Методы восстановления полей выпадений аэрозольных примесей от площадных источников

В последнее время проблемы охраны окружающей среды вошли в число приоритетных. Загрязнение атмосферы, вод суши и океанов, изменения естественного растительного покрова, глобальные изменения климата сделали необходимым значительное расширение экологических исследований. Исследования процессов распространения газовых и аэрозольных примесей занимают важное место в решении экологических проблем, так как являются основой для создания эффективной системы контроля состояния загрязнения окружающей среды [1,6−14,17,19−22,35−38, 73,110,116−119,127−129,139−143].

Источники аэрозольных примесей характеризуются значительным разнообразием. В реальных условиях выброс примесей в атмосферу может осуществляться не только из источников точечного типа (дымовые трубы и др.), но и от линейных и площадных источников [25, 95, 96, 108, 109, 126]. Особое внимание следует уделить характерным особенностям площадных источников, мощность выноса вредных веществ в атмосферу с поверхности которых существенно зависит от гидрометеорологических условий и турбулентных характеристик воздушной среды, как например, в случае неорганизованных источников пыли [9−12, 15, 16, 22−25, 36, 40, 52, 76, 85, 87]. Некоторые из физических параметров, определяющих процессы переноса примеси от площадных источников в настоящее время изучены недостаточно. Для их достоверного определения необходимо проведение теоретических и экспериментальных исследований, в том числе натурных экспериментов.

Одной из актуальных задач является оценка выноса аэрозоля с опустыненных территорий под воздействием ветра. Наблюдения пылевых выносов в конкретных пылегенерирующих провинциях [36, 80] приводят к парадоксальному выводу: более или менее постоянные источники пыли и соли находятся не в районе больших пустынь, а располагаются по опустыненным морским, речным, дельтовым или озёрным равнинам, где накоплены рыхлые осадочные отложения и лёссы.

Изучение пыльных и соляных бурь в настоящее время приобрело особую остроту в связи с понижением уровня ряда крупных замкнутых бассейнов аридной зоны и осушением обширных площадей. Весьма актуален этот вопрос и для решения проблемы Аральского моря [76]. Высыхание Аральского моря вылилось в целую серию негативных последствий от деградации животного мира до аридизации климата.

Основные причины, обусловливающие развитие процессов дефляцииметеорологические факторы и, прежде всего скорости и направления ветра, засухи, высокие температуры, а также незакреплённость поверхности почвы растительностью, легкий механический состав почв и грунтов, слабая связность и механическая прочность структурных отдельностей почв [15, 22, 76, 87]. Анализируя метеорологические условия аридных зон, при которых возникают пыльные бури, выделяют два их типа. Одни зарождаются в области вихрей в условиях неустойчивой стратификации атмосферы во время сухой летней и весенней погоды. Эти вихри носят локальный характер, охватывают небольшие площади и бывают кратковременными. Другие возникают на периферии антициклонов в условиях устойчивой стратификации атмосферы. Они распространяются на обширные территории и переносят пыль на сотни и тысячи километров [36, 80].

Механизмы вертикального переноса примесей и, в частности, аэрозоля в конвективном пограничном слое атмосферы до сих пор недостаточно изучены. Эти механизмы можно понять, изучая взаимосвязи между флуктуациями концентраций различных фракций аэрозоля и турбулентными пульсациями компонент скорости ветра и температуры воздуха [28, 29, 81, 87]. Однако существующие знания о флуктуациях параметров аэрозоля, в том числе счетных и массовых концентраций, во многих отношениях отрывочны. Нельзя считать полностью изученными и закономерности, которым подчиняются турбулентные пульсации компонент скорости ветра и температуры воздуха в конвективных условиях. Сложившаяся ситуация предопределяет необходимость постановки новых экспериментов по исследованию флуктуаций параметров атмосферного аэрозоля совместно с турбулентными пульсациями компонент скорости ветра и температуры воздуха [15,28,29].

В результате многочисленных исследований установлено, что атмосферные аэрозоли оказывают значительное влияние на климат и здоровье населения. В их число входят и биоаэрозоли — биологические объекты, находящиеся в воздухе во взвешенном состоянии и подчиняющиеся тем же закономерностям, которые присущи любым аэрозолям соответствующих размеров. Частицы биологического происхождения, т. е. вирусы, бактерии, споры, пыльца и др., являются неотъемлемой составляющей атмосферного аэрозоля [2, 26, 27, 32, 55, 58, 91, 111, 120−126, 133]. Их величины варьируются от десятков нанометров до сотен микрон и, следовательно, они представлены во всём диапазоне аэрозольных частиц. Значительную часть самой крупной фракции биологического аэрозоля составляют пыльца и споры растений [27].

