Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численное моделирование эволюции неконсервативной примеси в морской среде

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование эволюции неконсервативной примеси в морской среде"

Р Г 5 ОД

3 ,\,5ДГ| ¡УЬ'о На правах рукописи

ЛЕОНЕНКО Оксана Ивановна

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ НЕКОНСЕРВАТИВНОИ ПРИМЕСИ В МОРСКОЙ СРЕДЕ

11.00.08 - океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Государственном океанографическом институте Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Институте геохимии и аналитической химии им В.И.Вернадского Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.П.Кеонджян.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Морозов Е. Г.

кандидат физико-математических наук Борисов Б. В.

Ведущая организация: Дальневосточный региональный

научно-исследовательский гидрометеорологический институт

Г

Зашита состоится <л июня 1996 года в / •-> часов на заседании диссертационного совета К 024.02.01 в Государственном океанографическом институте по адресу: 119838, ГСП, г.Москва, Кропоткинский переулок, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОИНа.

Автореферат разослан " ^ " 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат географических наук

Т.А.Макарова

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ: Мировой океан, занимающий большую часть земной поверхности, являющийся источником жизни на нашей планете, сегодня вызывает тревогу в связи с катастрофическим ухудшением экологического состояния.

Только в отдельных случаях "болезнь" моря является прямым откликом на конкретное, обычно несанкционированное вмешательство человека в естественную жизнь водной среды (например, аварии танкеров). В большинстве случаев симптомы неблагополучия -отдаленные последствия многоступенчатых перестроек экосистемы региона или моря в целом, вызванных рядом природных и антропогенных факторов. Поэтому, важнейшая проблема - постановка диагноза состояния морского региона, первая ступень комплексного анализа, предшествующего принятию природоохранных решений.

Экология Мирового океана как наука на данном этапе развития -это, прежде всего, комплекс фундаментальных дисциплин. Несмотря на то, что во многих из них достигнуты впечатляющие результаты, создание адекватной модели экосистемы отдельно взятого морского региона - все еще вопрос будущего. В то же время угнетенное состояние морской среды, и в первую очередь прибрежных зон морей и районов интенсивного судоходства, вызывает необходимость безотлагательной разработки научно обоснованных рекомендаций и принятия практических мер по оздоровлению экологической обстановки.

Сложившееся противоречие требует, не дожидаясь разработки основ фундаментальной морской экологии, создания новой научной дисциплины - ПРАКТИЧЕСКОЙ ЭКОЛОГИИ морских регионов, использующей, с одной стороны, достижения в фундаментальных разделах океанологии, а с другой, - методы и технологии, позволяющие хотя бы в первом

прибжжении оценивать экологические ситуации и принимать оптимальные природоохранные решения. Необходимый компонентом этого нового направления должна стать информатика - развитые банки исторических и оперативных данных о морской среде, имитационные модели для оценки последствий, вызванных регулярными и аварийными антропогенными нагрузками.

Факторы определяющие поведение антропогенных поллютантов в морской среде, можно разделить на две группы. Одна из них описывает геофизические компоненты ( скорость движения, термику и т.д.), а другая связана с химической эволюцией поллютантов и, как следствие, с эволюцией биогеоценозов. Бурно развивающаяся в последние годы геофизическая гидродинамика резко контрастирует в этом смысле с развитием методов параметризации химических процессов и моделирования химического воздействия на живые организмы.

Моделирование процессов антропогенного воздействия на морскую среду имеет ряд особенностей, связанных с некоторыми специфическими чертами Мирового океана, в частности, с тем, что океан является самоочищающейся системой, обладающей большой инерционностью. Именно эти характерные особенности Мирового океана дают возможность введения интегральных характеристик состояния среды, что существенно упрощает методику математического моделирования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Построение математических моделей. эволюции неконсервативной примеси в морской среды, с учетом основных физических, химических и биологических процессов и в зависимости от измёняющихся внешних условий, для расчета непосредственно в ходе численного эксперимента интегральных экологических характеристик исследуемого морского региона для конкретных классов загрязняющих веществ. ~

РЕАЖЗАЦИЯ ЦЕЛИ КОНКРЕТИЗИРОВАЛАСЬ В ВИДЕ СЛЕДУЮЩИХ ЗАДАЧ:

1.Разработка методики расчета интегральных экологических характеристик морской среда на примере ассимиляционной емкости непосредственно в ходе численного эксперимента.

