автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическая модель переноса вредных примесей в атмосфере с учетом типовых синоптических ситуаций для экстренной оценки экологической обстановки региона

РГ 6 од

' '' «С «38

На правах рукописи

ЗАУРБЕКОВ НУРГАЛИ САБЫРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА ВРЕДНЫХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ С УЧЕТОМ ТИПОВЫХ СИНОПТИЧЕСКИХ СИТУАЦИЙ ДЛЯ ЭКСТРЕННОЙ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ РЕГИОНА

05.13.16. - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Алматы, 1998

Работа выполнена на кафедре вычислительной и прикладной математики механико-математического факультета Казахского Государственного Национального Университета имени Аль-Фараби

Научные руководители: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физ.-мат. наук Данаев Н.Т. канд. физ.-мат. наук Айдосов А.

член-корреспендент АН РК, доктор технических наук, профессор Веселов ВВ.

кандидат физ.-мат. наук Кенжетаев К. К.

Институт космических исследований Министерства науки-Академии наук Республики Казахстан.

Защита состоится " " 1998 г. в ч. 00 мин. на засе-

дании совета К14.А.01.14 при Казахском Государственном Национальном университете имени аль-Фараби по адресу : 480012, г. Алма-ты, ул. Масанчи 39/47, ауд.

Отзывы на автореферат просьба направлять по адресу: 480121, г. Ал-маты, ул. Тимирязева 46, Казахский Государственный Национальный университет имени Аль-Фараби, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке КазГУ им. Аль-Фараби.

Автореферат разослан « ЗО " _ 1998 года.

Ученый Секретарь

диссертационного Совета Нысанбаева С.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Вопросам загрязнения атмосферы и подстилающей поверхности пассивными и активными примесями посвящен большой цикл исследований, выполненных многими учеными мира. Примеси переносятся ветром, нанося ущерб и на больших расстояниях от того места, где они были выброшены. Атмосфера является одной из основных составляющих окружающей среды, ее чистота - необходимое условие сохранения здоровья и благосостояния людей.

В настоящее время для описания процессов переноса и диффузий примесей используется ряд математических моделей, основанных на решении уравнения турбулентной диффузии. При создании математической модели также необходимо учесть основные природные и техногенные факторы формирования воздушного бассейна местности.

• В данной диссертационной работе рассмотрены возможности математического моделирования конкретного промышленного объекта, в данном случае - воздушный бассейн кефтегазоконденсатного месторождения. Это связано с тем, что идеология универсальных моделей себя не оправдала и в решении Международной конференции Всемирной Метеорологической Организации по моделированию загрязнения атмосферы и его применению (1987) заключено, что "модели должны применяться в тех районах, для которых они разрабатывались" на основе более детального описания физических процессов.

Актуальность данной работы также связано с тем, что все известные модели не способны адекватно отражать этот реальный объект, а в данной работе учитывается особенности местности с его сложной циркуляцией и другие климатические особенности.

Для примера в работе рассмотрено Карачаганакское нефтегазокон-денсатное месторождение (КНГКМ). После ввода в эксплуатации всех запроектированных объектов месторождения, суммарные годовые выбросы вредных веществ составят: двуокиси серы - 20109 тон/год, окислов азота -9512 тон/год, сероводорода- 21,13 тон/год, окиси углерода - 10346 тон/год, меркаптана - 1,688 тон/год, углеводородов - 1500 тон/год. Кроме того, с указанными выбросами промысловых объектов на территории месторождения будет продолжаться разведочное бурение, опробование и испытание скважин, суммарные выбросы от которых в год составят: двуокиси серы -2031 т, окислов азота - 420 т, сероводорода - 1,65 т, окиси углерода - 1777 т, меркаптанов - 0,195 т, углеводородов - 474 т.

Цель работы и методика исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка модели переноса загрязнения атмосферы при типовых циркуляциях атмосферы месторождения для экстренной оценки современного состояния и прогнозирования изменениям эко-

логической обстановки и быстрого реагирования их ухудшениям. С этой целью разработан принцип типизации атмосферных процессов и проведена типизация синоптических процессов региона. По усредненным характеристикам атмосферы, характеризующим состояния планетарного пограничного слоя, рассчитан перенос и распределение концентрации примеси от точечного источника по территории.

Для решения уравнении турбулентной диффузии с учетом локальных атмосферных процессов происходящих в пограничном слое, необходимо использовать математическую модель, основанную на системе уравнений гндротермодинамики. Необходимо рассмотреть совместно с основным уравнением множество других: движения, неразрывности, состояния, притока тепла, удельной влажности, в которых участвуют искомые функции вектор скорости, температура, потенциальная температура, давления, плотность, удельная влажность, тензор вязких напряжений потока, тепла и влаги, являющимися функциями координаты и время и других, до 26-28 уравнений. При решении такой модели возникает множество проблем, связанные с ее реализацией, например, единственность и устойчивость решения огромных количеств уравнений и т.д. В данной работе предложен другой подход решении этих проблем-типизация атмосферных процессов с целью определения неизвестных функции, входящих в уравнения турбулентной диффузии, которые сами могли бы самостоятельно находится из других уравнений.

