авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Методы и технологии для оценок экологическогосостояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования

-- [ Страница 2 ] --

Основное содержание работы

Для больших городов и промышленных регионов одной из актуальных задач является прогноз распространения загрязняющих веществ в атмосфере. Кроме того, что автотранспорт и действующие промышленные и горнодобывающие предприятия своими выбросами и отходами производства постоянно оказывают негативное влияние на окружающую среду, возможны и разовые выбросы больших объемов загрязнений вследствие аварий и природных катаклизмов.

Проблемам изучения и оценки негативных изменений природной среды, ведущих к нарушению структуры и функционирования геосистем и/или их отдельных компонентов и вызывающих социальные, экономические и др. последствия, посвящены работы многих российских и зарубежных исследователей. Большой вклад в решение этих проблем внесли отечественные ученые: М.И. Агошков, Т.А. Акимова, Б.И. Кочуров, К.Г. Леви, З.Г. Мирзеханова, М.Е. Певзнер, Н.Ф. Реймерс, Б.Г. Саксин, В.В. Селютин, Ю.Б. Тржцинский, а также забайкальские ученые П.Б. Авдеев, В.Н. Заслоновский, В.П. Мязин, Ю.П. Овешников, Н.М. Шарапов, Д.М. Шестернев и др.

Другая, не менее актуальная задача, – прогноз и оценка возможных экологических последствий техногенного вмешательства в природную среду территории в связи с добычей полезных ископаемых, особенно открытым способом, или возведением на ней крупных промышленных объектов, которые, по сути, являются источниками локальных возмущений в состоянии окружающей среды территории. Появление отвалов горных пород, хвостохранилищ, водохранилищ ГЭС вносит локальные изменения практически во все компоненты геоэкологической среды. Трансформируются ландшафты, гидрологический режим рек и грунтовых вод, почвы, климат, флора и фауна и т.д. Меняется не просто рельеф местности, но и такие характеристики поверхности, как альбедо, шероховатость. Значительно изменяется радиационный баланс. В зимнее время незамерзающая полынья в нижнем бьефе плотины становится дополнительным источником тепла и влаги. С точки зрения математического моделирования, изменения характеристик подстилающей поверхности учитываются на уровне соответствующих изменений входных параметров модели.

Математическим моделированием в задачах экологии в разные годы занимались А.Е. Алоян, В.К. Аргучинцев, А.В. Аргучинцева, А.А. Бакланов, М.Е. Берлянд, Ю.А. Израэль, Г.И. Марчук, А.С. Монин, В.В. Пененко, Е.А. Цветова, А.М. Яглом и др.

В современных научных исследованиях уделяется внимание и взаимосвязи ГИС-технологий с задачами экологического моделирования: исследованиями в этой области занимаются J.K. Berry, M.F. Goodchild, J. Harris, D.R. Maidment, J.H. Novak, R.A. Pielke, А.А. Половянов, Ф.А. Сурков и др. Однако, в русскоязычной научной литературе, к сожалению, сравнительно мало публикаций об интеграции математического моделирования и ГИС, в частности, в задачах гидродинамики атмосферных процессов.

Рассматриваемые в работе технические и техногенные сооружения связаны с природно-техническими системами (ПТС) Забайкальского края (рис. 1) и Нижнего Приангарья. Их описанию посвящена вторая глава диссертации. Методология исследований изложена в третьей главе, а описание проведенных исследований и их результаты представлены в четвертой главе диссертации.

Кроме того, в диссертационной работе освещаются некоторые аспекты использования функциональных возможностей геоинформационных систем и предлагаются технологии усвоения всей доступной информации, в том числе и результатов сценарных расчетов по математическим моделям, для подготовки информационно-аналитических материалов, необходимых для принятия управленческих решений по оценке состояния и прогнозу изменения качества геоэкологической среды.

 Объекты исследования в Забайкальском крае и их территориальная иерархия -0

Рис. 1. Объекты исследования в Забайкальском крае и их территориальная иерархия

Выносимые на защиту научные положения и их обоснование.

  1. Использование разработанного программного комплекса численной реализации вариантов трехмерной мезомасштабной модели гидродинамики атмосферы, включающего специализированные блоки подготовки входной информации о характеристиках рельефа и микроклимата территорий, визуализации и анализа результатов моделирования, позволяет оценивать и прогнозировать изменения качества атмосферы в областях со сложным рельефом.

