Введение к работе
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 нефтегазоконденсатного 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 гидротермодшгамики. 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 промобъектов, что подтверждается результатами отчета о НИР по Госпрограмме на тему:
"Комплексное исследование и оценка экологической обстановки Карачаганакского 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, 11-14.09.1996г.), 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" (гАлматы, 17-18.04.1997г.), "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" (г.Ташкент, 4-6.09.1996г.), Казахстано-Российской научно - практической конференции " Математическое моделирование научно-технических и экологических проблем в нефтегазодобывающей промышленности" (г. Алмати, 16-17. 10. 1997 г.), Школе-семинаре по механике и ее приложениям, посвященного 70-летию член-кор. HAH РК, профессора Ш.А.Ерглина (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 МО.) 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.