Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ КОМПАНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ С УЧЕТОМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ
Айдосов А. , Айдосов Г. А., Заурбеков Н. С.,
Введение
В настоящее время характеристики загрязнения атмосферы рассматриваются как метеорологические величины. В связи с этим решение вопросов о нормировании вредных выбросов непосредственно зависит от учета условий рассеивания их в атмосфере и составления карты загрязнения территорий. Все эти мероприятия дают возможность следить на всей территории промышленного объекта за предельно допустимой концентрацией (ПДК). Поэтому выбор физико-математической модели расчета загрязнений территорий, разработка моделей управления качественным состоянием воздушного бассейна и метода инженерного расчета рассеивания, позволяющие получать адекватные результаты, являются актуальными.
Поскольку охрана окружающей среды становится важнейшим фактором, определяющим перспективы устойчивого развития экономики и социальной сферы, теоретическое обоснование и разработка конструкций высокоэффективных пылеулавливающих, аэрозолеосадительных модулей, отвечающих современным мировым экологическим стандартам, являются актуальными проблемами современной науки и техники.
Для более полного описания процессов переноса, диффузии и трансформации примесей, их необходимо рассматривать на базе физически достаточно богатой модели, учитывающей, по крайней мере, суточный ход изменчивости рассеивания в зависимости от метеорологических ситуаций, орографических и термических неоднородностей подстилающей поверхности. С этой целью модель динамики атмосферы дополним математической моделью переноса и трансформации примесей, далее, будем решать их совместно.
На настоящий момент, видимо, нет основания говорить о глобальном экологическом кризисе, хотя надо признать наличие крайне неблагоприятной экологической ситуации не только в рамках отдельных регионов, но и в планетарном масштабе. Наиболее показательные примеры в этом отношении – рост концентрации диоксида углерода, оксидов азота, серы и других загрязняющих веществ в атмосфере.
При оценке влияния атмосферного загрязнения на состояние здоровья людей следует базироваться на следующих основных тезисах:
– риск возникновения заболевания возрастает с ростом концентрации загрязнителя в воздухе, усредненной за некоторый период времени;
– риск нарушений здоровья может быть усилен за счет присутствия в атмосферном воздухе не одного, а нескольких загрязнителей;
– риск нарушений здоровья может быть усилен за счет существенных всплесков загрязнения, либо за счет постоянного изменения состояния окружающей среды, что затрудняет приспособление популяции к ее химическим характеристикам;
– риск является популяционной вероятностной характеристикой и может быть эффективно исследован на уровне показателей, характеризующих здоровье популяции в целом в большей степени, чем при исследовании индивидуальной реакции.
В связи с этим нами придавалось большое значение сбору и анализу различных показателей, характеризующих состояние здоровья и медико-демографической ситуации для жителей промышленных регионов Казахстана в сопоставлении с показателями загрязнения атмосферного воздуха.
Важно также видеть территориальный аспект проблемы, состоящий в том, что люди, проживающие в различных промышленных районах, испытывают разную медико-экологическую нагрузку на организм.
В настоящей работе впервые выполнена систематизация разнообразной информации о влиянии атмосферного воздуха на здоровье населения в промышленных регионах республики, а также проведены специальное исследование и моделирование возможной зависимости параметров здоровья от параметров состояния атмосферы.