Основой используемой в работе математической модели служит один из вариантов трехмерных мезомасштабных моделей гидродинамики атмосферы, разработанных ранее в ВЦ СО АН СССР (В.В. Пененко, А.Е. Алоян и др.). Модель была модифицирована для исследования гидрометеорологического режима атмосферы промышленных районов, типичных для условий Восточной Сибири (А.А. Фалейчик, Л.М. Фалейчик). В модели представлены механизмы формирования структуры локальных циркуляций, вызываемых орографическими (сложный горный рельеф) и термическими неоднородностями (температура, влажность и т.п.) подстилающей поверхности. Термическая неоднородность обусловлена разной инсоляцией элементов рельефа, наличием на территории крупных водных объектов (озера, водохранилища, реки), не тающих летом наледей и не замерзающих зимой полыней гидро- и теплоэлектростанций.

Главная часть математической модели представляет собой систему уравнений в частных производных для основных полей метеоэлементов (компонент вектора скорости ветра, потенциальной температуры, удельной влажности и давления), описывающих основные динамические процессы в пограничном слое атмосферы. В качестве начальных условий используются нулевые значения возмущений всех метеоэлементов.

Область интегрирования системы – «прямоугольный параллелепипед» с криволинейной нижней гранью, задаваемой функцией, описывающей рельеф местности. Условия на верхней границе области – затухание возмущений метеоэлементов на достаточно большой высоте. На боковых границах – граничное условие Неймана. Влияние орографических и термических неоднородностей подстилающей поверхности области интегрирования учитывается в краевых условиях на ее нижней границе, получаемых с использованием модели приземного слоя.

Для моделирования распространения загрязнения в атмосфере к основным уравнениям модели добавляется уравнение переноса пассивной примеси и задаются соответствующие начальные и граничные условия.

Для решения системы уравнений данной модели с начальными и краевыми условиями была создана численная модель, реализованная в виде программного комплекса (рис. 2). Алгоритмы численной реализации основаны на использовании конечно-разностных и итерационных методов. Разностные схемы для системы уравнений модели строились на базе интегрального тождества, для его дискретизации по времени использовался метод расщепления по физическим процессам. Дробные шаги и схемы аппроксимации выбирались так, что на каждом временном шаге задача выполнялась в два этапа: этап переноса и турбулентного обмена и этап согласования метеополей.

 Схема программного комплекса для численного моделирования Учет рельефа-1

Рис. 2. Схема программного комплекса для численного моделирования

Учет рельефа осуществляется с помощью метода фиктивных областей. Использование этого метода позволяет достаточно просто менять в модели данные о рельефе подстилающей поверхности, что делает модель почти универсальной для изучения атмосферных процессов в областях со сложным рельефом.

Численное моделирование основано на использовании сценарного подхода. Для каждого времени года в соответствии с климатическими характеристиками исследуемой территории подбором значений конкретного набора параметров модели (стратификация, температура фоновой атмосферы и т.п.) формируются типичные сценарии развития циркуляции атмосферы над исследуемой территорией. Тем самым моделируется суточный ход метеоэлементов (температура, влажность, компоненты скорости ветра) для конкретных суток зимнего, летнего и осеннего/весеннего сезонов, как следствие суточного движения Солнца и неравномерного поступления прямой солнечной радиации на различно ориентированные склоны подстилающей поверхности. Изменяя параметры модели, несложно получить достаточно широкий набор ситуаций, характерных для каждого сезона.

Оценка влияния технических комплексов – источников локальных возмущений – на природную среду (атмосферу, в частности) окружающей территории осуществляется сравнением результатов «параллельных» сценарных расчетов, когда вычислительные эксперименты ведутся по каждому сценарию в двух вариантах: один – с источником возмущений, второй – без источника.

Программный комплекс прошел апробацию на большом количестве тестовых примеров. Адекватность применяемых схем и алгоритмов подтверждены результатами тестовых расчетов. В исследованиях по конкретным объектам на основе имеющихся данных регулярных наблюдений сети метеостанций Гидрометслужбы производится настройка программного комплекса так, чтобы относительная погрешность результатов специальных численных экспериментов по сравнению модельных расчетов с данными наблюдений не превышала 10%.