К специфическим площадным аэрозольным источникам следует отнести участки травяной и древесной растительности, выделяющей во время цветения пыльцу. Размеры пыльцевых зёрен находятся в диапазоне от 2−5 до 250 мкм, преобладающая масса пыльцевых зёрен ветроопыляемых растений имеет величину порядка 20−50 мкм [55, 79,93].

Содержащиеся в атмосфере пыльцевые зерна составляют лишь малую часть от общего количества частиц биологического происхождения. По данным ежегодных измерений в Кардиффе (Англия), они составляют только 2% аэропланктона. Однако их место в жизненном цикле растений, способность вызывать аллергические заболевания по всему миру, а также использование пыльцы как руководящего ископаемого обуславливают особое значение данного компонента биоаэрозоля. Рост числа заболеваний пыльцевой аллергией во второй половине 20-го века обусловил всплеск интереса к атмосферному переносу пыльцы по всему миру. После открытия в 1966 г. иммуноглобулина Е в исследованиях атмосферного переноса пыльцы начинается новая эра. В этот период составляются пыльцевые календари для большинства крупных городов Европы, определяются закономерности содержания в атмосфере пыльцы отдельных видов растений, влияние метеорологических факторов, постоянно совершенствуется методика отбора атмосферного аэрозоля, создается сеть постоянно действующих станций для мониторинга пыльцы [27, 124, 125,135].

Усиление техногенной деятельности человека, приводящей к непрерывному росту антропогенной нагрузки на биосферу, также порождает множество экологических проблем [2,30,41,49, 61, 73, 75, 83, 84, 88,94, 97]. Одним из главных факторов, оказывающих мощное комплексное воздействие на все компоненты окружающей среды, являются процессы, возникающие при эксплуатации различных объектов горного производства. Извлечение из недр громадных объёмов горных пород и размещение отходов обогащения в хвостохранилищах захватывают значительные площади, но зоны загрязнения, где концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК, охватывают территории, по площади не сопоставимые с площадями горных отводов. Непосредственно с поверхности карьеров, отвалов, складов полезных ископаемых происходят процессы пылеобразования и окисления, что приводит к загрязнению почвы, воздуха, водных объектов. Протяжённость зон загрязнения при этом может достигать десятков километров [17,43, 54, 57, 59, 66].

Поступление в атмосферу в результате производственной деятельности больших количеств различных элементов и веществ, в том числе тяжёлых металлов (свинец, кадмий, ртуть, никель, кобальт, хром, ванадий, медь, цинк, мышьяк, селен, сурьма), окислов серы, азота, вызывает в последнее время все большую тревогу [41, 71, 73, 75, 110, 131, 140]. Осаждаясь на подстилающую поверхность, они загрязняют почву, растительность, водоемы, проникают в организм человека и животных. Степень экологического воздействия этих веществ на окружающую среду определяется многими факторами и, в частности, их поведением в атмосфере. Например, химические превращения в атмосфере могут приводить к образованию более токсичных форм, чем первоначально выбрасываемые, а также влиять на их сток из атмосферы. Размеры аэрозольных частиц определяют время их жизни в атмосфере и, соответственно, расстояния, на которые они могут переноситься от источника выброса [41,110,131,144].

В настоящее время существует достаточно свидетельств тому, что загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами, сульфатами, нитратами приняло опасные размеры, и необходимость значительного снижения их выбросов в атмосферу становится все более очевидной. Однако выработка научно обоснованной политики, направленной на сокращение выбросов, невозможна без четкого понимания процессов их переноса, трансформации и осаждения на подстилающую поверхность [41, 75,110].

Весьма значительные территории севера Западной Сибири занимают месторождения нефти и газа, разработка и эксплуатация которых оказывает существенное влияние на окружающую среду [30, 49, 57, 98]. Последствия такого воздействия нередко проявляется на значительных расстояниях от источников выделения загрязняющих примесей. К источникам такого типа относятся факельные установки, предназначенные для сжигания некондиционных газовых и газоконденсатных смесей. Качественная и количественная характеристика выбросов вредных веществ в атмосферу определяется объёмом и составом сжигаемой смеси, параметрами факельной установки.