Синоптические ситуации, определяющие уровень загрязнения воздуха, успешно предсказываются существующими способами. Однако анализ синоптических условий загрязнения связан с определенными трудностями. Чаще всего они зависят от большой изменчивости синоптических процессов, а иногда их нечеткой выраженности. Поэтому, для оценки загрязнения атмосферы на срок от 3 часов до 3-5 суток, целесообразно пользоваться типизацией синоптических процессов. Характеристики планетарного пограничного слоя получены с помощью типизации атмосферных процессов рассматриваемого района. Для каждого конкретного типа определена повторяемость направлений и скорости ветра на уровне флюгера, классы устойчивости и их повторяемость.

При таком подходе к решению, можно перейти от задачи с точечным источником к задаче с линейным и площадным источником. При разработке модели была проведена адаптация элементов математического аппарата к климатическим, метеорологическим и другим особенностям Западного Казахстана.

Научная новизна. Разработан принцип типизации атмосферных процессов региона и проведена типизация атмосферных процессов Западного Казахстана. На основе проведенных исследований, обобщения опыта моделирования атмосферных процессов мезометеорологического масштаба, пара-

метризации техногенных воздействий на атмосферу рассматриваемого района и с учетом типизации атмосферных процессов разработана вычислительная методика, ориентированная на моделирования сверхсложного объекта, для экстренной оценки современного состояния, прогнозирования и постоянного контроля экологической обстановки региона и мгновенного реагирования на ее ухудшения.

Разработанной нами методикой решены следующие задачи: рассмотрены сезонные колебания загрязнения; выявлена связь состояния загрязнения атмосферы от условии ее циркуляции; анализирован суммарный объем выбросов по месяцам и их зависимость от метеорологических элементов (давление, температура воздуха и скорость ветра), а также наиболее общие и важные предикаты, характеризующие условия, способствующие накоплению или рассеянию вредных примесей в атмосфере; рассмотрена изменчивость количества выброса, давления и температуры воздуха, а также скорости и направления ветра по суткам отдельных месяцев; выявлены климатические особенности загрязнения атмосферы района; разработан принцип типизации синоптических ситуации; на основе климатических и метеорологических данных проведена типизация синоптических процессов Западного Казахстана с целью моделирования состояния загрязнения атмосферы для типовых циркуляции планетарного пограничного слоя; выявлены повторяемость и особенности каждого типа для отдельных сезонов и зависимость загрязнения атмосферы от типов синоптических процессов; построена модель выброса загрязнения атмосферы; проведен расчет параметров планетарного пограничного слоя; выявлены классы загрязнения атмосферы, рассчитанные по модели; оценена степень загрязнения от различных загрязнителей на значительном удалении от района промысла и выданы карты распределения относительных величин концентрации для каждого типа по сезонам; анализирована экологическая ситуация региона при экстремальных случаях: устойчивом западно-восточном переносе и ситуаций, близкой к антициклональной.

Достоверность, обоснованность положений и полученных результатов. Математическая модель распространения примеси в воздушном бассейне промышленного центра основана на уравнении переноса и диффузии с использованием типизации атмосферных явлений региона.

Основные положения и результаты подтверждаются их сопоставимостью с предшествующими исследованиями в области моделирования распространении вредных примесей.

Распределение как активных, так и пассивных примесей, полученных с помощью минимизации мощности выбросов, удовлетворяют предельно допустимым концентрациям загрязнения для санитарно-защитных зон и могут быт применены при оптимальном размещении промобьектов, что подтверждается результатами отчета о НИР по Госпрограмме на тему:

"Комплексное исследование и оценка экологической обстановки Карача-ганакского нефтегазоконденсатного месторождения и разработка программы социально- экономического развития региона" (1998 г.), где диссертант является исполнителем темы.

На защиту выносятся: анализ загрязнении воздушного бассейна КНГКМ и их зависимость от метеорологических и климатических факторов; принципы типизации атмосферных процессов; типизация синоптических процессов Западного Казахстана; разработка модели выброса загрязнения атмосферы; численная реализация модели выброса загрязнения атмосферы; карты распределения загрязнения у поверхности Земли в зависимости от типов циркуляции.

Практическая ценность работы. Работа используется в оперативной оценке степени загрязнения атмосферного воздуха; при быстром реагирования их изменениям; при краткосрочном и долгосрочном прогнозировании загрязнения атмосферы не только КНГКМ, но и других промышленных объектов; определении распространении загрязняющих веществ и их картировании; оценке современного состояния, прогнозирования и постоянного контроля экологической обстановки региона. При управлении состоянием загрязнения атмосферного воздуха месторождения, модель может служить информационной основой оперативной оценки, прогнозирования состояния загрязнения атмосферного воздуха и экологической обстановки региона.

Связь с планом научно-исследовательских работ. Основные результаты работы получены в соответствии с темой НИР по Госпрограмме на тему "Комплексное исследование и оценка экологической обстановки Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения и разработка программы социально-экономического развития региона", (научный руководитель - А. Айдосов, Алматы, 1998 г.).

