентной диффузии
Для замыкания уравнения использована гипотеза Колмогорова [144], уравнения баланса турбулентной энергии и скорости вязкой диссипации. Дифференциальные уравнения решаются численно методом расщепления по физическим процессам и пространственным координатам в два этапа: 1 этап -диффузия и диссипация; 2 этап - гравитационное оседание. Размеры и количество частиц в полидисперсном облаке имеют логарифмическую нормальную плотность распределения. Приведены результаты, качественно отражающие оседание легких и тяжелых примесей в атмосферном воздухе с высоты 2600 м.
Для краткосрочного прогноза загрязнения воздуха промышленными источниками в условиях города разработана математическая модель [34] атмосферного переноса загрязнений, основанная на численном решении трехмерного нестационарного уравнения
Используются гипотезы о потенциальности движения и малых скоростях воздуха (1 - 2 м/с) над городскими постройками. Набегающий поток соответствует логарифмическому закону. Решается уравнение Лапласа относительно потенциала скоростей с соответствующими граничными условиями. Коэффициенты поперечной турбулентной диффузии постоянны, вертикальный коэффициент изменяется с высотой по линейному закону. Пространственное уравнение решается численно с использованием процедуры расщепления по физическим процессам: конвективный перенос при использовании условия неразрывности среды с последующим использованием суперпозиции решений.
Модель [350] дальнего атмосферного переноса соединений S02, S042\ NO и N02, сухого осаждения SOx и NOx требует данных метеорологических наблюдений. Весь рассматриваемый слой атмосферы делится на четыре подслоя: поверхностный, два подоблачных (низкие и высокие источники выбросов) и верхний. Модель опробована как для летних, так и для зимних условий при наличии повышенных загрязнений воздуха. . Расчетные концентрации удовлетворительно согласуются с результатами измерений.
Методика [122] учитывает характеристики турбулентного перемешивания в условиях устойчивого состояния атмосферы выше приземного слоя. В самом приземном слое предполагается интенсивное перемешивание за счет механических и тепловых колебаний, существующих в промышленном районе.
Это позволяет оценивать концентрации загрязняющих веществ при наличии инверсии температуры.
Математическая модель поперечного и вертикального перемешивания и продольного переноса примеси от источника в стационарном и однородном в горизонтальном направлениях пограничном слое атмосферы сформулирована в [48]. Аналитические решения получены в виде разложений по полиномам Гегенбауэра (продольная переменная) и Эрмита (поперечная переменная).
Для анализа эволюции двуокиси углерода в растительном покрове используется численный метод решения краевой задачи с граничными условиями 2 и 3 родов [159]. В основе метода лежит решение дополнительного дифференциального уравнения специального вида, с помощью которого строится сплайн-аппроксимация решения исходной задачи.
Вопросы прогнозирования загрязнения окружающей среды в результате деятельности локально распределенных источников с учетом диффузии и конвективного переноса рассматриваются в [124]. Для исследования переноса тяжелых металлов в атмосфере на основе учета данных о скоростях ветра и наличия осадков разработана модель [226], которая используется для расчета трансграничного переноса атмосферного загрязнения.
Аналитико-численные модели [151] используются для описания процессов накопления и рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере крупных промышленных центров и локальных природно-хозяйственных объектов (типа открытых горных разработок).
Упрощенная модель формирования облака загрязнения
В качестве основных источников загрязнения атмосферы и растительных сообществ выступают промышленные предприятия различного типа. Угнетение древесных пород значительно не только вблизи источника загрязнения, но и на значительных расстояниях от него. Это объясняется тем, что смесь химических компонентов, концентрации каждого из которых мала, оказывает большее влияние на растительность, нежели один компонент с высокой концентрацией. Одновременное закисление почв, загрязнение воздуха и изменение климата в результате активного антропогенного воздействия на окружающую среду, вызывают отрицательное влияние на растительное сообщество [11,137,227,276,284].
Результата анализа закономерностей турбулентной диффузии приводят авторов [169] к выводу, что наибольшая концентрация примесей в расчетных точках создается не несколькими источниками, а одним, наиболее мощным в группе. Это в значительной степени противоречит методикам, утвержденным нормативными документами. Приведенные зависимости подтверждаются результатами экспериментов, выполненных в аэродинамической трубе.