Химические методы защиты растений от вредителей и болезней приводят к значительному загрязнению окружающей среды. Усовершенствование этих методов является важной задачей. В связи с этим особую актуальность приобретает технология химических обработок, которая должна удовлетворять противоречивым требованиям: обеспечивать высокие урожаи и минимально отрицательно воздействовать на окружающую среду. В условиях непрерывного роста масштаба применения химических средств защиты растений первостепенная роль в уменьшении загрязнения окружающей среды принадлежит совершенствованию методов применения пестицидов, использующихся главным образом в виде аэрозолей. В основе аэрозольной технологии лежит следующий принцип: исходя из условий работы, вида растительности и вредителей, токсичности ядохимиката, метеоусловий, по определенной математической модели рассчитать положения источников и оптимальные режимы работы аэрозольного генератора — требуемые размеры аэрозольных частиц и мощности их генерации [33, 60, 64, 67]. Следует отметить, что для многих конкретных задач контроля и оптимизации качества аэрозольных обработок можно предложить специальные методы решения, являющиеся более эффективными, чем стандартные [33, 67].

Необходимым инструментом для исследования вышеперечисленных проблем являются методы математического моделирования, основанные на численных и аналитических решениях задач переноса и диффузии примесей в приземном и пограничном слоях атмосферы [5, 11, 31,44, 46, 48, 53, 62, 63, 90, 114, 130, 132, 138, 144−147]. При этом следует отметить, что концентрация примеси, создаваемая выбросами различных веществ в атмосферу, определяется характеристиками источников примесей, свойствами выбрасываемых веществ, а также метеорологическими условиями. Одной из важнейших характеристик источника является его мощность, т. е. количество вещества, выбрасываемое в атмосферу в единицу времени. Она в конечном итоге определяет уровень загрязнения окружающей среды.

Поскольку информация о протекающих процессах и параметрах источников является весьма приближённой, возникает необходимость её уточнения на основе постановок обратных задач с привлечением дополнительных экспериментальных данных [4, 74, 77, 112, 134]. В качестве основных обратных задач следует выделить: восстановление полей концентрации аэрозольной примеси по данным наблюдений, идентификацию параметров источника, оценка характеристик дисперсного состава примеси. [44,47,51,67, 74,98,134].

Одним из основных этапов решения возникающих обратных задач переноса примеси в атмосфере являются исследования по оценке информативности и оптимизации систем наблюдений [4,45, 89, 92,113,136]. Выбор оптимальных схем наблюдений позволяет существенно снизить чувствительность получаемых решений к погрешностям используемых данных наблюдений, уменьшить количество точек отбора проб.

Актуальность темы

Процессы загрязнения атмосферы и поверхности земли в результате ветровой миграции примеси от неорганизованных площадных источников до сих пор изучены недостаточно и зависят от значительного числа факторов, обладающих большой изменчивостью. К ним в первую очередь следует отнести текущую эмиссию источников и эффективную высоту подъёма примеси, дисперсный состав аэрозольных частиц. Эти величины в свою очередь зависят от метеорологических условий, степени увлажнённости и механического состава почв, прочности сорбции примеси с поверхностью и т. д. Также недостаточно полно изучены механизмы ветрового подъёма примеси с подстилающей поверхности, взаимосвязи между флуктуациями концентраций различных фракций аэрозоля и пульсациями скорости ветра и температуры воздуха. В сложившейся ситуации проведение прямого моделирования процессов распространения примеси весьма затруднительно. С другой стороны проблематично получить достоверную картину загрязнения территорий лишь на основе данных наблюдений, что в значительной степени связано с недостаточностью и фрагментарностью этих данных.

Вследствие такого положения представляется целесообразным разработка компромиссных моделей, использующих имеющиеся данные натурных наблюдений, теоретические описания процессов распространения примеси и дополнительную априорную информацию о структуре источников, дисперсном составе примесей, метеорологических полях. Построение такого типа моделей оценивания полей концентраций позволяет более надежно контролировать процессы и характеристики техногенного загрязнения местности.

Цель работы состоит в разработке методов численного анализа данных экспериментальных исследований аэрозольного загрязнения территорий атмосферными выбросами нерегулярных площадных источников. Получение на основе этих методов количественных закономерностей формирования полей аэрозольных выпадений примесей в зонах влияния природных и антропогенных объектов.

