Введение к работе
Актуальность темы.
Под загрязнением прибрежной зоны понимается введение в морскую среду в результате антропогенной деятельности веществ, ухудшающих качество воды, оказывающих негативное влияние на здоровье человека, на жизнедеятельность флоры и фауны, как в виде отдельных организмов, так и биоценозов.
Влияние деятельности человека на морскую среду проявляется также в виде добычи морских животных, некоторые из которых в результате уже исчезли, а некоторые находятся на грани исчезновения.
Загрязняющие вещества оказывают влияние на метеорологические, гидрологические и климатические условия крупных регионов и, в конце концов, достигают в своих воздействиях масштаба всей планеты.
Эти вещества попадают в океан с поверхностным, подземным и речным стоком, непосредственно с промышленными и бытовыми стоками, из атмосферы и с плавсредств. В свою очередь, подземные, поверхностные и атмосферные воды загрязняются промышленными и бытовыми сточными водами, удобрениями и ядохимикатами, применяющимися в сельском хозяйстве. Атмосферные воды загрязняются промышленными выбросами, выбросами при работе наземного и воздушного транспорта и др. Потоками воздуха загрязняющие вещества перемещаются в пределы океана и выпадают на его поверхность, в том числе, в прибрежной зоне.
Источниками загрязнения океана, имеющими планетарный характер, являются речной сток и водный транспорт, прежде всего танкеры.
Загрязнение прибрежной зоны может быть химическим (органическим и неорганическим), радиоактивным, микробиологическим, минералогическим и тепловым.
При строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений производятся выемка и дампинг грунтов, возможны разливы буровых растворов и нефтепродуктов. Из водовыпусков сточных вод в прибрежную зону попадают химические и минералогические загрязнения. Вынос рек также загрязняет прибрежную зону, в том числе в зоне действия сооружений, например, рекреационных пляжей, портовых акваторий. Эксплуатация портов приводит к существенному загрязнению морской воды.
Таким образом, актуальной является задача комплексного анализа и обобщения выполненных научных исследований и разработки инженерных методов расчета распространения загрязнений и качества морской воды, в частности, в прибрежной зоне моря, в том числе для прогноза изменений окружающей среды и ее защиты, для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду.
Объект исследования: прибрежная зона бесприливных морей.
Предмет исследования: процессы распространения взвешенных веществ и химических примесей от различных источников, определяющие качество морской воды.
Цель работы: разработка математических моделей и комплексной автоматизированной системы, позволяющей прогнозировать качество воды в прибрежной зоне в зависимости от гидрометеорологической ситуации, а также характеристик водовыпускных систем, ливневого стока, инженерных мероприятий на берегах, разливов нефтепродуктов. При этом предполагается, что система будет рассчитывать как фоновые характеристики загрязнений, так и распространение антропогенных добавок. Это позволит, в том числе, выполнять оценку экологической безопасности существующих и проектируемых инженерных сооружений.
Задачи исследования:
-
Выполнить обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации. Определить основные механизмы распространения загрязнений в прибрежной зоне моря.
-
Установить источники и виды загрязняющих веществ в прибрежной зоне моря и их взаимодействие с морской средой, выявить особенности загрязнений на основе изучения каждого источника в отдельности.
-
Определить основные математические модели для расчета всех составляющих гидродинамики прибрежной зоны моря, таких как: колебания уровня воды; гравитационные волны на воде; течения, с учетом их общей циркуляции.
-
Разработать или модифицировать математические модели распространения загрязнений в прибрежной зоне моря и реализовать их в инженерных методах расчета.
-
Разработать программный комплекс для расчета распространения загрязнений в прибрежной зоне от различных источников загрязнений.
-
Выполнить тестовые и практические расчеты качества воды в прибрежной зоне моря для конкретных объектов.
Научная новизна работы:
разработана математическая модель распространения речной взвесенесущей струи в прибрежной зоне моря при наличии сносящего вдольберегового течения, отличающаяся тем, что учитывается изгиб оси струи относительно оси русла впадающего водотока;
разработана математическая модель распространения нефтяного пятна при аварийном разливе в прибрежной зоне моря, в которой снос пятна разлива рассчитывается по скоростям течения в точках его схематизации;
разработана комплексная автоматизированная система для прогнозирования распространения загрязнений в прибрежной зоне моря под воздействием гидрометеорологических факторов, причем как в отношении фоновых концентраций, так и в отношении антропогенных добавок.
Практическое значение: Усовершенствованы методы для решения актуальной задачи прогнозирования качества воды в прибрежной зоне моря под воздействием основных гидродинамических факторов (волн и течений).
Практическая значимость состоит в том, что на основе разработанной автоматизированной системы можно организовать экологический мониторинг существующего и прогнозируемого качества воды в прибрежной зоне с учетом характеристик соответствующих инженерных сооружений и литодинамических характеристик подводного берегового склона.
На основе системы, проектными и научными организациями методом математического моделирования, могут быть определены оптимальные, в том числе по экологическим показателям, параметры водовыпускных систем, водозаборных сооружений, а также мероприятий для управления береговыми процессами.
В качестве примеров практического применения разработанных методов приводятся результаты расчетов для водовыпуска, заносимости акватории причала и распространения загрязнений при аварийном сбросе буровых растворов.
На защиту выносятся:
-
Математическая модель распространения речной взвесенесущей струи в прибрежной зоне моря при наличии вдольберегового течения, вызывающего изгиб оси струи.
-
Математическая модель распространения нефтяного пятна при аварийном разливе в прибрежной зоне моря.
-
Комплексная автоматизированная система для прогнозирования распространения загрязнений в прибрежной зоне моря под воздействием гидрометеорологических факторов и оптимизации, в том числе по экологическим показателям, параметров водовыпускных систем, водозаборных сооружений, а также мероприятий для управления береговыми процессами.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и были одобрены на 5–й и 6-й международных научно-практических конференциях «Строительство в прибрежных курортных регионах» (Сочи, 2008, 2010 г.г.), на II международной научно-практической конференции «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Туапсе, 2011 г.), на XII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Казань, 2011 г.).
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием действующих нормативных и рекомендательных документов, применением апробированных методов исследования и использованием стандартных методов оценки.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 опубликованных работах, среди которых 3 в рецензируемых научных изданиях, реферируемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Представленная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация представлена на 232 страницах. Текст сопровождается 22 таблицами и 69 рисунками. Список литературы включает в себя 302 наименования, из них 12 – на иностранном языке.