Апробация работы. Результаты работы докладывались автором и обсуждались на I съезде математиков Казахстана (г. Шымкент, 1114.09.1996г.), I Республиканском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Алматы, 9-11.10.1996г.), Международных научных конференциях: "Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофизики, нефти, газа, энергетики и химии Казахстана" (г.Актау, 22-24.5.1996г.), "Актуальные проблемы математики и математического моделирования экологических систем" (г.Алматы, 3-5.10.1996г.), "Математическое моделирование в естественных науках" (г.Алматы, 1718.04.1997г.), "Современные проблемы информатики, управления и создания информационных технологии и систем" (г. Алматы, 8-10.01.1997г.), Республиканских научных конференциях " Современные проблемы механики жидкости, многофазных сред и моделирование гидравлических устройств машин" (г.Ташкент, 22-24.10.1997г.) и "Современные проблемы

алгоритмизации" (гТашкекг, 4-6.09.1996г.), Казахстано-Российской научно - практической конференции " Математическое моделирование научно-технических и экологических проблем в нефтегазодобывающей промышленности" (г. Алматы, 16-17. 10. 1997 г.), Школе-семинаре по механике и ее приложениям, посвященного 70-летию член-кор. НАН РК, профессора Ш.А.Ершина (5-6.09.1996г.). Основные результаты диссертационной работы также обсуждены в научных семинарах "Краевые задачи механики сплошной среды" (научные руководители: акад. ИА РК, проф., док. физ.-мат. наук Смагулов Ш.С. и член-корр. НАН РК, проф., док. физ.-мат. наук Отелбаев М О.) и "Математическое моделирование и использование ЭВМ в научных исследованиях и в учебном процессе" (научный руководитель: акад. РА ИО, проф. Бидайбеков Е.Ы.).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 15 печатных работах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения,изложена на 174 страницах,содержит 8 рисунков,29 таблиц. Список использованных литератур содержит 223 наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель работы, используемые методы, приводится постановка задачи и обзор литературы по данной теме.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. По осредненным характеристикам атмосферы, характеризующим состояние планетарного пограничного слоя (ППС) рассчитать распределение концентрации примеси.

В 1.1 изложена исходная система уравнений локальных атмосферных процессов. Для исследования атмосферных процессов, происходящих в пограничном слое, используем математическую модель, основанную на системе уравнений гидротермодинамики в декартовой системе координат х, у, г:

с1и 1 ф , сти (Утп

движения — =---— + /г +■ —11 + —— + —— ,

<Л р сх <3г ¡у &

</г _ 1 ф +

Л р Оу дс ду й

<Аг _ 1 ф стп ^ ¿т,, + <?г3,

с!! р & А су дг

неразрывности — + ейгри = 0

с>

состояния (Клайперона) р = рШ

с/0 Л - Ж, сН2 оН3

притокатепла — = — Ф + (?г +-V-+-г1--ь-г~

Ш С СХ су ¿2

da ^ ¿Q, aQ, 8Q, удельной влажности —=-Ф++ +

dt & dy dz

da> &f> 5<p dtp dq> dip f, , , . ч

где — = — + и — + v— + w— з — + Ugrad<p , <p = (u,v,w,9,q). dt cl & dy & St

Здесь t - время, u,v,w - компоненты вектора скорости ветра в направлений декартовых координат x,y,z соответственно, jj =(u,v,w), Т- температура, в- потенциальная температура, р - давление, q - удельная влажность, р-плотность, R-универсальная газовая постоянная, L„ -скрытая теплота конденсации, ср -удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Q,-радиационная составляющая притока тепла, А- термический эквивалент работы, g-ускорение свободного падения, I - параметр Кориоли-са, г(/ = 1,3,/ = 1,3)-тензор вязких напряжений Рейнольдса, #,,£?, (i = 1,3)-потоки тепла и влаги в направлениях x,y,z соответственно.

В §1.2 изложена постановка краевых и начальных условий для системы уравнений гидротермодинамики. Для решении конкретных практических задач задано начальное условие при t=0 в виде:

u = «(x) , v = v(x) , 9=-9(х) , q = q(x) , x = (x,y,z) , где u , v, 9 , q - определяются из результатов измерений в реальной атмосфере. В качестве краевых условий по горизонтали принимаем:

^ = 0 , £-0 , ^ = 0 , -&..0 при * = ±Х

ас & дх ах

= о , ^ = 0 , ^ = 0 , ^1=0 при , = ±г

ду ду ду ду

Далее в §§1.3-1.8 изложена модель пограничного слоя атмосферы с незакрепленной верхней границей воздушной массы, системы уравнений квазиоднородного приземного слоя, поток тепла и влаги в почву, замыкание системы уравнений гидротермодинамики относительно оператора турбулентного обмена, а также определен вертикальный коэффициент турбулентного обмена.

В §1.9.1 для типизации полей Н-500 естественно-синоптических (е.с.) периодов, характеризующих циркуляционные условия среднего уровня тропосферы применяется следующий алгоритм классификации. Использование данного алгоритма обосновывается предположением, что набор эталонных объектов однозначно определяет разбиение объектов X, € G (i=l,2,...,n) на к классов, а количество возможных наборов объектов при больших п и к значительно меньше количества различных разбиений множества п объектов на к подмножеств. Это предположение справедливо в случае осуществования в пространстве признаков совокупностей классифицируемых объектов, группирующихся вблизи своих центров (эталонов).