Задачи работы:

1. Разработка методики оценивания полей аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха, снегового и почвенного покрова по данным натурных наблюдений в окрестностях неорганизованных площадных источников.

2. Создание методов интерпретации данных наблюдений регионального загрязнения территорий атмосферными выбросами промышленных предприятий.

3. Разработка методов контроля качества и оптимизации аэрозольных обработок сельхозмассивов. Анализ информативности и численное построение оптимального размещения точек отбора проб.

4. Исследование количественных и качественных закономерностей пространственного распределения полей концентраций примесей на основе моделей оценивания и данных экспериментальных исследований антропогенного загрязнения территорий Сибири.

Методологической основой работы являются постановки обратных задач переноса примеси, численные и аналитические решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии в приземном слое атмосферы, методы оптимизации, численное моделирование для обобщения и интерпретации данных натурных наблюдений аэрозольного загрязнения местности.

Научная новизна. Автором разработаны методы оценивания полей аэрозольных выпадений от площадных источников, основанные на совместном использовании малопараметрических моделей переноса примесей в атмосфере и данных натурных наблюдений. Установлены новые количественные закономерности формирования полей концентрации примеси в окрестностях неорганизованных площадных источников. Предложены методы определения источников примесей и оценивания регионального загрязнения территорий промышленными предприятиями. Для аэрозольных источников регулируемой дисперсности в приземном слое атмосферы разработана модель оптимального управления процессами последовательного нанесения осадка препарата на массив сельскохозяйственных полей и проведено численное моделирование оптимальных параметров аэрозольных обработок. Все полученные результаты обладают новизной и демонстрируют многообразие методов решения возникающих задач оценивания загрязнения местности.

Достоверность положений и выводов работы обеспечивается применением физически обоснованных моделей приземного слоя атмосферы и переноса примеси, использованием апробированных аналитических решений, методов численной реализации обратных задач и планирования эксперимента. Адекватность разработанных моделей восстановления полей концентраций подтверждается значительным объёмом экспериментальных исследований загрязнения атмосферного воздуха, снегового, растительного покрова в зонах влияния аэрозольных источников нерегулярной пространственно-временной структуры.

Научная и практическая значимость. Разработаны экономичные методы численного анализа данных наблюдений аэрозольного загрязнения окружающей среды неорганизованными площадными источниками. Построены модели оптимизации плотности осадка аэрозольных препаратов с использованием источников регулируемой дисперсности в приземном слое атмосферы. Предложенные математические модели оценивания параметров источников и полей аэрозольных выпадений, а также найденные с их помощью закономерности переноса и рассеяния загрязняющих веществ образуют научную основу для получения практических способов ведения мониторинговых наблюдений в зонах действия техногенных источников различной структуры. Эти модели могут быть использованы для реконструкции полей аэрозольного загрязнения местности хвостохранилищами горно-обогатительных фабрик, угольными карьерами, нефтегазовыми факелами, автотрассами, городскими территориями.

Предложенные в диссертационной работе методы восстановления полей загрязнения были использованы при проведении практических работ:

— по оценке длительного пылевого загрязнения окрестностей хвостохранилища Салагаевский лог Кемеровской области. Методами постановок обратных задач переноса примеси по ограниченному числу точек отбора проб почвы ей была проведена численная реконструкция полей аэрозольных выпадений тяжёлых металлов, промоделированы оптимальные схемы размещения точек отбора проб, составлены программы расчётов;

— по численной реконструкции полей концентраций аэрозольных выпадений на снеговой покров полиароматических и нефтяных углеводородов, химических элементов, макрокомпонентов в зонах интенсивного влияния нефтегазовых факелов Приобского и Приразломного нефтяных месторождений Ханты — Мансийского автономного округа. На основе данных маршрутных снегосъёмок, проведённых в конце зимних сезонов 2004, 2005 г. г. в окрестности этих факелов, создан комплект карт полей загрязнения ХМАО продуктами сжигания углеводородных смесей, рассчитаны таблицы суммарных выпадений аэрозольных примесей.

Работа выполнялась в рамках интеграционных грантов СО РАН №№ 0064, 00−69, 00−75, 03−168, 03−169- проектов Программы фундаментальных исследований Президиума РАН №№ 13.5, 16.6- проектов РФФИ №№ 05−598 006, 03−05−96 826- проекта Международного научно-технического центра № 2311.

На защиту выносятся:

1. Методика реконструкции полей локальных выпадений аэрозольных примесей в окрестности площадных источников.