Для эффективного исследования сложного объекта математическими методами требуется иметь комплекс моделей различных уровней и детализации, которые дополняют друг друга при взаимодействии (взаимном использовании). Взаимодействие может быть различным. Это могут быть расшифровка, детальная интерпретация в подобных моделях, решение принятых с помощью ориентированных моделей верхнего уровня. Могут быть и эксперименты с моделями нижнего уровня с целью уточнения параметров моделей верхнего уровня и т.д. Бывает и так, что требуется поставить массовые машинные эксперименты с готовой моделью с целью формирования необходимой статистики для решения какого-то круга задач, но громоздкость и детальность модели не позволяют это сделать при имеющихся вычислительных средствах. Тогда желательно построить менее подробную и точную, но существенно более оперативную модель с помощью имеющейся и уже с ней проводить массовые эксперименты. Весьма доказательна в этом отношении ситуация с существующими моделями водной и воздушной среды. Эти модели являются развитием известных в механике и физике гидродинамических моделей, дополненных моделями термодинамических и иных явлений. Они принципиально позволяют вести весьма точные расчеты характеристик гидродинамических, метеорологических, климатических явлений при полностью заданных исходных данных (входах). Эти характеристики необходимы для многих моделей природной среды разных временных и пространственных масштабов и далеко не всегда могут быть получены из несистематизированных наблюдений, какими располагает наука: систематизированные в должной мере наблюдения таких распределенных объектов чрезвычайно дорогостоящи и далеко не всегда осуществимы имеющейся аппаратурой. Дело осложняется тем, что входные факторы (метеорологические условия) имеют случайный характер и получение сколь либо устойчивых характеристик может быть обеспечено лишь достаточно большими статистическими выборами, что весьма трудно реализовать путем как
наблюдений, так и расчетов на громоздких моделях. Вполне разумно в такой ситуации переходить от распределенных моделей к приближенным блочным моделям, поскольку основным фактором, определяющим большие объемы вычислений, является распределенность объекта. Реальный путь здесь задаться подходящей структурой, концепцией блочной модели из содержательных соображений, если работа ведется специалистом по данному объекту или совместно со специалистом, либо из формальных соображений в противном случае. Неизвестные параметры блочной модели могут быть определены либо на основе упрощенного теоретического анализа исходной точной модели, либо на основе машинных экспериментов с нею.
Проблема численного прогноза погоды и связанное с ней численное моделирование общей циркуляции атмосферы, бурно развивающие области метеорологии, требуют больших усилии по развитию эффективных численных методов реализации применяемых моделей, улучшению их физической основы, испытанию различных подходов к обработке уравнений гидромеханики при построении рабочих уравнений модели, введению в уравнения второстепенных факторов, обычно отбрасываемых ввиду относительной малости, и практической оценке их роли при длительном интегрировании уравнений и т.д. Большое значение, особенно для моделей общей циркуляции, имеет дальнейшее развитие методов параметризации подсеточных процессов, играющих большую роль в энергетическом балансе атмосферы.
Моделирование реальной атмосферы с применением уравнений гидротермодинамики требует привлечения влажности как одного из важнейших параметров природы. Точное прогнозирование элементов водного баланса (влагосодержание, водность облаков, осадки, испарение) во многом предопределяет успех предсказания погоды. Особую трудность представляет моделирование процессов, связанных с фазовыми переходами воды в атмосфере.
Процессы конденсации, изменения термодинамического состояния атмосферы, приводят к существенному изменению циркуляции. Особенно важно выявление воздействия конденсационных процессов на крупномасштабные элементы циркуляции и наоборот.
В Послании Президента страны Н.А. Назарбаева народу Казахстана «Казахстан-2030» особое внимание уделено охране окружающей среды, так как защита окружающей среды становится сегодня одной из приоритетных задач современного мира. О необходимости сохранения чистоты окружающей среды изложено в статьях 31 и 38 Конституции Казахстана. Большое значение для совершенствования охраны окружающей среды имеют законы РК «Об охране окружающей среды» и «Об экологической экспертизе». Среди проблем защиты окружающей среды актуальной является охрана воздушного бассейна, так как загрязненный воздух ухудшает экологические условия. Большинство технологических процессов химических и металлургических производств, машиностроения, энергетики и сельского хозяйства сопровождаются большим количеством газовых выбросов, содержащих взвешенные твердые частицы. Проблема оценки влияния загрязнения окружающей среды на состояние здоровья населения сохраняет свою актуальность в современных условиях. Стратегией «Казахстан-2030», а также Государственной Программой «Здоровье народа» улучшение окружающей среды определено в качестве одного из основных инструментов оздоровления населения.