Постановка задачи классификации состоит в следующем. Имеющееся множество G объектов X, (j=l,2,...,n) требуется разбить на к непустых подмножеств. Пара объектов i и j характеризуется величиной близости S, отвечающей аксиоме метрики. Выделим в каждом подмножестве по одному объекту, сумма величин близости между которым и остальными объектами подмножества минимальна. Выделенные объекты являются эталонными. Разбиение на к подмножеств можно характеризовать суммой п величин близости между каждым объектом и эталоном того класса, в который входит данный объект, т.е. суммой F(k) из к чисел, каждое из которых представляет сумму величин близости между всеми объектами какого-либо подмножества и эталонным объектом этого подмножества.

т= I5X

Здесь к - множество индексов эталонных объектов, Q,- множество индексов объектов, входящих в подмножество с эталонным объектом X,, i е к. Очевидно, что с уменьшением F(k) качество разбиений повышается, так как происходит объединение объектов с малыми величинами близости stj и распределение по разным подмножествам объектов с большими значениями sij. Наилучшим считается разбиение, соответствующее равенству F(k)ma = min F(k).

Линейный характер и простота показателя F(k) позволяют строить эффективные вычислительные схемы, когда полный перебор или другие алгоритмы, требующие значительных ресурсов классифицируемого устройства, реализовать невозможно. Рассмотрим схему классификации. Пусть из множества объектов X, (j=l,...,n) выделено к' объектов, которые можно рассматривать в качестве эталонов, причем к' » к, где к - итоговое число классов. Построим матрицу близости | S0 | размером к'хп (i=l,.., к'; j=l,...,n) и каждый объект X отнесем к ближайшему эталону из набора к' по принципу минимума величины S4 . Полученное разбиение на к' подмножеств характеризуется величиной F(£')=

Переход к разбиению на к' - 1 классов осуществляется следующим образом. Исключая каждый раз какой-либо эталонный объект из набора к', построим к' разбиений множества п объектов Х} на к'-1 подмножеств. Окончательно из к' разбиений исключается такое, для которого показатель качества классификации F{к' -1) является минимальным. Минимальное значение F (к!-1-1) свидетельствует о том, что i-й эталон является наименее предпочтительным из данного текущего набора эталонов. Действительно, в этом случае объекты i-ro класса можно с наименьшими потерями "рассортировать" по другим классам и следовательно, i-й класс

является наименее компактным и удаленным подмножеством из имеющихся к' подмножеств. Таким образом, получаются новый из к'-\ эталонов и соответствующее ему разбиение. Выполнив таких шагов, получим разбиение множества б на к подмножеств. Величина Р не убывает с каждым шагом.

Р(с-1) > Р(с); с =*',*' -1.....к

Исходный набор к' можно определить ранговыми методами. На основе критерия сходства при задании порогового значения с1а производится ранжирование всех строк матрицы Б размером п х п. Рангом М строки (объекта) \ называется число ситуаций, удовлетворяющих условию < . Чтобы классы были представительны, ранги эталонов должны быть достаточно велики, т.е. М > Т„ .

Т обычно берется равным 0.10. Нетрудно определить значение , при котором средний ранг объектов равен 10% объема исходной выборки п. Величина ^ принимается в качестве пороговой: с/0 = . Можно полагать, что объект, ранг которого м. >0.10п, является возможным эталоном. Однако во избежание ошибок, связанных с возможностью пропуска истинного эталона, предлагается возможными эталонами считать те объекты, ранг которых М, > 0,05п при том же пороге с/0, который соответствует среднему рангу объектов М=0.10п.

Цель описанной предварительной процедуры состоит в исключении объектов, которые из-за своей нетипичности эталонами быть не могут. В качестве входного параметра поставленной задачи классификации используется величина к (число итоговых подмножеств). Если никаких сведений о к не имеется, предлагается использовать следующий метод. Зададим к равным единице. Программа счета, реализующая алгоритм классификации, позволяет на каждом шаге, начиная с к', строить классификацию, оптимальную с точки зрения минимума ¥(kJ). Получаем набор из к'-к+1 классификации.

Для объективного суждения выборе числа классов к предлагается использовать показатель

м, ~ м,

Здесь м, - число членов расформировываемого класса при переходе от ¡-й

классификации к (¡-1) -й. Величина показывает, как увеличится

М,

"расстояние" от среднего объекта расформировываемого класса до оставшихся к -1 эталонов по сравнению с "расстоянием" до бывшего эталона. Тогда очевидно, что число классов к нужно выбирать таким, при

ю

af(k)

котором в первый раз величина —— существенно превысит предыду-

.М,

щие значения. Здесь и в дальнейшем для проверки статистических гипотез о существенности отличия тех или иных величин будет применяться 5% -ный уровень значимости как наиболее употребительный в практике метеорологических исследований, В качестве меры близости между двумя объектами ( метеорологическими полями) i и j используется линейная комбинация известных индексов аналогичности p.pj.cos^ характеризующих различные, с синоптической точки зрения, стороны связи метеорологических полей. S,j представляется в виде

cos?,,) pi=Pjl=Ei!£l

ы 4 yz 2 2

Параметры р = —-— и рх = ———— характеризуют совпадение

меридиональной и зональной составляющей поля Н-500. По величине pz можно судить о совпадении очагов аномалий двух полей. Поэтому pt называют критерием геометрического подобия метеорологических ситуаций. Если поля Н-500, заданные в N фиксированных точках, рассматривать как векторы N-мерного пространства % - {x „,..., х„,} и