В диссертации представлены результаты исследований по моделированию загрязнения атмосферы территорий Хилокской и Удоканской ПТС (рис. 1).

Хилокская ПТС объединяет экосистему бассейна р. Хилок и промышленный очаг с центром в г. Петровск-Забайкальский, предприятия которого являются основными источниками выбросов в атмосферу. Основной потенциальный источник загрязнения – металлургический завод с принадлежащей ему ТЭЦ.

Установлено, что достаточно сложная вертикальная структура полей ветра, складывающаяся под влиянием рельефа местности в Хилокско-Беклемишевской впадине, может способствовать накоплению атмосферных загрязнений на расстояниях 20 – 40 км от источника выбросов. Радиус зоны влияния источников загрязняющих выбросов г. Петровск-Забайкальский на его окрестности, где концентрация примесей не менее 20% от максимума, колеблется от 8 – 10 км до 20 – 25 км в зависимости от мощности источника, а также направления и скорости фонового потока.

Анализ результатов модельных расчетов позволяет сделать вывод о возможности дальнего переноса значительных количеств атмосферных примесей, особенно не имеющих собственной скорости осаждения: расчеты показали распространение зон высоких концентраций примесей на высоту более 1000 м (рис. 3). Поэтому крупные источники загрязняющих выбросов в г. Петровск-Забайкальский в период с апреля до октября могут оказывать негативное влияние и на атмосферу бассейна оз. Байкал. С установлением Сибирского антициклона возможности дальнего переноса ограничены.

 Изолинии концентрации «легкой» пыли в 6 ч модельного времениa) – западный-2

Рис. 3. Изолинии концентрации «легкой» пыли в 6 ч модельного времени
a) – западный фоновый ветер со скоростью 5 м/с, b) – фоновая атмосфера неподвижна,
c) – восточный фоновый ветер со скоростью 5 м/с

Другим важным объектом диссертационного исследования является Удоканская ПТС. Была выполнена прогнозная оценка уровня загрязнения воздушного бассейна Чарской котловины – природной подсистемы Удоканской ПТС – объектами проектируемого Удоканского промузла. Кроме преодоления чисто вычислительных трудностей, связанных со сложным горным рельефом, важно было проанализировать проблему размещения источников выбросов.

Результаты численного моделирования подтверждают мнение многих исследователей о существенном влиянии местных факторов на условия распространения загрязнения, демонстрируют возможность образования замкнутых циркуляций в межгорных впадинах, что представляет особую опасность накопления загрязнений при неблагоприятных метеоусловиях (рис. 4). Резкая расчлененность рельефа, вызывающая развитие замкнутых циркуляций атмосферы в понижениях рельефа, приведет не только к значительному повышению концентраций загрязнений в пределах отдельных элементов рельефа, но и к существенному изменению оптических свойств атмосферы, загрязнению подстилающей поверхности. Увеличение ядер конденсации за счет частиц пыли, очевидно, приведет к увеличению мощности и продолжительности туманов. Выпадение частиц пыли на снежный покров изменит альбедо подстилающей поверхности. Важно отметить, что локальный характер этого воздействия может привести к существенному изменению микроклимата не только в районе источника загрязнения.

Рис. 4. Вертикальный разрез полей скорости ветра и концентрации примеси
(изолинии) в 12 ч модельного времени для а) – летнего и b) – зимнего сценариев

Обнаружена высокая чувствительность размеров зон высокого загрязнения атмосферы к месту и высоте расположения источника выбросов. Возможно, для природно-климатических условий данного района следует проработать вариант размещения крупных источников загрязнения как раз в понижениях рельефа хребта Удокан с целью уменьшения зоны их влияния. Экономия средств на строительстве менее высокой трубы, чем обычно предусматривается для обеспечения хороших условий рассеяния, может быть направлена на применение более совершенных средств очистки выбросов.

В процессе работы по упомянутым проектам выявилась особая значимость рельефа местности, как входного параметра модели, во многом предопределяющего характер локальных циркуляций и распределения загрязнения по территории. При этом подготовка данных о рельефе и других параметров, с ним связанных, является наиболее трудозатратным этапом моделирования.