Для сохранения среды обитания требуется решать задачи ограничения выбросов действующих предприятий и оптимального размещения вновь создаваемых промышленных объектов с учетом допустимых нагрузок на экологически значимые зоны. Решение этих и других, возникающих здесь, задач требует использования математических моделей, описывающих распространения примесей в атмосфере от различных типов источников.
Атмосферный воздух, как основная среда обитания человека, в процессе взаимодействия с окружающей средой играет одну из ведущих ролей. От качества атмосферного воздуха во многом зависит стабильность взаимодействия человеческого организма с окружающей средой – процессы физического развития, заболеваемость, медико-демографические параметры. Атмосферный воздух не только воздействует на человека непосредственно, но и служит транспортирующей средой, обусловливая загрязнение почвенного покрова, водных источников, растительности и продуктов питания.
Известно, что степень загрязнения нижних слоев атмосферы вредными веществами зависит не только от технологических и конструктивных параметров, но и от ряда метеорологических факторов, которые определяют процесс распространения примесей в пограничном слое атмосферы. Этими факторами являются скорость ветра, термическая стратификация, орография местности, характер подстилающей поверхности и т.д.
Среди задач охраны окружающей среды большое значение имеют исследования закономерностей распространения атмосферных примесей и особенностей их пространственно-временного распределения. Они являются основой для объективной оценки состояния и тенденции изменений загрязнения воздушного бассейна, а для также разработки возможных мероприятий по обеспечению чистоты воздуха. В настоящее время для описания процессов переноса и диффузии примесей используется ряд математических моделей, основанных на решении уравнения турбулентной диффузии. При моделировании процессов распространения примесей важную роль играет выбор численных алгоритмов, обладающих свойствами консервативности и монотонности. Такими свойствами обладают численные алгоритмы, используемые нами в данной работе. Итак, можно констатировать, что вопросы загрязнения атмосферы промышленных регионов представляет собой самостоятельную, актуальную, социально-значимую, экологическую проблему. Эти вопросы составляют предмет исследования данной работы и входят в общую характеристику работы.
Работа состоит из ведения, шести разделов.
В первом разделе исследованы и проанализированы промышленные выбросы и оценена экологическая обстановка окружающей среды различных промышленных регионов Казахстана.
На Карачаганакском нефтегазоконденсатном месторождении определены 9 основных источников выбросов вредных веществ КНГКМ. Рассмотрены орографическое описание, климат и климатические особенности загрязнения атмосферы в Карачаганакском районе. Выявлены сезонные колебания загрязнения и большие изменчивости в суточных выбросах загрязнения. Установлена зависимость загрязнения от метеорологических условий и связь состояния загрязнения атмосферы от условий ее циркуляции.
Далее изучены современное состояние атмосферного воздуха промышленных регионов, климат и метеорологические особенности, современное состояние экологической обстановки природной среды Павлодарской области в динамике. Систематизирована разнообразная информация о влиянии атмосферного воздуха на здоровье населения, а также проведено специальное исследование и моделирование возможной зависимости параметров здоровья от параметров состояния атмосферы и проанализирована медико-демографическая ситуация региона.
Проведенные в первом разделе работы указывают на необходимость осуществления дальнейших действий по снижению неблагоприятного влияния загрязнения атмосферы на здоровье в рамках Стратегии «Казахстан-2030», где говорится о необходимости «нарастающих усилий» по улучшению окружающей среды.
Сохраняет свою актуальность также разработка приемов и методов снижения риска атмосферного загрязнения для здоровья путем повышения иммунного статуса населения региона. Все это в целом может дать значимый социальный и экономический эффект.
Во втором разделе моделированы глобальные метеорологические процессы реальной атмосферы.
Степень загрязнения нижних слоев атмосферы вредными веществами зависит не только от технологических и конструктивных параметров, но и от ряда метеорологических факторов, которые определяют процесс распространения примесей в пограничном слое атмосферы. Этими факторами являются скорость ветра, термическая стратификация, орография местности, характер подстилающей поверхности и т.д. Поэтому, для более полного описания процессов переноса, диффузии и трансформации примесей, их необходимо рассматривать на базе модели, учитывающей эти факторы. С этой целью модель динамики атмосферы дополнена математической моделью переноса и трансформации примесей с учетом неровностей земной поверхности и с учетом в уравнениях движения неоднородности атмосферных сред, а также с уравнением притока тепла решена совместно.