х.={ xu,...,x„j}, то их линейную связь можно характеризовать косинусом угла между ними cos^ = (ЛГ, Xt) (X, X, X1 Xt )72 где скобки обозначают скалярное произведение векторов, а штрих - знак транспонирования. Параметры pz и cos<a изменяются от -1 (обратные поля) до +1 (полностью идентичное поле). Результаты машинной реализации алгоритма явились основой типизации среднепериодных полей Н-500 в каждом сезоне. В последующем они подвергались синоптическому анализу и корректировке, так как до сих пор не существует метода автоматизированной классификации, полностью совпадающего с методологией синоптической типизации, основанной на опыте, интуиции и других качествах синоптика - специалиста. Вместе с тем следует указать, что эта корректировка оказалась незначительной, что в очередной раз свидетельствует о пригодности описанного алгоритма для метеорологических исследований.

В §§1.9.2-1.9.5 анализированы выявленные основные типы синоптических процессов - зимой (5 типов), весной (5 типов), летом (4 типа) и осенью (5 типов). Определены их характерные черты, преемственность и повторяемость.

Во второй главе изложены исходные данные: физико-географическое описание, климатические характеристики, годовые и месячные показатели загрязнения, статистические характеристики метеоро-

логических элементов (давления и температура воздуха, скорость ветра) при залповых выбросах и выявлены особенности загрязнения атмосферы, а также проанализированы метеорологические условия и состояния загрязнения атмосферы в районе КНГКМ. Выявлена зависимость загрязнения от метеорологических условий и определена связь состояния загрязнения атмосферы от условии ее циркуляции. Рассмотрены сезонные колебания загрязнения и выявлен сезонность этих явлений.

Метеорологические условия - состояние атмосферы в некоторый момент или промежуток времени, обусловленное физическими процессами, происходящими в ней, и характеризуемое определенным сочетанием метеорологических элементов. Последнее зависит от типа синоптической ситуации, определяющий общие условия циркуляции атмосферы. При малоактивном развитии процессов и застойных явлениях в атмосфере (слабый ветер) складываются наиболее неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению вредных примесей. Напротив, если атмосферные процессы активны, то приземные слои воздуха быстро очищаются.

Важным условием загрязнения атмосферы является перераспределение вредных примесей по вертикали, которое происходит в слое перемешивания под влиянием термодинамической турбулентности. Чем тоньше такой слой, тем в большем количестве в нем будут накапливаться эти примеси.

Средняя скорость ветра в слое перемешивания ( Vm? ) рассчитывается по данным о прогнозе ветра заданной заблаговременности у поверхности земли и на поверхностях 925 и 850 гПА. При прогнозе на текущий день допустимо использование данных о фактической скорости ветра в исходный срок.

В наиболее простом виде показатель метеорологических условий загрязнения (KMY3) можно представить в виде суммы:

KMyi = кг + Ки + К-

где kz - тип синоптической ситуации, ки - параметр, определяемый толщиной слоя перемешивания (Нго), к- - параметр, зависящий от средней скорости ветра в этом слое (v гер ). Если слой перемешивания . практически отсутствует, то вместо Vm? рассматривается скорость ветра у поверхности земли (У}).

В §2.5 показано, что зависимости между содержанием примеси над источником загрязнения и метеорологическими параметрами сложны и неоднозначны и что уровень концентраций определяется в.основном комплексом параметров. Между тем, синоптическая ситуация представляет собой в наиболее общем виде сложный комплекс метеорологических и аэрологических характеристик и отражает многообразие процессов, про-

исходящих в атмосфере. В §2.6 рассмотрена связь состояния загрязнения атмосферы от условии ее циркуляции.

Можно выделить 5 типов синоптических процессов на изучаемой территории. Они мало чем отличаются от сезона к сезону. Чаще других в течение года (кроме лета) встречаются процессы четвертого типа (28.9 -36.7%). Летом максимальную повторяемость (29%) имеют процессы первого типа, который является самым благоприятным для режима загрязнения. Процессы третьего и пятого типов имеют почти одинаковую повторяемость (15.1 -27%).

Можно утверждать, что процессы загрязнения воздуха связаны с макроскопическими условиями. Для исследуемой территории наиболее опасными являются синоптические процессы первого типа. Они способствуют созданию повышенного уровня концентрации примесей в воздухе. При осуществлении этого типа возникают синоптические условия, определяющие формирование высоких уровней загрязнения, которые представляют повышенную опасность для здоровья людей и окружающей среды. Результаты проведенных исследований свидетельствуют о больших возможностях использования синоптического анализа для прогнозирования загрязнения атмосферы на срок до 5 дней.