2.Апробация модельных построений и методики на конкретных регионах (Балтийское море, Бургасский залив Черного моря и других). Выяснение вклада гидродинамических факторов в оценки интегральных экологических характеристик среды.

3.Разработка региональных экологических систем с адаптацией в моделирующей сети необходимых натурных данных для целей прогноза аварийных ситуаций.

4.Построение компьютерной системы для целей экологического обучения с удобным интерфейсом пользователя.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в

- применении для расчета интегральных экологических характеристик морской среды модели эволюции неконсервативной загрязняющей примеси,

- исследовании роли гидродинамических факторов в оценках экологических параметров исследуемых акваторий,

- количественном определении значений ассимиляционной емкости по нефтяным углеводородам для конкретных морских регионов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ: Диссертация выполнена в рамках научно-исследовательских работ ГОИНа и ГЕОХИ РАН, ГНТП "Мировой океан" проект "Системная экология морских регионов".

Раз р аботанная методика и результаты исследований могут быть использованы при решении научных и прикладных океанографических работ, в частности, при прогнозировании распределения загрязнений в морских акваториях, для оптимизации

разиещения станций измерений при проведении экологического мониторинга.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Основные результаты диссертационной работы были изложены на советско-болгарских семинарах, "ПОМОРИЕ -89", "ПОМОРИЕ - 90" (БНР, Бургас-Поморие), на Всесоюзном научном симпозиуме "Океанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений "(Одесса, октябрь 1988 г.), на семинаре "Проблемы дистанционного контроля техногенного загрязнения поверхности океана и морей в интересах экологических исследований" (Сочи, ноябрь 1989 г.).

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертации опубликовано 4 работы.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ: Диссертация объемом 96 страниц состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований, содержит 23 иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность теш, определены цели и задачи исследования, сформулированы основные положения выносимые на защиту, приведен обзор и анализ публикаций по теме.

ГЛАВА ПЕРВАЯ посвящена изложению концепции ассимиляционной емкости и методики ее определения в ходе численного эксперимента.

Г:' Одна из основных интегральных экологических характеристик Мирового океана - ассимиляционная емкость (А.Е.) - есть мера естественного "иммунитета" экосистемы , то есть мера способности экосистемы за счет физических, химических и биологических процессов обеспечить защиту от чужеродного вмешательства. Термин А.Е. был введен в конце 70-ых годов Г.Керном, а в 1986 году на очередном

заседании ГЕЗАМП было официально утверждено определение А.Е., как способности экосистемы без существенных изменение приспосабливаться к некоторому антропогенному воздействию. В дальнейшем, основываясь на результатах комплексных океанологических исследований Ю.А. Израэль и А.В.Цыбань сформулировали целостную концепцию А.Е. Мирового океана.

Для количественного определения А.Е. Ав1 важны два показателя: предельно допустимая (для обеспечения требования нормального функционирования экосистемы ) концентрация (ПДК) данного 1-го вещества ( или суммы веществ) Св10 (определяемая при отсутствии выведения вещества из данного объема) и коэффициент кратности кв1 количества вещества ( в единице объема ), которое может быть переработано данной экосистемой или выведено из единичного объема в результате различных процессов ( за время осреднения, определенное для ПДК).

Тогда:

Кг • (I)

где V - объем рассматриваемой области морской среды, или:

А ,= с + У в„ ■ (2)

ml НЮ ¿11

где Вм - количество 1-го вещества, удаляемого из объема V за некоторый промежуток времени t 1-ым процессом.

Величины входящие в (1),(2) существенно зависят от времени осреднения, а сама ассимиляционная емкость имеет нетривиальный смысл лишь для конечных периодов осреднения т, так как очевидно, что в каждый момент времени:

lim А , = М = С V , lim У В =0, Ни к ,=1

в1 О вЮ LH ni

Понятие экологической предельно допустимой концентрации (ПДК) является основополагащим в практической экологии, однако принципы и методы определения ПДК все еще являются неоднозначными и законодательно не закрепленными. В работе дан обзор современных подходов к определению экологической ПДК.

Прямые расчеты ¿.Б. по формулам (1,2) затруднены так как не всегда возможно оценить парциальный сток массы вещества из контрольного объема за счет каждого процесса транспортировки и трансформации загрязняющего вещества (З.В.).