По мере развития мощности ЭВМ появляется возможность вводить в численные модели физические факторы, приближающие их к условиям реальной атмосферы. Сюда, в первую очередь, необходимо отнести введение в модели механизма фазовых переходов воды в атмосфере, проблему параметризации явлений подсеточного масштаба в прогностических моделях, детальный учет процессов в планетарном пограничном слое, влияние радиационных и турбулентных переносов энергии на развитие крупномасштабных процессов, учет геофизических свойств Земли и целого ряда других явлений. Поэтому, во втором разделе выявлены основные уравнения динамики реальной атмосферы.
Моделирование реальной атмосферы с применением уравнений гидротермодинамики требует привлечения влажности и влияния конденсации на элементы циркуляции, как одного из важнейших параметров природы. Помимо проблемы включения фазовых процессов в гидротермодинамические уравнения, здесь также уделено внимание к представлению в уравнениях движения массовых сил и на возможность исключения предположения о равенстве нулю горизонтальных градиентов потенциала силы тяжести.
В работах различных ученых обращено внимание на то, что помимо чисто геофизических причин потенциал силы тяжести горизонтально неоднороден в результате влияния самой атмосферы. Эта неоднородность особенно существенно сказывается на высотах. Поэтому модели прогноза и исследования процессов верхней атмосферы уточнены путем использования более точных представлений массовых сил в уравнениях движения.
Исследованы бароклинные процессы в сжимаемой атмосфере. Выведены уравнения для полной производной от давления и температуры в насыщенной атмосфере и для изменения давления применительно к сглаженным величинам во влажной атмосфере. Оценена роль турбулентной диффузии.
Изучена динамика вертикальных движений в облачной атмосфере. Выведено уравнение для вертикальной скорости в насыщенной атмосфере. Определены вертикальные скорости в насыщенной атмосфере и во влажной ненасыщенной атмосфере. Проведены расчеты вертикальных движений в многослойной облачной атмосфере и вблизи облаков с учетом фронтальных поверхностей при расчете вертикальных движений.
Далее предложена численная модель бароклинных процессов атмосферы и краткосрочного прогноза. Выведены основные уравнения атмосферной циркуляции с учетом приземного трения и орографии, а также турбулентного обмена между океаном и атмосферой. Предложена конечно-разностная схема решения этой задачи и полуявная схема реализации прогностической модели. Проведена экспериментальная проверка алгоритмов, описывающих динамический эффект орографии и трения, моделирование притока тепла от океана с учетом радиационного притока тепла.
В третьем разделе, с целью оценки экологической обстановки, описаны процессы переноса загрязняющих веществ в пограничном слое атмосферы в зависимости от ее циркуляции.
Как известно, среди задач охраны окружающей среды большое значение имеют исследования закономерностей распространения атмосферных примесей и особенностей их пространственно-временного распределения. Проведен выбор оптимальных моделей для решения задач охраны окружающей среды, а также алгоритмов и программ, необходимых при применении этого комплекса для изучения условий формирования атмосферных циркуляций локальных областей под влиянием изменений термических и орографических характеристик поверхности. Выведены основные уравнения атмосферной циркуляции и распространения примесей в пограничном слое атмосферы для модельной оценки экологической обстановки. Выявлены общая структура и основные входные данные для реализации модели переноса в атмосфере. Приведен решенный на основе комплекса моделей класс практических и исследовательских задач по изучению локальной циркуляции в ограниченной области. Определены требования к моделям, методике выходной информации, метеорологической информации и расчетам приземной концентрации отдельных ингредиентов от группы источников.
С помощью диффузионных и гидродинамической моделей описаны процессы распространения вредных примесей в атмосфере. Пространственная модель локальных атмосферных процессов со свободной верхней границей, развивающихся над термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью, содержит следующие основные блоки:
– блок реализации трехмерной системы нестационарной нелинейной системы уравнений гидротермодинамики пограничного слоя атмосферы;
– блок тепло- и влагообмена в почве;
– блок трехмерной нестационарной модели переноса и диффузии примесей в пограничном и приземном слое атмосферы.