В третьей главе изложена математическая модель переноса примесей и моделировано состояния загрязнения атмосферы для типовых циркуляции планетарного пограничного слоя. Численно реализованы классы загрязнения атмосферы, расчеты концентрации загрязняющих веществ, расчет параметров планетарного пограничного слоя и анализированы полученные результаты.

Далее ставится задача по осредненным характеристикам атмосферы, характеризующим состояния планетарного пограничного слоя (ППС), рассчитать распределение концентрации примеси от точечного источника по территории. Характеристики ППС для конкретного месяца будут получены на основе §1.9, в которой проведена типизация атмосферных процессов для заданного района, а исходные данные - на основе главы 2. Для каждого типа определена повторяемость направлений и скорости ветра на уровне флюгера (иг,а), а также определяются классы устойчивости (К,,) и их повторяемость для каждого направления ветра. Для каждого конкретного состояния (и.,а,Ки) решается стационарная задача

дх ду дг ск (к ду ду

с граничными условиями:

д->0 при г ->оо

= С при г=0

дг

0 При

Предполагая и и К функцией ъ, а также используя соотношение К = КаЬ', (К0 от 0,5 до 1), можно перейти от задачи с точечным источником к задаче с линейным источником. Решение ищется в виде:

Тогда задача сводится к уравнению

^ А "И А ' (1)

& а су су

Введем безразмерную высоту £= ¿/^ , где Н - высота слоя перемешивания. Для устойчиво-статицифированного пограничного слоя атмосферы (ПСА)

Н-С^ , (2)

где С® 0,25, и, ~ 0,0431/., IIг - ветер на уровне Юм, /- параметр Ко-риолиса, I. - масштаб устойчивости Монино-Обухова. Тогда уравнение (1) перепишется в виде:

Зк % * Расписывая это уравнение на сетке с шагом с!х и {0,А"„;0Д} , получим разностное уравнение для каждой < точки сетки по X: а/9/'-1 - Р>4)= /; » С = 1.....«) .

К1-Уг К'*уг

где = + , у

<1? 2 Щ сГС2 2с/£

Решение уравнения находится методом прогонки. Далее проведен расчет параметров планетарного пограничного сдоя. Для расчета по вышеприведенному алгоритму необходимо знать рях параметров, описывающих структуру планетарного пограничного слоя (ППС). К ним относится профиль ветра р0, режим устойчивости, коэффициент турбулентного обмена К и другие. Профиль горизонтального ветра вычислялся без учета изменения его направления с высото? в ПС. Ось х мы направляли вдоль ветра на уровне флюгера (1/г). Для /чета устойчивости ППС применялись классы устойчивости (ки) по рсквиллу, профиль и вычислялся по формуле Ирвина:

Параметр Р вычислялся в зависимости от устойчивости Кх (см. та6л.).

1 2 3 4 5 6

Р 0,08 0,09 0,11 0,16 0,34 0,54

С использованием формулы (2) была построена таблица связи Н с Ки( таблица 2). Для неустойчивого ППС взято соотношение Я = -у^Ь, где £ = 2* 3 , ^ = 0,4. Таблица 2

1 2 3 4 5 6 7

со 3500 1000 200 120 50 -

В устойчивом ППС из (2) следует: // =

256

5

2 '

Для расчета К использовалась модель Бусингера : К = %и,Нк ,

0,21//, ¿>0, где * = • С. ¿ = 0, д = % ,

В §3.6 изложена методика расчета концентрации загрязняющих веществ. Расчет концентраций различных загрязняющих веществ производится для каждого типа циркуляции. В каждый тип, как правило, входили случаи с различными направлениями и скоростью ветров, а также Кь. (классов устойчивости ). Для каждого типа определены характерные скорости (С/.), процент повторяемости такой скорости (С) и ки . По этим данным производился расчет я(0,х) для каждого румба. Затем с их помощью вычислялись д(х,у) по формуле

У

ч 9(0,х) ЫП(рьХ

2 (р\х

(3)

В этом поле ось ОХ ориентирована по направлению ветра и, ■ После этого поле д(х,у) переориентируется на постоянную сетку , в которой

у направлен вдоль меридиана, и накапливаются с учетом повторяемости данного направления ветра. Итоговый результат распределения ()1 выдается в виде карты изолиний или в табличном виде. Расчеты производились для следующих загрязняющих веществ: окислы азота, сернистый ангидрид, углеводороды, окись углерода, метанол. Также приведены величины интенсивности выбросов по каждому загрязнителю в мгр/сек. Эти величины получены путем осреднения средних рыбросов по всему району промыслов. Полученные значения отождествлялись с точечным источником.

Поскольку в конкретный тип погоды входят не строго однотипные процессы с одинаковым направлением и скоростью ветра, то надо учиты-

вать розу ветров. Концентрация q определяется по формуле:

-я '

где q - концентрация, рассчитанная по (3), П(/3) - вероятность направления ветра под углом /? ( от направления северо-юг по часовой стрелке). Если известна повторяемость ветра по румбам р„ , тогда

Нами оценена степень загрязнения от различных загрязнителей на значительном удалении от района промысла. Как и следовало ожидать, наибольшие концентрации сосредоточиваются в области с |д:|<20 км. При больших расстояниях концентрации сильно убывают, и составляет доли процентов от fmax , характерного району промысла. Анализ результатов показывает, что концентрации довольно быстро убывают для всех типов и сезонов, и составляют, например, для окиси углерода величину порядка 10~!мг/м3 на удалении 150км от района промысла, что на 4 порядка меньше максимальных значений. Характер убывания концентраций с ростом расстояний для различных типов более заметен летом и меньший разброс наблюдается в другие сезоны.

