Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование процессораспространения атмосферных примесей в условиях леса

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование процессораспространения атмосферных примесей в условиях леса"

САНКТ-ПЕГЕРБУРГСЖИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

& 0R

. ,, ДО В98

' На правах рукописи

УДК 630*111:53

КОЛЕСНИКОВ Евгений Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ В УСЛОВИЯХ ЛЕСА

Специальность 04.00.23 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности» Марийского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор ИВЛЕВ Л.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор САМОХВАЛОВ И.В.

кандидат физико-математических наук, ст. науч. сотр. КИСЕЛЕВ В.Б.

Ведущая организация: Институт оптического мониторинга

СО РАН (Томск).

Защита состоится «о^ » 1998 г. в «1С» час. на

заседании диссертационного^Сов^Ь. Д 063.57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук 'Х^-уД^ ЗАЙЦЕВА С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена изучению закономерностей формирования зоны загрязнения вокруг промышленного узла на территории, покрытой лесом.

Актуальность темы. Одна из множества экологических проблем - исследование процессов распространения атмосферных примесей, которое происходит вследствие адвекции, седиментации и турбулентной диффузии. Последний процесс к настоящему времени изучен в наименьшей степени, особенно для случаев, когда воздушный поток перемещается над негладкой подстилающей поверхностью (лес, городская застройка и др). Для условий России такая ситуация достаточно типична. Между тем преобладающая часть теоретических работ в области турбулентной диффузии посвящена более простой ситуации - переносу примеси над гладкой поверхностью.

В последние годы в связи с разработкой проблемы экологического нормирования возникла особенная потребность получать точные прогнозы уровней загрязнения атмосферного воздуха, почвы и растительности в зоне влияния промышленных узлов. Известно, что между концентрациями примеси в воздухе, почве и фитоэлементах существует надежная корреляция.

Химическое загрязнение - важнейшая составляющая антропогенного воздействия на экосистемы. Специальными исследованиями установлено, что основной путь поступления ксенобиотиков в растительность - аэральный. Следовательно, обоснование предельных экологических нагрузок на природные комплексы с учетом их особенностей (биоразнообразия, региона расположения, экологической емкости биогеоценозов и др) требует задания уровней загрязнения атмосферы, в том числе -внутри слоя растительности.

Понимание механизма турбулентной диффузии в слое развитой шероховатости важно, в частности, и для решения чисто прагматической задачи - оптимизации способов обработки сельскохозяйственных посевов ядохимикатами.

Из сказанного вытекает актуальность темы проведенного исследования.

Целью исследования являлось изучение особенностей распространения атмосферных примесей над территорией, покрытой лесом.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать теоретическую схему и получить на ее основе расчетом прогнозные уровни содержания примеси для двух случаев ее распространения:

а) над областью с гладкой границей;

б) над лесным районом.

2. Провести в зоне влияния промышленного узла, занятой лесом, комплексный полевой эксперимент для получения полей концентрации техногенных химических элементов в трех депонирующих средах - грунте, почвенной подстилке и снежном покрове, а также - закономерностей изменения спектра размеров лесных аэрозолей по мере удаления от промышленной агломерации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены следующие методы:

а) изучение и критический анализ опубликованных результатов теоретических и экспериментальных исследований по данной проблеме;

б) математическое моделирование переноса аэрозольной примеси в атмосфере в условиях гладкой подстилающей поверхности и над слоем развитой шероховатости.

в) рентгено-флуоресцентный анализ проб снега, грунта, почвенного покрова и растительных элементов, отобранных в приволжской зоне республики Марий Эл; дисперсионный анализ аэрозольных проб;

Научная новизна. По мнению автора, к новым результатам, полученным в ходе диссертационного исследования, можно отнести:

1. В теоретической части:

1.1. Создание и численная реализация на ПЭВМ параметрической математической модели, описывающей перенос в атмосфере тяжелой аэрозольной примеси в пределах приземного подслоя с переменной нижней границей.