Другим подходом, предложенным В.П.Кеонджяном, к количественному определению значимых экологических характеристик может стать построение математических моделей, позволяющих рассчитывать их (в частности, А.Е.) непосредственно в ходе численного эксперимента, с использованием минимума достоверной (экспертной ) информации об исследуемой системе. Исходя из определений (1,2) такая математическая модель должна описывать эволюцию ЗВ с учетом физических, химических и гидробиологических процессов, происходящих в экосистеме и учитывать все поступления З.В. извне.

В работе приведены основные уравнения термогидродинамики многокомпонентной морской среды, лежащие в основе такой модели -уравнения: движения, неразрывности, теплопроводности, диффузии.

■ Диффузионное уравнение в канонической океанографической литературе используются для расчета адвекции течениями консервативной примеси ( без учета ее превращений и термодинамического взаимодействия с основной средой). Традиционное в этом случае пренебрежение в правой части функцией источника массы для геохимических и экологических приложений не оправдано.

Проинтегрировав диффузионное уравнение для 1-го компонента по всему рассматриваемому бассейну и получим балансовое соотношение:

О,» (3)

где Р1 = / р1 <1ш , 0! = Г Ч, ¿м - интегральная мощность источников и стоков ЗВ за счет эффектов, параметризованных в модели, соответственно, М1 - скорость накопления примеси в бассейне. Если источники массы стационарны 0, возможен выход

системы на квазистационарный (установившийся) режим. При этом масса примеси в исследуемой области не будет меняться со временем (М = 0) На рис.1 показаны временные зависимости массы и потока массы примеси в терминах средней концентрации для модельного бассейна объемом и. Содержание ЗВ в среде достигает насыщения при 1;=1; ; при этом масса "усвоенного" ЗВ М^) = с,п» (С! - средняя концентрация ЗВ при г=го ). Разница между ординатами кривых I и 2 при г=1;0 ( кривая 2 - масса ЗВ, поступающего в водоем) есть количество ЗВ выведенное из среды за счет эффектов "самоочищения". В терминах потока массы ЗВ ( переменные Р1 и М, на рис. I.) полная масса ЗВ поступившего в море, есть площадь прямоугольника Р1 = 0; Ри; и 1;=0 ; ^ , а масса "усвоенного" средой вещества - площадь области под кривой ¡1,0). Масштаб времени 1;0 представляется естественным для выбора периода осреднения т, фигурирующего в определении ассимиляционной емкости Ав1 (1),(2). Таким образом, численная процедура нахождения А.Е. сводится к нахождению величины стационарного источника загрязнителя Р°, обеспечивающего достижение установившейся средней концентрации С предельно допустимого значения С0.

ГЛАВА ВТОРАЯ работы посвящена конкретным реализациям модельного

м/у Р

о юо гоо зоо < "о иво 6со 700 гсут

Рисунок 1. Временные зависимости массы и потока примеси, в терминах средней

концентрации для Балтийского моря. 1 - без учета гидродинамики. 2 - с учетом гидродинамики. 5 ■ количество примеси

вносимой в море.

подхода к оценкам интегральных экологических характеристик среды, в частности А.Е., на примере Балтийского моря и Бургасского залива Черного моря по нефтяным углеводородам.

(2.1) Постановка задачи.

При построении модели использовались следующие допущения:

1) В предположении, что концентрация примеси мала можно положить р = р (I—С) + рС * р (I—С) = р0, где р0 - средняя плотность морской воды в бассейне , и тем самым пренебречь влиянием примеси на циркуляцию, т.е. разделить полную задачу об эволюции антропогенной неконсервативной примеси на две независимые.

Ссылки на используемые в каждом конкретном случае модели циркуляции приведены в работе, основным принципом, заложенным в выбор динамических моделей, является необходимость для оценки интегральных характеристик морской экосистемы выделения наиболее значимых гидрологических процессов на временных интервалах, сравнимых с характерными временами осреднения для исследуемых экологических процессов.

2) В первом приближении весь комплекс загрязнителя описывается как единая субстанция с концентрацией С, т.е. рассматривается бинарная среда вода + З.В. Поэтому двумерная задача об эволюции пассивной, неконсервативной примеси представима в виде одного уравнения для концентрации:

££ + и — + V --= Б А С +■ а/р_ + Р/р„ (4)

<П ах ау 0

где С(х,у) - концентрация примеси, Б - коэффициент турбулентной диффузии, Р - скорость поступления примеси в бассейн, ч - скорость удаления примеси из бассейна, р0-средняя плотность морской вода, и,у - осредненные по вертикали горизонтальные скорости ветровых

течений по осям х,у, соответственно ( получаемые независимым образом из соответствующих динамических моделей или, там где это возможно, непосредственно из наблюдений).