Нами рассмотрены два экстремальных случая. Первый соответствует устойчивому западно-восточному переносу, а второй - ситуации близкой к антициклональной. Для первого случая скорости ветра v. ~ 10 м/с взяты для трех направлений ЗСЗ, 3 и ЗЮЗ. Для второго выбрана почти круговая роза ветров со скоростями ветра к. = 2 м/с.

Из распределения концентрации Q, видна существенная разница между этими двумя крайними ситуациями. Что же касается величин концентрации, то они также быстро убывают, и на расстоянии 150 км составляет 0,4* 10~5мг/м3 для западно-восточного переноса и 2Д*10"! мг/м3 для анти-циклонального типа. Величина для этих двух типов были соответственно 2,03* 1 (Г2 мг/м3 и 14,3*10~2 мг/м3. Таким образом для таких экстремальных случаев на расстояний порядка 150км концентрации различаются на порядок, для больших расстояний они становятся того же порядка, что и для выбранных нами типов, и видимо, близки к естественному уровню загрязнения.

Изучены концентрации окиси азота для двух экстремальных случаев: ЗВ - западно-восточного переноса, и А - антициклонального переноса в мг/м3. Из анализа видно, что эти два случая практически не отличаются уже на расстоянии 20 км.

Таким образом, убывания концентрации ведет себя практически одинаково для всех типов. Наибольшие отличия проявляется на расстояниях

до 20 км. Величина fmax ( для окиси азота ) изменяется от 2,0 *10~3 мг/м3 до 14,3 *10"2 мг/м5 для различных типов. Затем с увеличением расстояния 0, быстро выравниваются.

В заключении сформулированы выводы. Выполненное исследование, посвященное выбросу в атмосферу загрязняющих веществ с изучаемого источника, показало, что они в большой степени зависят от метеорологических условий. Получены следующие основные результаты: а) Выбросы загрязнения атмосферы данным источником весьма велики и нужно принять экстренные меры по их уменьшению; б) в течении года выбросы происходит неравномерно. Наибольший их объем наблюдается в теплую часть года, особенно, с апреля по июнь; в) в течении месяца суточная изменчивость выбросов (а) значительная. Последнее необходимо учитывать при анализе загрязнения окружающей среды; г) степень концентрации и рассеивания продуктов загрязнения существенно зависит от метеорологических условии и прежде всего от направления и скорости ветра; д) существенная концентрация загрязнения и продолжительное его сохранения происходят при антициклонической погоде, когда имеется слабый ветер и устойчивая инверсия атмосферы. Аналогичная ситуация, но без инверсии, существует летом в области термической депрессии; е) при наличии циклона в районе источника загрязнения концентрация продуктов выброса, с одной стороны, должна усиливаться, а с другой стороны, уменьшаться за счет осаждения загрязнения выпадающими осадками. Все зависит от того, какой из этих факторов окажется более сильным; ж) при наличии ПВФЗ, проходящей через очаг выброса, или наличия сильного ветра у поверхности Земли степень загрязнения со временем будет существенно уменьшаться; з) построенная модель выброса загрязнения атмосферы показывает, что в окрестности (до 20 км ) района выброса концентрации загрязняющих веществ зависит от метеорологических условии. С увеличением расстояния степень загрязнения резко уменьшается; и) данная модель позволяет экстренно оценить экологическую ситуацию региона при экстремальных ситуациях выброса примесей в атмосферу и оперативно контролировать экологическую обстановку рабочей зоны промышленности и близлежащих населенных пунктов.

Основное содержание диссертации изложены в следующих работах:

1. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Климатические особенности загрязнения атмосферы в регионе КНГКМ.-Межвуз.сб.науч.тр. "Нефть и газ" . Под ред. Мусанова A.M., Алматы, 1997. С. 107-117.

2. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Математическая модель переноса активных примесей. Тез. школы-семинара по механике и ее приложениям, Алматы, 1996. С. 7.

3. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Моделирование атмосферного загрязнения от ее циркуляции и метеорологических условий. Мат. I Республ.

съезда по теор. и прикл. механике, Алматы, 1996. С. 117-119

4. Айдосов А.,Заурбеков Н.С. Моделирование состояния атмосферы для типовой циркуляции планетарного пограничного слоя региона. -Сб. тр. Межд. конф."Современные проблемы информатики, управления информационных технологии и систем",Алматы,1997. С.45-49.

5. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Моделирование состояния загрязнения атмосферы для типовых циркуляций планетарного пограничного слоя региона Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения. Часть 1. Модель загрязнения атмосферы. В сб.: Вестник КазГУ, серия математика, механика, информатика. -Алматы, N 5,1996.С.29-39.

6. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Модельная оценка состояния загрязнения атмосферы в регионе Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения в зависимости от типов циркуляции планетарного пограничного слоя. Тез. Межд. конф. " Проблемы и перспективы развития науки и техники в области механики, геофйзики, нефти, газа энергетики Казахстана", Актау, 1996. С. 283.