1.2. Вычисление компонентов тензора коэффициентов турбулентной диффузии с использованием эмпирических соотноше-

ний между удельной энергией турбулентности и дисперсиями составляющих скорости ветра для наиболее типичных условий в пределах приземного подслоя атмосферы.

1.3. Получение в аналитическом виде вертикального хода коэффициента турбулентной диффузии в слое леса на основе задания в виде гладкой функции вертикального профиля удельной поверхности фитоэлементов.

1.4. Задание стока примеси на обе стороны фитоэлементов с учетом потока, пропорционального дисперсии вертикальной компоненты скорости ветра.

1.5. Формулировка граничного условия по х на основе соотношения Ричардсона для начального участка диффузии и численных оценок.

1.6. Краевое условие по г снизу сформулировано в соответствии с эмпирической закономерностью для скорости сухого осаждения в нижней части приземного подслоя.

2. В экспериментальной части.

2.1. Интерпретация зоны загрязнения, формируемой промышленным узлом «Чебоксары-Новочебоксарск» в виде полей, имеющих«тонкую» кольцевую структуру по большинству исследованных техногенных элементов.

2.2. Выявление некоторых закономерностей в эволюции спектра размеров лесных аэрозолей по мере удаления от промышленного узла.

2.3. Обнаружение мощного максимума содержания ряда техногенных металлов СП, Мп, Ие, №) только в листве на уровне 3 м от поверхности земли в первой точке пробоотбора, который по мере удаления от промышленного узла несколько сглаживается.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель позволяет получать прогноз уровней загрязнения атмосферного воздуха внутри слоя леса для различных источников. На ее основе возможна оценка необходимой ширины лесозащитных полос, а также расчет их оптимального размещения для любых конкретных условий.

Апробация. Основные результаты работы докладывались в виде устных и стендовых докладов на следующих российс-ких и международных конференциях: Российская аэрозольная конференции (Москва, 1993 г), III международный аэрозольный

симпозиум (Москва, 1996 г), международная конференция «Естес-твенные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург,

1997 г), международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 17-19 июня 1998 г), IV международный аэрозольный симпозиум (Санкт-Петербург, 6-8 июля

1998 г).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 8 работ.

На защиту выносятся:

1. Параметрическая математическая модель, описывающая перенос тяжелой аэрозольной примеси в атмосфере над областью, покрытой лесом.

2. Способ задания вертикального хода компонентов тензора коэффициентов турбулентной диффузии в области с гладкой границей и в слое леса.

3. Математическая формализация потока осаждения аэрозольной примеси на фитоэлементы леса.

4. Способ задания краевых условий в математической модели, описывающей распространение аэрозольной примеси над областью с переменной нижней границей.

5. Метод описания техногенной зоны загрязнения, создаваемой промышленным узлом в грунте, снежном и почвенном покрове в виде полей, обладающих «тонкой» кольцевой структурой.

Рукопись диссертационной работы состоит введения, трех глав, заключения и приложений, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка, 16 таблиц. Библиографический список состоит из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи работы, основные положения, выносимые на публичную защиту, кратко изложено содержание работы.

В первой главе содержится анализ основных подходов и современного состояния проблемы турбулентности, турбулентной диффузии, турбулентного режима лесной атмосферы, вопросов

трансформации примесей и их взаимодействия с атмосферными осадками и элементами шероховатости. Рассмотрены также результаты полевых экспериментов по изучению зон загрязнения, создаваемых промышленными предприятиями.

Современные подходы в изучении турбулентности базируются на ряде важнейших идей:

а) предложенном Рейнольдсом разделении осредненной и пульсационной компонент термодинамических параметров потока;

б) идеи Ричардсона о представлении турбулентного потока как совокупности хаотично перемещающихся дискретных «вихрей»;

в) введении масштабов и конструировании универсальных функций теории подобия;

г) методах статистического описания турбулизованной среды и др.

Внимание к этой данной проблеме носит не только академический характер, поскольку именно турбулентность наряду с адвекцией вносит основной вклад в распространение примесей авральным путем. Исторически сложилось два основных теоретических подхода к описанию турбулентной диффузии:

а) статистический;

б) метод решения полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии (ПУТД).