Модель локальных атмосферных процессов со свободной верхней границей была адаптирована для моделирования атмосферной циркуляции региона. Для исследования локальных атмосферных процессов, происходящих в пограничном слое, используем математическую модель, основанную на системе уравнений гидротермодинамики. Численные расчеты и иллюстративные примеры приведены в шестом разделе.
Выбранные математические модели ориентированы на решение широкого класса задач, возникающих при оценке антропогенной нагрузки на окружающую среду посредством свойств поверхности земли, и загрязнение воздушного бассейна.
В четвертом разделе моделированы процессы переноса вредных примесей в приземном слое атмосферы. В слое вблизи поверхности земли (толщиной около 10–100 м), так называемом приземном слоем, наблюдаются максимальные градиенты метеорологических элементов. Важной особенностью приземного слоя, в значительной мере оправдывающей выделение его в рамках планетарного пограничного слоя, является относительное постоянство по высоте турбулентных потоков.
Получены модели атмосферной циркуляции и распространения примесей в приземном слое атмосферы, где основную роль играют системы уравнений квазиоднородного приземного слоя, и учтены поток тепла и влаги в почву. Система уравнений гидротермодинамики замкнута относительно оператора турбулентного обмена.
Далее выведены уравнения блочной модели переноса вредных примесей в приземном слое атмосферы и описаны взаимодействия между блоками. Характеристики, необходимые для многих моделей природной среды и позволяющие рассчитать весьма точно гидродинамические, метеорологические, климатические явления, не всегда могут быть получены из несистематизированных наблюдений, какими располагает наука. Вполне разумно в такой ситуации переходить от распределенных моделей к приближенным блочным моделям, поскольку основным фактором, определяющим большие объемы вычислений, является распределенность объекта. Рассмотрены процедуры построения блочной модели локального климата, ее взаимодействия и принципы разбиения области моделирования
Разработаны численные схемы блочной модели переноса вредных примесей в бароклинной атмосфере. Проведены численные расчеты переноса вредных веществ в приземном слое атмосферы с учетом влияния подстилающей поверхности.
В пятом разделе моделированы распространения вредных выбросов при аварийных выбросах в нефтегазоконденсатодобывающих регионах. Составлена программа вычисления и проведен расчет на вычислительной машине. Разработанные программные средства могут быть использованы для численных прогностических экспериментов по моделированию переноса примесей в атмосфере от поля источников с различной интенсивностью и плотностью загрязняющих веществ.
Далее указаны предпосылки к нейтрализации сероводородного облака. С целью прогнозирования распространения сероводорода при аварийных выбросах в атмосферу определена математическая постановка и алгоритм решения задачи. Для решения этой проблемы предложен полуэмпирический подход к прогнозированию перемещения зон экстремально высокого загрязнения воздуха сильнодействующими ядовитыми веществами.
Выведена модель расчета концентрации от нестационарного непрерывного источника при аварийном выбросе. Изложены три возможных подхода к решению задачи динамического прогноза. Анализ возможности использования методов численного моделирования показывает, что полуэмпирический подход имеет наиболее развитую теоретическую базу и в принципе позволяет учитывать практически все основные факторы, влияющие на процессы рассеяния сильнодействующих ядовитых веществ. Детально анализирована комбинированная модель, которая является наиболее общей, в частности, она использует более сложные характеристики метеоситуации.
Обычно, аварийная ситуация на нефтегазодобывающих месторождениях сопровождается выбросами в атмосферу холодной и горячей смеси сероводородных продуктов. При этом под воздействием повышенного давления внутри нефтегазоносного пласта формируется струя смеси или факел, в которых исходное вещество преобразуется в продукты сгорания. Затем они перемешиваются с воздухом посредством механизма турбулентности. Таким образом, распространение аварийных выбросов в приземном слое воздуха можно свести к задаче рассеяния турбулентной струи, поэтому далее рассмотрены возможности моделирования аварийных выбросов с использованием струйной модели.