Обсуждению параметризации скорости удаления примеси из бассейна уделяется в работе особое внимание.

В общем виде я с учетом того, что основными процессами вывода вещества из бассейна являются деструкция его по различным каналам, осаждение и испарение, представимо в виде отрицательной суммы величин q скоростей этих процессов.

Если методы параметризации гидродинамической задачи достаточно хорошо изучены, то относительно параметризации q существуют значительные разночтения. Это связано с тем, что экологическая химия довольно новая наука. Впервые вопрос о необходимости учета и изучения химической трансформации веществ в природных водах был поставлен Н.Н.Семеновым четверть века назад. Кинетике гидросферных экохимических процессов предстоит период развития, включающий накопление экспериментальных данных о константах скоростей и о механизмах природных процессов. В связи с выше описанными сложностями для параметризации экохимических процессов приходится использовать иногда скудные эмпирические данные и верифицировать их, опираясь на экспертные оценки для каждого исследуемого региона. Необходимо отметить также, что любое З.В. представляет собой крайне сложную химическую структуру, а для целей экологического моделирования и мониторинга природной среды часто необходимы обобщенные кинетические характеристики, например, для всего комплекса нефтяных углеводородов в целом. Такая постановка задачи для классической химии, конечно же не вполне корректна, однако использование экспертных оценок такого рода на сегодняшний день

практически единственно возможный путь наполнения моделей информацией.

Для проведения модельных исследований нами была избрана нефть -один из приорететных загрязнителей морской среда.

Эксперименты, проводившиеся в ГОИНЕ под руководством А.И. Симонова, по исследованию окисления нефтеных углеводородов (Н.У.) в морской среде позволили сделать вывод о том, что в основном процесс деструкции протекает по закону мономолекулярной реакции первого порядка, а процессы осаждения и испарения, в первом приближении, описываются линейными функциями.

Следовательно скорость удаления примеси из бассейна (<\) может быть параметризуема следующим образом:

Ч = ^ С роехр {-XX) - С роР , (5)

где X - параметр, определяющий зависимость скорости деструкции от температуры (или других свойств среды, влияющих на нее), р -параметр, характеризующий испарение примеси и удаление ее за счет осаждения.

3)Строго говоря, уравнение (4) описывает суперпозицию двух

различных физических процессов, один из которых - процесс переноса

субстанции с ее сохранением вдоль траектории - сводится к задаче:

£С +ц £С+ 7£С=0> (6)

ах эх а у

Второй физический процесс связан с диффузией и поглощением субстанции в процессе распространения и описывается уравнением:

=DДC+q/p0+P/p0 (7)

аХ

Указанные процессы являются двумя предельными переходами задачи (4) при X - 0. На основе предположения об

адцитивности этих процессов можно решать задачу (4) методом разделения по физическим процессам. Этот метод дает приближенное решение в локальных точках, однако, при построении моделей для поиска интегральных характеристик среды данное допущение оправдано.

4)Численная реализация модели построена на использовании явной разностной схемы -"второй схемы с разностями против потока" по пространству - обладающей необходимыми свойствами консервативности и транспортивности.

По времени применена центральноразностная схема, с использованием для "разгона" (на первом временном шаге) схемы Эйлера. Так как при применении центральноразностной схемы по времени в решении возникает паразитная вычислительная мода, то для ее устранения через некоторое количество шагов вычисления проводится процедура сглаживания.

Программа разработана на языке ФОРТРАН.

5) Граничные условия:

5.1. Для замкнутого бассейна: аС

=0

ап С

5.2. На жидкой границе:

ас ас п ап

= О

б

(8)

(9)

(2.2) Моделирование распространения нефтяных углеводородов в

Балтийском море. Для расчета течений в Балтийском море использовалась модель баротропной циркуляции ( А.А.Берестов,С.А.Ефремов), основанная на уравнениях "мелкой воды". Использование этой модели в первом

лвсмп

СТПЛУЯ V.» Г"..>' О.С. иске... и.сооо мин.-* 0.0000

«.еть.рг/А. о.г..',л';. [О пд<.