Первый подход привлекает простотой своего математического аппарата и получил экспериментальное подтверждение в относительно простых условиях - над гладкой поверхностью и в от-сут-ствии стоков примеси. Для учета вымывания примеси осадками, поглощения ее деревьями и т.п понадобилось введение искусственных функций «истощения», что резко уменьшает теоретическую ценность данного метода. Кроме того, нормальный характер распределения примеси по вертикали, постулируемый статистическим описанием, не выдержал экспериментальной проверки.

Второй подход базируется на локальной гипотезе Буссинеска. Достаточно удивительно, что, несмотря на явно слабую физическую оправданность метода ПУТД, он позволяет в общих чертах верно описать основные закономерности турбулентного переноса. К сильной стороне этого метода следует отнести возможность физически обоснованного учета самых разнообраз-

ных условий рассеивания примесей.

Моделирование распространения примеси в атмосфере над лесным районом требует учета двух обстоятельств: во-первых, иного, чем над гладкой поверхностью термодинамического режима; во-вторых, появление стока, связанного с ее захватом элементами шероховатости.

Как показано в первой главе, на сегодняшнем этапе удается моделировать термодинамический режим лесной атмосферы лишь для некоторого условного леса, аппроксимируемого сплошной средой с регулярно расположенными в пространстве элементами. Важными особенностями атмосферы внутри слоя леса являются непостоянство по высоте турбулентных потоков импульса и тепла, а также - значительный поворот с высотой вектора скорости ветра.

Наиболее сложным аспектом при моделировании атмосферного переноса примеси является учет ее взаимодействия с осадками и растительностью, которое является полифакторным процессом. Слабая теоретическая проработанность вопроса о микрофизике такого взаимодействия (зависимость его от микрошероховатости частиц, наличия у них электрического заряда, влажности и др) привели к преобладанию в литературе по данной проблеме экспериментальных работ: даже для консервативных примесей математическое моделирование всех аспектов взаимодействия - седиментации, влажного вымывания атмосферными осадками, коагуляции, захвата фитоэлементами, вторичного выдувания ветром пока не реализовано.

В большей части экспериментальных исследований, посвя-щен-ных изучению техногенных полей загрязнения, для описания зависимости концентрации примеси в грунте, снежном покрове, растительных элементах от расстояния до источника используется монотонная аппроксимация ч(г) = q0exp{-Xr}.

Вторая глава посвящена теоретической части работы.

Распространение примеси рассматривается в пределах приземного подслоя атмосферы.

Предложенная математическая модель использует ряд допущений, несколько упрощающих реальную ситуацию:

а) перенос примеси описывается в рамках квазистационарного приближения;

б) поворот вектора скорости ветра игнорируется. Это позволя-

ет решать «плоскую задачу» - находить концентрацию q(x,z). Далее, с учетом надежно установленной закономерности

Я(х,у)~ехр{-у72сту2)

в рамках метода «расщепления переменных» удается построить и полное пространственное поле концентраций

в) перенос примесей рассматривается в условиях нейтральной термической стратификации. Обобщение на случай неадиабатических условий не представляет труда с использованием универсальных функций теории подобия приземного подслоя. Однако при этом в условиях устойчивой стратификации потребуется переформулировать граничное условие снизу в области с гладкой границей;

г) тепловое всплывание факела не учитывается. Учет данного фактора возможен, например, введением »эффективной» высоты источника загрязнения атмосферы (ИЗА), как в модели ГГО им. А.И.Воейкова;

д) область расчета считается горизонтально однородной в

дК„

смысле —- = 0;

дх,

е) лес аппроксимируется сплошной средой с регулярно располо-женными в пространстве элементами шероховатости;

ж) в модели не учтены особенности переходного слоя, возникаю-щего при набегании ветрового потока на лес.

