Введение к работе
Актуальность темы
Одной из остро стоящих в настоящее время перед человечеством экологических проблем, связаннаых с промышленным развитием современной цивилизации, является проблема загрязнения окружающей среды: атмосферного воздуха, водного пространства и территорий.
Как показывает анализ, в ближайшие годы эта тенденция будет сохраняться и возрастать.
Для стабилизации ситуации и снижения отрицательных последствий этого явления необходимо выработать и использовать на практике комплекс научно обоснованных мер, в достаточной степени эффективных и экономически приемлемых.
В связи с этим исследованиям, связанным с вопросами охраны окружающей среды и математическому моделированию распространения загрязняющих веществ в атмосфере и водной среде в настоящее время уделяется особое внимание.
Значительный вклад в развитие этих исследований внесли такие ученые, как Берлянд М.Е., Вызова Н.Л., Во-рович И.И., Горстко А.Б., Домбровский Ю.А. Дымни-ков В.П., Г.И. Марчук, Обухов A.M., Орленко Л.Р., Семен-чин Е.А., Сурков Ф.А. и другие.
Многие из имеющихся в настоящее время работ в этом направлении носят фундаментальный характер. Они посвящены прежде всего построению моделей, позволяющих либо прогнозировать поведение экосистемы при различных стратегиях загрязнения на длительном временном интервале, либо исследовать поведение системы "глобально", значительно упрощая модели источников, заменяя их 8-функциями при неограниченном окружающем пространстве.
Используемые при этом моделировании подходы требуют в своей реализации проведения трудно выполнимых расчетов и, что существенно усложняет их практическое использование, - наличия большого объема исходной информации для задания начальных и граничных условий,
получить достоверные значения которой зачастую оказывается проблематичным.
В фундаментальной монографии Г.И. Марчука "Математическое моделирование в проблеме окружающей среды"- М.: Наука., 1982, посвященной математическому моделированию проблем, связанных с охраной окружающей среды, развитые методы позволяют дать общий анализ решения широкого класса задач расчета распространения загрязнителей в атмосфере, стоимости мероприятий по реализации защитных мер и т.д.
Однако, оперативного и достаточно точного описания локального состояния окружающей среды в связи со сложностью оперативной постановки краевых задач этим методом получить не удается.
Практически не изученным до настоящего времени остается вопрос о характере распространения примесей в многослойной стратифицированной атмосфере, что часто наблюдается в реальности, как это было, например, в Чернобыле.
Экстремальные ситуации, связанные с техногенными и экологическими катастрофами типа Чернобыльской, Усинской, Томской и другими, ставят еще одну важную задачу - проблему оперативного мониторинга и прогнозирования негативных последствий вредных выбросов, определения характера их распространения и уровня загрязнения прилежащих территорий,1 когда временной интервал между событием и принятием правильного решения ограничен.
В настоящее время имеются технические средства (лазерные измерители стратификации атмосферы и скоростей ветра), позволяющие оперативно определять локально над интересующим объектом иоле скоростей ветра, слоистость атмосферы, а для некоторых примесей - и их концентрацию на различных высотах.
При наличии соответствующих моделей и разработанных на их основе численных алгоритмов это позволит с использованием средств современной вычислительной техники оперативно решать сформулированную выше за-
дачу выбора правильного решения в экстремальной ситуации.
Подобные модели можно также использовать для оценки распространения выбросов в водной среде.
Тема настоящей диссертации связана с рассмотрением этих недостаточно изученных до настоящего времени вопросов.
Цель работы
Основной целью диссертационной работы являлось исследование отдельных динамических моделей процессов распространения консервативных и неконсервативных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу источниками различных типов, которые происходят в реальных условиях под воздействием ветровой нагрузки и с учетом сложного характера взаимодействия загрязнителей с подстилающей поверхностью, а также решение на их основе некоторых задач практического характера, включая разработку численных алгоритмов, позволяющих выполнять оперативный счет и удобное, графическое представление результатов.
Внимание уделялось решению задач в постановке, позволяющей выполнять оперативное прогнозирование при минимальном объеме необходимых входных данных.
В качестве исходного было взято уравнение переноса и диффузии, применяемое академиком Г.И. Марчуком в его основополагающих работах по математическому моделированию проблем, связанных с охраной окружающей среды.
При этом решались следующие задачи.
-
Исследование влияния различных условий на поверхности Земли на распространение выбросов от сосредоточенных источников загрязняющих веществ в стационарном случае двумерной задачи рапространения загрязнителя.
-
Моделирование распространения вредных выбросов вблизи автомагистралей, а также в случае площадных источников сложной в плане формы.
-
Оценка выброса загрязняющих веществ сосредоточенным источником в слой атмосферы высотой h с учетом возможности их нейтрализации.
-
Оценка уровня загрязнения от группы сосредоточенных источников при изучении больших по площади территорий.
-
Исследование случая распространения загрязняющих веществ от точечного источника в стратифицированных средах.
Научная новизна
-
Рассмотрена задача оперативного расчета распро- странения загрязняющих веществ в стратифицированных средах. Изучено влияние различных условий на. поверхности Земли на характер распространения и оседания загрязняющих веществ. При этом оценено загрязнение окружающих территорий для целей оперативного принятия решений в экстремальной ситуации.
-
В этой постановке решена крупномасштабная задача моделирования распространения загрязняющих веществ вблизи автомагистралей.
-
Выполнены исследования, позволяющие решать задачу о выбросах с учетом возможности их оптимальной нейтрализации.
-
Получены новые асимптотические формулы для оценки уровня загрязнения больших по площади территорий вследствие выбросов группы сосредоточенных источников.
-
Исследован случай задачи распространения загрязняющих веществ в стратифицированных средах.
Достоверность полученных результатов основана на строгом использовании математических методов, соответствии с физической сутью моделируемых поцессов и на результатах сопоставления отдельных численных экспериментов с реальными данными мониторинга.
Практическая ценность Содержание диссертации непосредственно связано с выполнением работ, которые проводились и ведутся в настоящее время в КубГУ в рамках выполнения Федеральной целевой комплексной
научно-технической программы "Экологическая безопасность России", Государственной программы "Глобальные изменения природной среды и климата", региональной научно-технической программы "Экология и энергосбережение Кубани", реализацией проекта №368 "Кубань-Сибирь-Москва" федеральной целевой программы "Государствен-ная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 г.", ФЦП "ИНТЕГРАЦИЯ".
Апробация работы Основные результаты работы докладывались на научных семинарах Кубанского филиала НИИ механики и прикладной математики РГУ при Куб-ГУ, на международной конференции "Актуальные вопросы экологии Азово-Черноморского региона и Средиземноморья ( Симферополь - Ялта, 1993 г.), на региональной научной конференции "Современные проблемы экологии" ( Краснодар - Анапа, 8-12 сентября 1996 г. ), на международном симпозиуме Technological civilization impact of the environment ( г.Карлсруе, Германия 22-26 апреля 1996 г. ), на Всероссийском симпозиуме "Математическое моделирование и компьютерные технологии" ( г.Кисловодск, 1997 г. ) и др.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Объем работы Диссертация состоит из введения, 8; разделов, заключения и списка литературы, включающего 38 наименований. Общий объем работы составляет 108 страниц текста с приложением.