Рельеф местности и другие характеристики подстилающей поверхности исследуемой области задаются числовыми значениями в узлах регулярной прямоугольной расчетной сетки. Для автоматизации процесса построения расчетной сетки и извлечения из цифровых моделей информации о подстилающей поверхности, привязки к ней результатов моделирования с целью последующих визуализации и анализа под руководством и с участием автора создан программный модуль, реализованный в ArcGIS в виде расширения. В качестве исходных данных о рельефе используются находящиеся в свободном доступе данные SRTM (Shuttle radar topographic mission) – Радарной топографической съемки 2000 г. Достаточно простой доступ и удовлетворительное для используемой модели разрешение данных определило выбор их в качестве источника информации о рельефе. Для экспорта данных в подходящий для использования в среде ГИС формат использовался открытый программный продукт GlobalMapper.

Анализ результатов численных экспериментов и оценка размеров зоны влияния природно-технических объектов на микроклимат региона проводится в среде ГИС. Сформированные в специальным образом организованный текстовый файл результаты моделирования экспортируются в ГИС, где осуществляется их пространственная привязка и дальнейшее преобразование в тематические векторные и растровые слои. С использованием методов интерполяции строятся поверхности распределений метеоэлементов для каждого сценария, а также поверхности разностей соответствующих метеополей параллельных сценарных расчетов (рис. 5). Разности полей позволяют локализовать зоны существенного влияния исследуемого объекта, определить их размеры и прояснить причины некоторых особенностей распределения метеоэлементов.

 Выделение зон существенного влияния проектируемого водохранилища-4

 Выделение зон существенного влияния проектируемого водохранилища Мотыгинской-5

Рис. 5. Выделение зон существенного влияния
проектируемого водохранилища Мотыгинской ГЭС

Кроме выявления зон значимых изменений в распределении каждого метеоэлемента в отдельности из созданных ранее поверхностей разностей метеополей строятся различные интегральные показатели, учитывающие деформации нескольких метеополей одновременно. На результирующих поверхностях можно определить зоны, в которых будет наблюдаться существенное изменение метеоэлементов в комплексе.

Так как единицы измерения и масштабы значений у всех метеоэлементов разные, то их необходимо нормировать с использованием одной из существующих метрик: все ячейки каждой из построенных поверхностей получают новые значения, определяемые формулой (разным значениям индекса i соответствуют разные метеоэлементы):

,

где число, отклонения от которого наиболее интересны, а величина разброса значений i-го метеоэлемента. Можно применить нормировку по дисперсиям () и математическим ожиданиям () либо по наилучшим или наихудшим значениям (), а , либо любую другую из существующих. Пересчет растров осуществляется с использованием еще одного созданного в среде ArcGIS инструмента.

Весь процесс математико-геоинформационного моделирования, начиная с этапа получения входной информации о подстилающей поверхности до отображения и анализа результатов, описывается алгоритмом, представленным на схеме 1.

Предложенные методология сценарного анализа, прогноза и оценки экологической безопасности природно-технических сооружений и алгоритм ее реализации прошли апробацию при оценке возможного влияния на микроклимат Нижнего Приангарья водохранилищ проектируемых Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре, проведенных в рамках экологических экспертиз этих проектов (совместно с А.А. Фалейчиком и Э.А. Пьяновой).

Сравнительный анализ результатов моделирования изменений микроклимата в Нижнем Приангарье позволяет сделать вывод о том, что появление на исследуемой территории водохранилища Богучанской ГЭС окажет заметное влияние на формирование локальных циркуляций, зоны которого будут простираться от берегов водоема на расстояния, сравнимые с максимальной шириной самого водного объекта. Для территорий, удаленных от береговой линии на расстояние 10 и более километров, возможные изменения микроклимата можно охарактеризовать как незначительные. Однако в прибрежной зоне влияние водохранилища будет весьма существенным. В зимний период это, прежде всего, касается районов, которые непосредственно примыкают к нижнему бьефу плотины (рис. 6).

 Локализация и размеры зон существенного влияния проектируемого Богучанского-13 Локализация и размеры зон существенного влияния проектируемого Богучанского-14

Рис. 6. Локализация и размеры зон существенного влияния
проектируемого Богучанского водохранилища



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.