Рассматриваемая модель является параметрической. Ее основные входные параметры:

а) источник - высота Ь0, диаметр устья с!0, концентрация примеси в устье ИЗА

б) примесь - скорость седиментации \у5;

в) подстилающая поверхность - параметр шероховатости г„, средняя высота деревьев Ь,, коэффициент аэродинамического сопротивления с,,, вертикальный профиль удельной поверхности фитоэлементов параметр шероховатости в лесу гы, эмпирический коэффициент а;

г) термодинамический режим атмосферы - средняя скорость

вет-ра на высоте 1 м и,, динамическая скорость ветра ud, коэффи-циент ку,.

Расчетная область разбита на две подобласти: I - до опушки леса с гладкой нижней границей, II - область леса и над ним.

Модель основана на уравнении баланса. Адвективный поток представлен седиментацией и переносом примеси полем среднего ветра. Диффузионный член уравнения баланса выражен с пози-ции полуэмпирической теории через локальные градиенты концен-трации примеси с учетом тензорной природы коэффициента тур-булентной диффузии K¡j.

Компоненты тензора Ку в первой подобласти вычисляются через соответствующие компоненты тензора Рейнольдса. При этом предложена простая связь удельной энергии турбулентности и динамической скорости для наиболее типичных условий приземного подслоя.

В области леса на основе аппроксимации s(z) гладкой функци-ей проинтегрирована эмпирическая зависимость коэффициента турбулентной диффузии для леса k,2(z) от s(z) и получен вертика-льный профиль ku(z) в аналитической форме. Таким образом, «сшивание» термодинамических режимов атмосферы для двух слоев подобласти II: внутри леса и над ним, осуществляется в мо-дели за счет непрерывности вертикального профиля kb(z).

Вертикальный ход величины средней скорости ветра u(z) в под-области I задан традиционной логарифмической зависимостью.

Во второй подобласти зависимость ui(z) построена на основании рассчитанного профиля ku(z) и надежно верифицированной в эксперименте закономерности для пути смешения í(z) внутри слоя леса. Вертикальный профиль средней скорости ветра в пределах слоя возмущения над лесом (до высоты 1.5h,) аппроксимирован линейной зависимостью.

Учитывая слабую теоретическую разработку микрофизики захвата аэрозольных частиц растительностью в модели принята эмпирическая закономерность для коэффициента захвата (3, а также экспериментально обнаруженная пропорциональность «по-тока оседания» примеси величине средней скорости ветра.

Оригинальной особенностью модели является учет факта, что оседание частиц на листьях и хвоинках происходит с обеих сторон. При этом поток оседания на верхнюю сторону листа задан в виде , где ^ - массовая концентрация примеси, а ст,ж -диспер-сия вертикальной компоненты скорости ветра, а на нижнюю - в виде ^(аь/Иу,).

Модельные уравнения представляют собой линейные уравнения в частных производных второго порядка гиперболического типа: а) для подобласти I:

1 дЧ2 г/ ч , ^д<i А

Эг дкдг & дх

„ ч V/ +0.34и, . ч и(г) + 0.28и, где -=

0.3 4илх 0.34иаг

б) подобласти И:

¿^к^У 2к д\_к д\

и,(2> — 5хч & / &

I. дг V 1x2 дхдг ы дг

-РчД2)^^2)^2) + 2СТ,.(ФГ(2))] = 0

Их отличия для подобласти I и II заключаются в разном способе задания вертикальных профилей скорости ветра и компонентов тензора Ки, а также - в наличии стока примеси во второй подоб-ласти.

Диффузионные уравнения преобразованы в уравнения в конеч-ных разностях. Разностные уравнения решены численно на ПЭВМ методом итераций Гаусса-Зейделя с использованием ускоряющего множителя со.

Математическая программа написана на алгоритмическом язы-ке высокого уровня Рог1гап-90.

Итерационный процесс прекращался, когда разность между значениями концентраций, полученными в соседних итерациях, оказывалась меньше заданной величины, либо когда число

итера-ций превышало некоторое предельное значение. Полученные ре-зультаты в табличном и графическом виде выводились на экран ПЭВМ.