61. 00

54.00

12.00 СЛОЙ 0-2 И

ДЧ'ГР 223 .1980 - 33.!;М380

23.00

Рисунок 2 Натурные данные по загрязнению нефтяными углеводородами Центральной части Балтийского моря.

УЬвТЪ,!»-/*.

61.00

54.00

12.00

СЛОЙ

23.00

Рисунок 5. Результат модельного эксперимента по загрязнению нефтяными углеводородами центральной части Балтийского моря.

приближении оправдано тем, что средняя глубина Балтийского моря невелика.

В рамках описанной вше постановки задачи проведен ряд экпериментов по моделированию эволюции Н.У. и расчету ассимиляционной емкости.

Время интегрирования определялось из балансового соотношения (3). Для Балтийского моря время интегрирования задачи составило приблизительно два года. За расчетные параметры принимались среднегодовые значения физических характеристик для Балтийского моря.

Для определения роли гидродинамики в оценки интегральных экологических характеристик для Балтийского моря был проведен численный эксперимент результаты, которого представлены на рис.1.

Кривая зависимости от времени массы Н.У. "усвоенной" средой в случае учета циркуляции (кривая 2 рис.1) расположена заметно выше кривой, соответствующей эксперименту в отсутствии течений (кривая I рис.1), так что установившаяся средняя концентрация в случае учета циркуляции выше примерно на 15% .Это объясняется интенсивным выносом примеси течениями в высокие широты с относительно низкой среднегодовой температурой, а следовательно, более низкими значениями константы скорости деструкции. Этот результат наглядно подтверждает тот факт, что учет циркуляции важен не только для локальных, но и для интегральных оценок загрязненности бассейна.

Проведено сопоставление полученных численно результатов (рис.3) с осредненным за год распределением НУ по данным массива исторических батометрических наблюдений в центральной части моря (рис.2). Прослеживаются основные характерные особенности пространственной картины загрязненности Балтийского моря:

существование областей повышенных значений концентрации в районе острова Готланд ( застойная зона) и в прибрежных зонах (зоны поступления ЗВ), эти же области максимального содержания Н.У. приведены и в литературе. Качество полученных численно результатов представляется вполне удовлетворительным.

(2.3) Моделирование распространения нефтяных углеводородов в

Бургасском заливе Черного моря. Рассчитанные по конкретным синоптическим ситуациям поля течений послужили входной информацией для моделирования распространения З.В. в Бургасском заливе (расчет проводился О.И.Зильберштейном с использованием нелинейной гидродинамической модели основанной на теории "мелкой воды", с граничными условиями "на характеристиках").

Время численного интегрирование задачи определялось из условия выхода решения на квазистационарный режим (25 - 30 модельных дней).

Рассчитана ассимиляционная емкость водной среды Бургасского залива по нефтяным углеводородам, с учетом массопереноса, турбулентной диффузии, деструкции по закону мономолекулярной реакции I порядка, линейного осаждения и испарения -А = 5 т/сутки. Вычисленное значение согласуется с оценками полученными Ю.И.Скурлатовым, Е.В.Штамм:

1) А.Е. Бургасского залива по НУ с учетом только радикального окисления (А1),

2) А.Е. Бургасского залива с учетом радикальных, пероксидазных и каталитических процессов самоочищения (Аш).

Показано, что А1 = 700 кг/сзгтки для нефти ( ПДК=0,05 мг/л), при этом указано, что вклад других факторов - испарения, осаждения, прямого фотолиза, биодеградации - может увеличить значение А.Е. в

27030'

27"3й'

Моде льнов время : 29 23:43 Тип загрязнения : Нефтяные углеводорода 2.ВВВ 1Й.В88 1В8.В6В

1.ВЭ8 5.888 28.688 _SCRHfl8Bl.PCX_

Рисунок 4. Пространственная картина загрязнения НУ Бургасского залива Черного моря по результатам численного

моделирования.

несколько раз. Оценка Ае дала 50 т/сут. для общего количества окисляемых растворенных ЗВ, не обладающих высокой летучестью и характеризующихся низкой способностью к сорбции взвешенными частицами и низкой эффективностью биологического очищения. Величина Ащ является оценкой максимально допустимого сброса совокупности всех трудноокисляемых ЗВ. Сравнение значения полученного в численном эксперименте А с А1 подтверждает, что радикальное окисление нефтепродуктов дает существенный вклад в АЕ залива, однако возможно не является основным каналом трансформации этого вида ЗВ.