Проанализированы и распределены на три группы исходные данные параметров струи, истекающей из буровой скважины при аварии. Из анализа физико-химических и токсических свойств вредных веществ, выбрасываемых источниками КНГКМ, выявлено, что наибольшую опасность представляют сероводород, окислы азота и серы.
Определены также параметры струи, истекающей из буровой скважины при аварии. В результате проведенных расчетов показано, что кинематические (скорость) и геометрические (вертикальные и горизонтальные) характеристики струи относительно слабо зависят от термодинамических и физико-химических свойств истекающей из скважины горючей смеси, от начальной температуры, от состава смеси. Результаты расчетов показывают, что максимальная высота подъема истекающих из скважины газов и продуктов их горения составляет порядка Н = 200 м, при этом максимальные горизонтальные размеры струи, содержащей продукты сгоревших газов, меньше 70 м.
Выявлено также, что основные процессы горения и турбулентного перемещения истекающих из скважины газов с окружающей атмосферой происходят на начальном участке струи.
В шестом разделе приведено практическое применение результатов вычислительного эксперимента математической модели массоэнергообменных процессов, протекающих в атмосфере природно-технических геосистем. Экологическое картографирование районов технополиса. Построена геоэкологическая карта с учетом орографии местности на примере Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения с учетом силы тяжести, орографии местности (неровности земной поверхности), баланса влаги в атмосфере, притока тепла, в том числе и радиационного притока тепла, неоднородности атмосферной среды, ненасыщенной (насыщенной) атмосферы при наличии конденсации, вертикального движения в облачной атмосфере, а также с учетом фронтальных поверхностей. Полученные численные значения метеорологических параметров (температура, скорость ветра, давление и др.) использовались при численном решении уравнений переноса примесей. С учетом данных раздела 1 и табл. 33 получены геоэкологические карты местности для Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения (геоэкологические карты
переноса вредных примесей в конвективных и в инверсионных условиях). Построена геоэкологическая карта распространения вредных примесей на основе диффузионных моделей. Построение геоэкологической карты распространения примесей, используя модель пограничного слоя атмосферы с незакрепленной верхней границей воздушной массы с применением гидродинамической модели пограничного слоя атмосферы и его результаты.
Произведено расчетное прогнозирование экономического ущерба от атмосферного загрязнения в регионе Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения, а также анализирован экономический эффект природоохранных мероприятий и рассчитан предотвращенный ущерб в результате воздухоохранных мероприятий.
Получены следующие результаты:
– выполнена систематизация разнообразной информации о влиянии атмосферного воздуха на здоровье населения, а также проведено специальное исследование;
– на основе исследования, анализа и оценки хозяйственных воздействий промышленных предприятий республики на экологическое состояние воздушного бассейна выявлена зависимость состояния здоровья населения от загрязнения атмосферы и разработана модель влияния атмосферного загрязнения на состояние здоровья населения;
– раскрыта физическая картина влияния загрязнения воздушного бассейна промышленными выбросами на здоровье человека;
– 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;
– 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;
– созданы оперативные математические аппараты, учитывающие влияние деятельного слоя почвы, свободной незакрепленной границы, тепломассообмена, вертикальной термодиффузии, а также фазового перехода;
– разработаны математические модели распространения вредных веществ при аварийных выбросах в атмосферу, анализированы исходные данные параметров струи, истекающей из буровой скважины при аварии, и определены параметры струи, выявлена применимость моделей струйного течения при аварийном выбросе. Разработана модель расчета концентрации вредных веществ при аварийном непрерывном выбросе;
– создана геоэкологическая карта с учетом орографии местности и атмосферных процессов, проведено экологическое картографирование районов технополиса;
– произведено расчетное прогнозирование экономического ущерба от атмосферного загрязнения, анализирован экономический эффект природоохранных мероприятий и рассчитан предотвращенный ущерб в результате воздухоохранных мероприятий.