Некоторые динамические модели в экологии

Целью настоящей работы является исследование динамических процессов, происходящих в экосистемах при выбросах в атмосферу и водное пространство различных аэрозольных субстанций промышленными предприятиями, автомагистралями, другими источниками загрязнения окружающей среды, и решение некоторых связанных с этим задач практического характера, включая разработку численных алгоритмов, позволяющих выполнять оперативный счет и удобное, графическое представление результатов.

Проблема загрязнения окружающей среды является одной из наиболее остро стоящих в настоящее время перед человечеством экологических проблем. Она неизбежно связана с промышленным развитием современной цивилизации и, как показывает анализ, негативные тенденции в экологии, сопутствующие этому процессу, в ближайшие годы будут сохраняться и возрастать, увеличивая вероятность возникновения, связанных с этим экстремальных ситуаций.

Для правильной оценки критической ситуации и выработки эффективных и экономически приемлемых решений, направленных на полную ликвидацию или снижение отрицательных последствий, важно оперативно получить объективную целостную картину происходящего, достаточно полную и обозримую.

При решении подобных задач может принести ощутимую пользу инструмент математического моделирования соответствующих экологических процессов и использование средств современной вычислительной техники.

Поэтому исследованиям, связанным с математическим моделированием в области охраны окружающей среды и, в частности, вопросам моделирования таких процессов, как распространение загрязняющих веществ в атмосфере и водной среде, в настоящее время уделяется особое внимание, как в нашей стране, так и за рубежом.

В США, Японии, многих европейских странах математические модели широко используются для оценки выбросов загрязняющих веществ в атмосферу вместе с отработанными газами автомобилей. Модели загрязнения воздушного бассейна используются в качестве инструмента исследования атмосферных процессов, влияющих на загрязненность приземного слоя атмосферы [35, 36, 37, 38].

При этом для многих практически используемых моделей характерны значительные упрощения при описании происходящих процессов и выполнении соответствующих расчетов. Это связано с тем, что точное решение уравнений, описывающих распространение загрязняющих веществ, -сложная и трудоемкая задача. Поэтому многие модели используют приближенные решения. Известны компьютерные реализации таких моделей распространения загрязняющих веществ, используемые в Японии и США: РТМАХ, PTDIS, РТМТР, CRSTER, PAL, RAMR, APRAC, CDM, HYWAY, CDMQC, RAM, VALLEY и др.

Первые шесть позволяют моделировать выбросы точечных источников на открытой местности с плоским рельефом. В них использованы параметры рассеивания примесей, рассчитанные по уравнению Пасквилла-Джиффорда. Другая группа моделей, в которую входят CDM,.

CDMQC, APRAC, RAM, может быть использована для расчета выбросов в городских районах.

Модель HIWAY применяют для моделирования автомагистралей (в мелкомасштабной постановке), PAL — при расчете концентрации загрязнителя вблизи аэродромов.

Значительное количество математических моделей процессов распространения загрязняющих веществ применяется при исследовании влияния на загрязнение прилегающих тер-риторииторий шлейфов промышленных выбросов от ТЭС и других крупных источников в городах и промышленных центрах [36].

Анализ практически используемых в настоящее время компьютерных реализаций моделей процессов загрязнения окружающей среды показывает, что несмотря на их количество, область применения имеющихся разработок существенно ограничена в связи со сложностью и масштабностью описываемых явлений и рядом объективно возникающих при этом трудностей, что подтверждает необходимость проведения дальнейших исследований.

Значительный вклад в развитие этих исследований внесли такие ученые, как Берлянд МЕ., Вызова НЛ, Ворович ИИ, Горстко АБ., Домбровский ЮА, Дымников ВН., Марчук ГЛ., Обухов AJVL, Орленко JI. P, Семенчин ЕА, Сурков ФА и другие.

В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных математическому моделированию явлений, связанных с загрязнением атмосферы и воды за счет диффузионного распространения загрязняющих веществ [7, 8, 9, 10, 12, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 27, 28, 30, 31, 32, 33].

Эти работы 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.

В то же время модели, связанные с возможностью блокирования или резкого уменьшения распространения загрязнителей, их фильтрации или поглощения практически не рассматриваются. Особенно такие модели актуальны для целей оздоровления экологической обстановки в промышленных местностях, когда в наличии имеются как источники загрязнения среды, так и зоны осаждения или поглощения загрязняющих веществ.

Другой проблемой, возникающей на практике, является то, что многие используемые при 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 [17], 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, достаточно точного описания локального состояния окружающей среды этим методом получить не удается.

Практически не изученным до настоящего времени остается вопрос о характере распространения примесей в многослойной стратифицированной атмосфере, что может наблюдаться в реальности, как это было, например, в Чернобыле.

Экстремальные ситуации, связанные с техногенными и экологическими катастрофами остро ставят еще одну важную задачу — проблему оперативного мониторинга и прогнозирования негативных последствий вредных выбросов, определения направления их распространения, характера и уровня загрязнения прилежащих территорий, когда временной интервал между событием и принятием правильного решения ограничен.

В настоящее время имеются технические средства (лазерные измерители скорости ветра (Рис. 34 Приложения)), позволяющие оперативно определять локально над интересующим объектом поле 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 оперативно решать сформулированную выше задачу средствами современной вычислительной техники.

Подобные модели можно также использовать для оценки распространения выбросов в водной среде.

Тема диссертации связана с рассмотрением этих недостаточно изученных до настоящего времени вопросов.

Основные результаты работы докладывались на научных семинарах Кубанского филиала НИИ механики и прикладной математики РГУ при КубГУ, на международной конференции «Актуальные вопросы экологии Азово-Черноморского региона и Средиземноморья (СимферопольЯлта, 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.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ [1, 2, 3, 4, 5, 34]. При этом В. А. Бабешко принадлежат постановка задач, главные идеи их решения, а Гладским И. Б. выведены формулы и разработаны численные алгоритмы.

Автор выражает признательность к.ф.-м.н. Сыромятни-кову П.В. за тестирование численных алгоритмов по разделу 8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе были исследованы отдельные динамические модели процессов распространения консервативных и неконсервативных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу источниками различных типов и получено решение ряда практических задач, связанных с этими процессами.

В ходе выполнения исследований были разработаны численные алгоритмы, позволяющие выполнять оперативный счет и удобное, графическое представление результатов, некоторые из которых приведены в приложении.

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 [17].

При этом были получены следующие результаты.

1. Рассмотрена задача оперативного расчета распространения 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.

2. В этой постановке решена крупномасштабная задача моделирования распространения загрязняющих веществ вблизи автомагистралей.

3. Выполнены исследования, позволяющие решать задачу о выбросах с учетом возможности их оптимальной нейтрализации.

4. Получены новые асимптотические формулы для оценки уровня загрязнения больших по площади территорий вследствие выбросов группы сосредоточенных источников.

5. Исследован случай задачи распространения загрязняющих веществ в стратифицированных средах.

6. Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов и проведен ряд модельных численных экспериментов.

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 «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997;2000 г.», ФЦП «ИНТЕГРАЦИЯ» .