Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
АТМОСФЕРЫ 10
1.1 Модели и методы расчета распределения концентрации примеси в
воздушной среде 10
Статистические методы исследования атмосферы 10
Модели на основе аналитического решения упрощенных ураенений турбулентной диффузии 13
Модели численного прогноза распространения примеси в атмосфере 13
1.2 Моделирование полей скорости ветра в приземном пограничном слое
атмосферы 16
1.3 Практические методики 19
ОНД-86 22
ISC3ST (ЕРA-US) 26
ЭПК "ZONE" 28
1.4 Выводы 29
2 ТРЕХМЕРНАЯ НЕСТАЦИОНАРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.... 32
2.1 Система уравнений 32
Уравнения движения воздуха 33
Уравнение неразрывности 39
Уравнение энергии в атмосфере 40
Уравнение энергии в почве 41
Уравнение распространения примеси (конвекции-диффузии) 43
Уравнение влагосодержания 46
Краевые условия и их особенности в задачах переноса примеси 46
Выводы 52
3 РАЗНОСТНЫЙ АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОЛЕЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
ВОЗДУХА, ТЕМПЕРАТУРЫ, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ, КОНЦЕНТРАЦИИ
ПРИМЕСИ И ЕГО КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ 55
3.1 Расчет поля скорости движения воздуха 55
Аппроксимация по пространству 59
Аппроксимация по времени 61
Численный алгоритм 63
Вычислительный эксперимент 69
3.2 Численный метод решения уравнения конвекции диффузии 78
Конечно-разностная аппроксимация уравнения конвекции-диффузии 79
Исследование свойств разностной схемы уравнения конвекции диффузии 81
3.3 Общий алгоритм 85
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ
АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ И РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПРИМЕСИ 90
4.1 Распространение газообразной примеси при однородной температуре
подстилающей поверхности, отличной от температуры воздуха 90
4.2 Распространения газообразной примеси при наличии неоднородности
температуры подстилающей поверхности, отличной от температуры
воздуха 94
4.3 Влияние суточных колебаний радиационного баланса поверхности земли
на распространение примеси в пограничном слое атмосферы в
зависимости от времени года 110
4.4 Формирование «острова» тепла над местностью с высокой
концентрацией антропогенных примесей 118
Влияние рельефа на распространение примеси 121
Выводы 124
5 ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДА НОВОЧЕРКАССКА
И РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ С ПОМОЩЬЮ
ПАКЕТА ПРОГРАММ «VITECON» 125
5.1 Исследование распространения диоксида азота и бенз(а)пирена в районе
города Новочеркасска 125
5.2 Исследование распространения диоксида азота и диоксида серы по
территории Ростовской области 136
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Структура пакета прикладных программ «VITECON» для
расчета поля концентрации примеси в атмосфере на основе трехмерной
нестационарной модели, учитывающей орографию подстилающей
поверхности, температурный режим и влажность воздуха 153
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью.
Учет тепловых характеристик поверхности и солнечной радиации 158
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Исходные данные по источникам загрязнения города
Новочеркасска 165
Введение к работе
Актуальность исследования. В связи с возрастающими антропогенными нагрузками загрязненность окружающей среды, в частности, атмосферы увеличивается. Поэтому мониторинг и прогнозирование загрязнения атмосферы всегда были и остаются актуальными проблемами. Особое значение имеет прогнозирование динамики концентрации загрязняющего вещества в воздухе при экологических катастрофах. Прогноз лежит в основе создания сезонных карт загрязнения региона, необходимых при проектировании и строительстве новых промышленных объектов.
Существующие практические методики прогнозирования чаще всего используют сравнительно простые математические модели, мало пригодные для описания переноса примеси в воздушной среде промышленного региона. С помощью этих методик невозможно учесть взаимное влияние множественных источников загрязнения, в условиях нестационарного пространственного поля скорости ветра.
В масштабе региона на распространение примеси большое влияние оказывают мезометеорологические явления, формирующиеся под влиянием подстилающей поверхности. Такие явления имеют горизонтальные размеры от единиц до нескольких сотен километров и развиваются в пограничном слое атмосферы высотой до двух километров. Вопросы моделирования динамики мезометеорологического пограничного слоя в условиях сложной орографии и неоднородных свойств воздуха мало разработаны. Также до настоящего времени не рассматривались вопросы воздействия термических неоднородностей окружающей среды и рельефа подстилающей поверхности на распространение загрязнений в воздушной среде. Для повышения точности прогноза загрязненности атмосферы и поверхности земли необходимо создание новых, более строгих математических моделей, учитывающих перечисленные факторы, и алгоритмов решения возникающих задач.
Работа выполнена в рамках следующих научно-исследовательских работ ЮРГТУ (НИИ): "Разработка научно методических основ, математического
и программного обеспечения региональной информационной системы экологического мониторинга и охраны окружающей среды" (научно-техническая программа: "Межотраслевая программа сотрудничества Минобразования РФ и Министерства природных ресурсов РФ, 2001 г.); "Разработка научных основ региональной информационно-аналитической системы социального эколо-гигиенического мониторинга и безопасности окружающей среды" (научно-техническая программа: "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", 2001-2002 гг.).
Целью диссертационной работы является совершенствование методов прогноза концентрации загрязняющих веществ в атмосфере путем построения математической модели и алгоритма численного исследования процессов регионального переноса примеси в пограничном слое атмосферы, исследование влияния теплофизических параметров почвы и воздуха, а также рельефа на концентрацию загрязняющих веществ.