Средняя концентрация НУ в поверхностном слое -0,02 мг/л (0,4 ПДК), получена в численном эксперименте с учетом только непрерывного берегового сброса ЗВ с суммарным содержанием НУ 2,6 т/сутки ( данные были предоставлены Технологическим центром морских ресурсов г. БУРГАС). Количественное несоответствие полученных результатов натурным данным дало основание предположить, что существуют источники поступления НУ, не учтенные в модели, нодающие ощутимый вклад в загрязнения залива. Этими источниками являются источники, связанные с работой порта Бургас. Утечки в порту 9 т/сутки, сливы с судов 1,5 т/сутки . Рассчитанная в этом случае средняя концентрация 0,19 мг/л или примерно 4 ПДК хорошо согласуется с данными, предоставленными Министерством экологии НРБ (1989г) по загрязнению залива Н.У. Максимальное значение -II мг/л -локализовано юго-восточней г.Бургас (рис 4).

Выполненный в численных экспериментах сценарный анализ позволяет районировать залив по степени риска нефтяного загрязнения от внутренних источников. В целом по заливу замкнутый характер водных течений создает условия для накопления и повышения

концентрации ЗВ. А наличие небольших замкнутых круговоротов в бухтах южного побережья залива ( где существуют источники сбросов) способствует аккумуляции ЗВ, поэтому эти районы наиболее опасны в экологическом отношении.

Опыт работ в Бургасском заливе в 1990 году показал, что традиционный отбор проб в 35 точках залива требует очень больших временных затрат - хронометраж сбора поверхностных проб воды минимум 15 часов, анализ проб - 20 часов. Т.о., время экспертной оценки состояния акватории 2 суток. Из проведенного анализа следует, что для экспресс-диагностики загрязнения залива достаточно проведения оперативных наблюдений в 4-5 точках, находящихся в зонах максимального экологического риска. Это на порядок позволит снизить материальные и временные затраты на диагностику состояния вод, и даст возможность обеспечить оперативный экологический контроль за акваторией.

Следующая серия модельных экспериментов была направлена на изучение загрязнения залива фенолами, как следствие нефтяного загрязнения ( вторичное загрязнение).

Фенол и его производные - один из наиболее распространенных компонентов природных вод. Наличие фенолов связано с процессами, происходящими в природе, а также с антропогенными воздействиями на окружающую среду. Многие производные фенола обладают выраженной токсичностью, и Министерством здравоохранения установлена величина ПДК суммы фенолов в водах, используемых для культурно-бытовых нужд на уровне 0,001 мг/л. Величина суммы фенолов в Бургасском заливе колеблется от 0,02-0,08 мг/л.

В модель заложены следующие (дополнительные) наблюдения и соображения:

1) Нефтепродукты, представляют собой сложный комплекс веществ, в том числе и с ароматической структурой, в процессе распада которых и образуются фенолы, увеличивая тем самым степень загрязненности фенолами. Относительное содержание ароматических углеводородов сильно зависит от сорта нефти. В модели предполагается, что 20Х нефти, подвергшейся деструкции, разложилось до фенолов.

2) В литературе имеется очень немного сведений о параметризации уравнений формальной кинетики для оценки биохимического окисления фенолов. Наиболее полно процессы самоочищения морских вод от фенолов экпериментально были изучены под руководством А.И.Симонова, и было получено, что описание распада фенолов реакцией псевдопервого порядка вполне оправдано.

3) Присутствие фенолов оказывает ингибирующее влияние на процесс разрушение нефти «однако при средних концентрациях фенолов ( 0,054 мг/л ) наблюдающихся в заливе зтим влиянием можно пренебречь ( т.е. в модели не учитывается обратное влияние фенолов на эволюцию нефтяного загрязнения).

Результаты проведенных численных экспериментов показали, что наиболее загрязненными местами акватории Бургасского залива являются районы прилегающие к порту. При сопоставлении расчетных данных с натурными,полученными в рейсе 15-А НИС "Академик Борис Петров" (1990 год), получена хорошая согласованность модельных величин, с измеренными по суммарному содержанию фенолов, в центральной и северной частях залива.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ посвящена описанию модели распространения и усвоения антропогенных поллютантов, как составного модуля моделирующей сети автоматизированной системы "Региональный

экологический мониторинг морской среды".