Интенсивное загрязнение атмосферы на значительных расстояниях от высотных источников происходит даже при использовании высоких дымовых труб, поскольку практически не наблюдается самопроизвольный распад или нейтрализация загрязняющих веществ [251]. Более того, на значительных расстояниях от высотных источников происходит интенсивное загрязнение атмосферы, зависящее от климатических и погодных факторов, физико-химического состава и объема загрязняющего вещества. В [154] приведены результаты изучения химического состава почвы и прироста древостоев в зависимости от расстояния до источников выбросов.
Сведения об интенсивности загрязнения атмосферы за счет промышленности, транспорта, сельского хозяйства приведены в [18, 167, 313]. Влияние времени года, времени выброса и скорости рассеяния на процессы химического взаимодействия в дымовом шлейфе выбросов оцениваются с помощью дисперсионной модели [241], основанной на кинетике газофазных химических реакций.
В [232] обсуждаются проблемы, связанные с определением механизма осаждения твердых частиц и газообразных загрязнений. Содержащиеся в атмосфере загрязняющие вещества в результате гравитационного осаждения и вымывания осадками проникают в подземные воды, вызывая ухудшение их качества. В [295] представлены данные о химическом составе водных вытяжек из почвы в городских районах и регионах с малой антропогенной нагрузкой.
Величины потоков в почву и снежный наст для 28 элементов ( в том числе Са, Mg, Fe, Cr, Mn, Pb и другие), а также сезонные изменения этих значений определялись во время натурных исследований [260]. Выполнено сравнение полученных величин с экспериментальными данными для автомобильных трасс, сельскохозяйственных районов, малых городов и промышленного центра. Результаты наблюдений и исследований загрязнений городской территории субмикроскопическими частицами (менее 10 мкм), газами Оз, SO2, NOx, СО представлены в [242]. Хорошая корреляция между концентрациями микрочастиц нижнего диапазона (средний диаметр 40 нм) и СО, N0 указывает на общий источник их появления.
Оксиды азота, растворенные в каплях воды, выпадают в виде кислотного дождя вблизи источников их выделения в атмосферу. Оксиды серы переносятся с кислыми облаками на тысячи километров. Кислотные осадки уменьшают содержание элементов питания, повышают растворимость вредных соединений алюминия и тяжелых металлов, приводят к исчезновению озерной фауны [324].
В [311] рассматриваются источники антропогенных и естественных выбросов ртути, условия и характер ее осаждения на поверхность почвы и водных бассейнов. Одним из главных факторов, влияющих на повышение концентраций ртути, является увеличение выбросов твердых взвешенных частиц в атмосферу. В [215] представлены результаты исследования образования нитрата в воздушных потоках.
Сведения о содержании растворимого фтора в поверхностных слоях почвы и хвои сосны в окрестностях Братского алюминиевого завода собраны в [103]. Отмечается преимущественное аэрозольное поступление фтора в растения по сравнению с почвенным путем.
Результаты определения концентрации диоксида серы, поступающего от антропогенного источника, представлены в [354]. Астраханский газоперерабатывающий завод даже при работе на Уг мощности выбрасывает загрязняющих веществ в атмосферу значительно больше, чем заложено в проект [97]. Выполненные по методикам [10, 19, 58] расчеты рассеяния диоксида серы для двух режимов работы (без сжигания кислого газа и при частичной подаче его на факелы) показывают, что сжигание кислого газа в факеле приводит к повышению концентрации на порядок на всех рассматриваемых расстояниях.
Анализ данных измерений концентраций загрязняющих веществ в Санкт-Петербурге [131] показывает, что плотность и функция распределения различных веществ имеют единый вид, если построены для концентраций, нормированных на среднеквадратическое отклонение.
Город Пермь относится к городам России, где выбросы от производственных источников превышают 100 тысяч тонн в год. Пылегазовые выбросы промышленных предприятий содержат более 300 ингредиентов. Основными загрязняющими веществами по городу являются углеводороды (в частности, летучие органические соединения - бензол, толуол, ксилол и другие), сернистый ангидрид, диоксид азота, оксид углерода, пыли [175].