7. Айдосов А., Заурбеков Н.С.Мунай-газ кен орындарындага зиянды к,осылыстар .//Биология жэне химия. Алматы, 1996, N 2, с.28-32.

8. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Оценка экологической обстановки Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения при типовых атмосферных циркуляциях. Мат. докл. конф. "Математическое моделирование научно - технологических и экологических проблем в нефтегазодобывающей промышленности", Алматы, 1997. с. 16.

9. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Перенос многокомпонентных активных и пассивных вредных веществ в атмосфере нестационарного приземного слоя с учетом орографии поверхности Земли, Модели и расчеты. Мат. респ. научн. конф. "Современные проблемы механики жидкости, многофазных сред и моделирование гидравлических устройств", Ташкент, 1997. С. 18.

10. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Расчет осаждения активных примесей при типовых атмосферных явлениях в регионе Карачаганакского нефтегазоконденсатного месторождения. Мат.Межд.конф."Актуальные проблемы математики и математического моделирования экологических систем", поев. 60-лет. акад. У.М.Султангазина, Алматы, 1996, с.42.

11. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Расчет переноса примесей в атмосфере КНГКМ с использованием основных типов синоптической ситуации в Западном Казахстане. Мат. межд. конф. поев. 75-летию член-корр. АН РК А.Т. Лукьянова, Алматы, 1997, с. 36.

12. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Численное моделирование загрязнения атмосферы в зависимости от метеорологических условий. Тез, докл. респ. научн. конф. "Современные проблемы алгоритмизации", Ташкент, 1996.

13. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Численное моделирование переноса активной примеси в пограничном слое атмосферы со свободной верхней границей. Тез. докл. I съезд математиков Казахстана, Шымкент, 1996, с.226-227.

14. Айдосов А., Заурбеков Н.С. Численное моделирование распространения активных примесей в пограничном слое атмосферы со свободной верхней границей. - Вестник КазГУ, серия математика, механика, информатика, вып. 9, Алматы,1998, с.3-12.

15. Заурбеков Н.С. Численное моделирование переноса примесей в пограничном слое атмосферы со свободной верхней границей. - Сб. тр. Межд.конф. "Современные проблемы информатики, управления и создания информационных технологии и систем", Алматы, 1997, с. 84-88.

Заурбеков HypFaira Сабыр-улы Реферат

АЙМАКТЫЦ ЭКОЛОГИЯЛЬЩ ЖАРДАЙЫН ЖЕДЕЛ БАРАЛАУ YIII Ш СИНОПТИКАЛЫК, К,¥БЬШЫСТАРДЬЩ ТИПТЕРШ ЕСКЕРЕ ОТЫРЬШ ЗИЯНДЫ КрСПАЛАРДЫЦ АТМОСФЕРАДА ТАРАЛУЫНЫН, МАТЕМАТИКАЛЫК, МОДЕЛИ ¡КУРУ

Рылыми жумыста жерда коршаган aya кабатын сипаттайтын орта шамалар К8мег1мен зиянды ксспалардын, атмосферада тара-яуын есептеу к,арастырылган.

Атмосферада етш жагк,ан кубылыстарды карастыру уцдн гидротермодинамика тендеры тешу керек. Бул тевдеуд! шешу ке-звде кажегп функцияларды табу ушш баска кбптеген тендеулер 6ipre карастырьмады. Мундай улкен тевдеулср жуйес'ш шешу ба-рысында кептеген к,иындык,тар кездеседа, мысалы, ер тендеудщ жалшздык, шарты, оньщ турак,тылыгы, тагы баскдлар.

¥сынылыгг отырган жумыста бул киындык,тарды шешудщ баскд тэсш Карастырылган. Турбуленгг! диффузия тевдеуше юретщ функциялар мэнш тез табу ушш атмосферашк, кубылыстарды б1ртектес топтарга белт, осы топтыц мшездемелк аш»:к.тамасын табу жеткшки.

Zaurbekov Nurgali Sabyrovich Resume

Mathematical modeling of transferring of harmful admixtures in atmosphere on discounting typically synoptic situations in a region

The model of transferring of harmful admixtures in atmosphere 011 the typically synoptic atmosphere circulation for extra estimation of ecological situations and fast reaction to the aggravation in the Karachiganak oil condensation seam is developed in this work.

It is necessary to use the mathematical model based on system of hydrodynamics' equations for the researches of local atmosphere processes on the bound layers, i.e. for the solving of turbulent diffusion equation. It is to examine the main equation together with many other ones: equations of the movement, indissoluble, state, affluent of warm, specific wetness, in which participate sought after functions. In decision of this kind model it is appeared many problems connected with its realization, for example, unity and stability of the decision of very large quantity of the equations and so on. There is developed another way to solve this problem in this work, namely typization of atmosphere processes with aim of defining unknown functions which are included in turbulent diffusion equation. It is developed the atmosphere processes typization principle on example of West Kazakhstan and provided synoptic processes typization of the region and discounted admixture condensation distribution on average atmosphere characteristics, which characterizes planetary bound layer.