Работа с системой производится в графическом диалоговом режиме посредством предоставления пользователю на каждом уровне диалога некоторого набора функциональных меню. Все уровни диалога, а также результаты экспресс-анализа или математического моделирования выводятся на экран дисплея на фоне реальной картины рассматриваемого района моря ( в случае необходимости выводится также рельеф дна).

Система независима от используемых в ней сформированных определенным образом файлов береговой линии и рельефа.

Разработаны и действуют региональные системы по Черному морю в целом, Таганрогскому заливу Азовского моря, Бургасскому заливу Черного моря, Керченскому проливу.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы:

1. Разработана методика определения ассимиляционной емкости в ходе численного эксперимента по математической модели, основанной на уравнениях термогидродинамики многокомпонентной морской среды, и проиллюстрирована на ряде простых реализаций для конкретных водных бассейнов и условного загрязняющего вещества, которое по некоторым экспериментальным оценкам может быть интерпретировано как нефтяные углеводороды в целом.

2. Рассчитана ассимиляционная емкость водной среды Бургасского залива Черного моря - 5 тонн в сутки - по нефтяным углеводородам с учетом массопереноса, турбулентной диффузии, деструкции по закону мономолекулярной реакции I порядка, линейного осаждения и испарения. Полученное значение согласуется с оценками

данными другими авторами.

Подученные в результате численного анализа значения средней концентрации нефтяных углеводородов 0,19 мг/л в поверхностном слое хорошо согласуются с данными, предоставленными Министерством экологии Болгарии 1989 год..

Проведены расчеты по фенольному загрязнению залива, как вторичному нефтяному загрязнению.

3. При исследовании роли гидродинамических факторов в ходе численных экспериментов было получено, что учет гидродинамики в системе эволюции антропогенных поллютантов дает до 50 процентов вклада в оценку интегральных экологических характеристик. И если для акваторий с открытыми (жидкими) границами этот результат достаточно очевиден, то для замкнутых бассейнов нетривиален. Конкрето для Балтийского моря в целом было получено, что при учете циркуляции установившаяся средняя концентрация загрязняющего вещества по акватории увеличивается на 15 процентов.

4.Построенная модель программно реализована в виде модуля моделирующей сети, разработанной в лаборатории геоинформатики Института геохимии и аналитической химии РАН, автоматизированной системы "Региональный экологический мониторинг морской среды". Модуль оформлен в интерактивном режиме, общение пользователя с системой происходит в форме диалога на естественном языке, с усвоением необходимой натурной информации (температуры, фонового уровня загрязнения и др.) и вычисленной средствами данной системы морской циркуляции. Система легко адаптируется к конкретным географическим регионам. В настоящее время имеется возможность работы по Черному морю в целом, Керченскому и Бургасскому заливам Черного моря, Таганрогскому заливу Азовского моря.

Систеыа в целом успешно использовалась для планирования и реализации экспедиционных работ в Бургасском заливе Черного моря (I989-1990 гг) и в Таганрогском заливе Азовского моря (1991 г.).

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕТРАЦИИ:

I. С.А.Ефремов, В.П.Кеоццжян, О.И.Леоненко. Экологический мониторинг как задача численного моделирования.- В книге: Океанографические аспекты охраны морей и океанов от химических загрязнений. Материалы Всесоюзного научного симпозиума. Одесса, 3-6 октября 1988 г. - М.: Гидрометеоиздат, 1990, сс.57-63.

2.О.И.Леоненко. Моделирование распространения нефтяных углеводородов в Бургасском заливе.- В книге: Практическая экология морских регионов. Черное море. Под редакцией В.П.Кеондхяна, A.M. Кудина, Ю.В.Терехина. -Киев: Наукова думка, 1990, сс.133-136.

3.О.И.Леоненко, О.И.Зильберштейн. Моделирование распространения нефтяных углеводородов в Бургасском заливе Черного моря. -Труды ГОИНА , ВЫП.197, 1991, сс.149-155.

4.В.П.Кеонджян, М.И.Кабанов, С.А.Лебедев, О.И.Леоненко, Б.С.Шмельков. Структура и возможности автоматизированной системы Региональный экологический мониторинг морской среды. "Геохимия",1993, Т. 5, сс.760-767.