2. Методы интерпретации данных наблюдений регионального загрязнения территорий техногенными выбросами.

3. Методы количественной оценки эффективности аэрозольных обработок сельскохозяйственных культур.

4. Результаты апробации разработанных методов оценивания полей концентраций примесей на данных натурных исследований процессов загрязнения территорий Сибири промышленными выбросами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на российских и международных конференциях: «Вычислительноинформационные технологии для наук об окружающей среде» (Томск, 2003 г., Новосибирск, 2005 г.), «Информационные технологии и обратные задачи рационального природопользования» (Ханты — Мансийск, 2005 г.), 11 экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (Екатеринбург, 2005 гг.), научно-практической конференции «Информационные технологии, измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов: АГРОИНФО-2003» (Новосибирск, 2003), на 4-ой научно-практической конференции «Региональные проблемы устойчивого развития природоресурсных регионов и пути их решения» (Кемерово, 2004), на конференции по вычислительной математике «МКВМ-2004» (Новосибирск, 2004 г.), на V — XI совещаниях Рабочих групп «Аэрозоли Сибири» (Томск, 1998 — 2004 г. г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в [3, 6870,72,99−109].

Личный вклад автора. В совместных работах [3, 68−70, 107−109] диссертант участвовал в постановке задач, разработке численных алгоритмов, анализе полученных результатов численного моделирования и интерпретации данных натурных исследований. Автору принадлежит программная реализация разработанных алгоритмов и проведение вычислительных экспериментов.

Структура и объём работы. Текст диссертации включает введение, три главы, заключение, список цитируемой литературы, акты о внедрении и использовании результатов работы.

Список литературы

содержит 147 наименований. Объём диссертации составляет 119 страниц, включая 19 рисунков и 13 таблиц.

Основные результаты и выводы.

1. Разработаны малопараметрические модели реконструкции полей аэрозольных выпадений примесей в окрестности площадных источников. На основе этих моделей и данных натурных наблюдений установлены количественные закономерности формирования полей счётной и массовой концентрации сульфатного аэрозоля в окрестности Селитренного озера Алтайского края. Получены косвенные оценки эффективных высот подъёма частиц в зависимости от их размеров и скорости ветра.

2. Проведена количественная интерпретация данных экспедиционных исследований плотности выпадений пыльцы прутняка и пыльцы берёзы. С учётом текущих метеорологических условий получены численные описания процессов распространения пыльцы от травяной и древесной растительности. Показана их адекватность результатам измерений в контрольных точках.

3. Предложены методы оценивания регионального загрязнения территорий в зонах влияния нефтегазового и топливно-энергетического комплексов. На основе этих методов и данных наблюдений пылевого загрязнения снегового покрова в районе Нерюнгринского угольного разреза установлена количественная зависимость плотности выпадений пыли от расстояния до карьера. С использованием измерений теплового излучения нефтегазовых факелов Ханты — Мансийского автономного округа построены поля относительных концентраций продуктов сгорания.

4. На основе совместного анализа данных аэрологических наблюдений направлений ветра и пробоотбора воздуха на севере Западной Сибири установлена связь с эпизодами выносов сульфатов, нитратов, тяжёлых металлов от промышленных источников Урала и Норильска.

5. Построены модели контроля качества аэрозольных обработок сельскохозяйственных культур. В приближении моделей лёгкой, монои полидисперсной примеси методами постановок обратных задач переноса примеси в атмосфере по ограниченному числу точек отбора проб проведено оценивание параметров источника и восстановление плотности осадка аэрозольного препарата на растительности. Предложены методы оптимизации размещения точек измерений плотности осадка аэрозольной примеси. Проведено численное моделирование локально-оптимальных планов пробоотбора и исследование точности восстановления плотности осадка препарата в зависимости от выбора опорных точек измерений.

6. Разработана математическая модель оптимизации плотности осадка препарата при аэрозольных обработках сельскохозяйственных полей методом волны. Предложен метод расчёта и проведено численное моделирование оптимальных параметров последовательной обработки массива полей. Показано, что применение данного метода позволяет добиться более равномерной плотности осадка препарата на всём массиве полей, а также уменьшить вынос аэрозоля и суммарный расход препарата. Последовательная обработка нескольких полей приводит к более, чем двукратному сокращению расхода по сравнению с обработкой всего массива полей одним проходом аэрозольного генератора.