Поставленная цель и сформулированные проблемы потребовали решения следующих задач:
-создания математической модели распространения загрязняющих примесей любого типа (газообразных, аэрозолей, твердых частиц) во влажном неизотермичном пограничном слое атмосферы для областей протяженностью до нескольких сотен километров при нестационарных условиях;
-разработки новых численных алгоритмов решения задач динамики ме-зометеорологического пограничного слоя атмосферы, конвективного переноса и диффузии;
создания программного вычислительного комплекса, позволяющего проводить мониторинг загрязнений атмосферы и поверхности земли промышленного региона;
исследования влияния термодинамических факторов и рельефа местности на распространение примеси;
выполнения прогноза загрязнения города Новочеркасска и территории Ростовской области различными типами примесей.
Научная новизна результатов исследования
Построена математическая модель рассеивания примесей любого типа в мезометеорологическом пограничном слое атмосферы, впервые одновременно учитывающая орографическую неоднородность подстилающей поверхности, химические трансформации примесей, горизонтальную и вертикальную неоднородность турбулентно-диффузионных свойств воздуха (в частности, слоистость атмосферы), влияние конвективно-стратификационных процессов и влажности на распространение примеси.
На основе разностных схем расщепления для расчета нестационарных уравнений Навье-Стокса для несжимаемой вязкой жидкости в естественных переменных на частично разнесенной сетке построен численный алгоритм решения уравнений количества движения и массы для трехмерных областей со сложным рельефом, при переменных коэффициентах турбулентности.
Разработан численный конечно-разностностный метод расщепления по физическим процессам для решения системы уравнений мезометеорологи-ческого пограничного слоя атмосферы, включающей: уравнения количества движения; несжимаемости; энергии в атмосфере; энергии в почве; уравнение для концентрации компоненты примеси; уравнение влагосодержания в атмосфере.
Проведено численное исследование и выполнена оценка влияния неоднородности рельефа местности, температуры и теплофизических свойств атмосферы и подстилающей поверхности на распространение загрязняющего вещества в воздушной среде. Выявлена зависимость приземной концентрации примеси от времени суток и времени года.
Достоверность результатов диссертации
В предлагаемой математической модели использованы фндаменталь-ные физические законы сохранения количества движения, массы, энергии влагосодержания и компонент примеси.
Для исследования разработанного численного алгоритма расчета поля скорости ветра решены тестовые задачи: о течении несжимаемой жидкости в кубической каверне с подвижной верхней крышкой; задача Куэтта; задача о
течении воздуха над неоднородной поверхностью. Результаты решения тестовой задачи о течении в трехмерной каверне совпадают с известными результатами. Разностное решение задачи Куэтта совпадает с аналитическим решением. Расчет течения воздуха над неоднородной поверхностью показал, что модель достоверно описывает известное из ряда источников явление возникновения подветренных волн при обтекании холма воздушным потоком.
Расчеты температуры подстилающей поверхности в задаче о влиянии суточных колебаний температуры воздуха на концентрацию примеси находятся в хорошем соответствии с данными литературных источников.
Проведено сравнение результатов расчетов загрязненности атмосферы города Новочеркасска диоксидом азота и бенз(а)пиреном для 1997 г. с результатами наблюдений городского комитета по охране природы. Расчетные значения концентраций хорошо согласуются с данными измерений, расхождение не превышает 16 %.
Практическое значение результатов диссертации. Созданный пакет вычислительных программ «VITECON» позволяет исследовать процессы рассеивания примесей любого типа в мезометрологическом пограничном слое атмосферы в зависимости от широкого спектра нестационарных метеорологических явлений. Комплекс программ «VITECON» целесообразно использовать при экологическом мониторинге: для предсказания опасного уровня загрязнения; планирования развития промышленного региона; прогнозирования развития экологических катастроф; микроклиматических прогнозов погоды. В совокупности с электронными картами местности на основе программного комплекса могут быть разработаны электронные карты сезонной загрязненности местности.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-математическая модель рассеивания примесей любого типа в мезометрологическом пограничном слое атмосферы;
-численный конечно-разностностный алгоритм совместного решения системы уравнений мезометеорологического пограничного слоя для областей со сложной орографией, при переменных коэффициентах турбулентности;
9 -пакет вычислительных программ для расчета пространственных нестационарных полей скорости движения воздуха, температуры воздуха и почвы, влагосодержания и концентрации примеси в атмосфере, созданный на основе разработанного численного конечно-разностностного метода;
- анализ численного исследования влияния температурной неоднородности окружающей среды и орографической неоднородности подстилающей поверхности на процесс распространения примеси;
-результаты численного исследования особенностей сезонного и суточного переноса примеси в пограничном слое атмосферы.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на IV Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (г. Кисловодск, 2000 г.), Международной конференции «Математическое моделирование и вычислительный эксперимент в механике и физике» (г. Ростов-на-Дону, 2001 г.), XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Тамбов, 2002 г), и III Международной научной конференции «Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии Юга России и Кавказа к 100-летию А.В. Пека» (г. Новочеркасск, 2002 г).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и списка литературы. Работа имеет объем 176 страниц, содержит 70 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает в себя 90 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность заведующиму кафедры "Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающий среды" к.т.н., проф. Фролову А.В. за научное консультирование и постоянное внимание к работе, ассистенту Прусаковой Т.Н. за помощь при сборе данных об источниках загрязнения.