Выполненные по данной модели расчеты позволяют сравнить ход концентрации примеси на оси «факела» при наличии леса и в его отсутствии, а также получить вертикальный ход концентрации исследуемой примеси на разных удалениях от источника. Анализ полученных кривых показал, что для области с гладкой границей, начиная с некоторого расстояния от ИЗА, вертикальный профиль q(z) принимает автомодельный вид

q(z)~exp(-z/z#), установленный в ряде полевых экспериментов.

Кроме того, согласно расчетов на уровне нескольких метров от земли при набегании воздушного потока на лес вследствии резкого ослабления адвективного члена концентрация примеси быстро убывает. Напротив, непосредственно над лесом, в слое возмущения, убывание концентрации с расстоянием происходит медленнее, чем в его отсутствии.

Анализ результатов расчетов показал, что полученная модель, несмотря на ряд упрощений, принятых при ее разработке, в целом правильно описывает перенос аэрозольных загрязнений надглад-кой подстилающей поверхностью и над лесом.

В третьей главе изложена экспериментальная часть работы.

В качестве исследуемого района была выбрана часть зоны влияния промышленной агломерации Чебоксары-Новочебоксарск, расположенная на территории республики Марий Эл в левобережьи Волги. Данный район покрыт однородным смешанным лесом.

Подробное изучение промышленного узла показало, что к основным его источникам загрязнения атмосферы следует отнести: ■

а) точечный ИЗА - две высокие трубы ТЭЦ № 3 г.Чебоксары;

б) линейный ИЗА - автотрасса протяженностью около 20 км, проходящая вдоль правого, высокого берега Волги;

в) плоскостной ИЗА сложной конфигурации - промышленные предприятия этих двух городов.

Пробы снега, грунта и почвенного покрова отбирались по трем радиальным маршрутам, расходящимся на северо-запад, север и северо-восток от начала маршрутов (НМ) - точки, рас-

положенной около южного окончания плотины Чебоксарской ГЭС.

Аэрозольные пробы и образцы фитоэлементов были получены вдоль северо-восточного маршрута. Причем пробы растительно-сти отобраны с пяти ярусов кроны, находившихся на различной высоте от поверхности земли для хвойных и лиственных деревьев.

С целью сглаживания локальных неоднородностей в каждой точке отбиралось по 3...5 проб, которые затем смешивались в объединенную пробу (это не сделано для проб снега - для оценки разброса концентраций в пределах площадки пробоотбора).

Элементный анализ отобранных проб грунта, талой воды, почвенной подстилки и растительности был выполнен методами рентгено-флуоресцентного анализа (РФА) . Использованы две разновидности РФА: с рентгеновской трубкой (РТ) в качестве генератора первичного излучения (в Радиевом институте, г. Санкт-Петербург) и радиоактивными источниками (РИ) Сс1-109 и Ат—241- (в ОИЯИ, г. Дубна).

В результате удалось получить картину пространственного распределения 28-ми химических элементов естественного и ант-ропогенного происхождения (от К до РЬ) в трех депонирующих средах - снеге, грунте и почвенном покрове.

Аэрозольные пробы микрофотографировались, полученные изображения обрабатывались визуально. Морфологический анализ изображений аэрозольных частиц позволил проследить изменение морфологической структуры лесных аэрозолей, а дисперсионный анализ проб выявил некоторые закономерности динамики фракционного состава лесных аэрозолей по мере удаления от локального источника промышленных выбросов. Качественно результаты дисперсионного анализа соответствуют кольцевой структуре техногенных полей загрязнения.

С образцов фитоэлементов были получены смывы дистиллированной водой, отфильтрованные в последующем через фильтр «синяя лента». Элементный анализ фильтров методом РФА обнаружил различия в поглощении аэрозольных частиц лиственными и хвойными деревьями.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы и намечены направления дальнейших исследований:

1. Предложена интерпертация техногенной зоны загрязнения, соз-даваемой промышленным узлом Новочебоксарск-Чебоксары в виде полей, имеющих «тонкую» кольцевую структуру практически по всем исследованным элементам. Причем пространственное расположение максимумов по большинству элементов совпадает в снеге, грунте и почвенном покрове, что, с учетом независимости отбора и анализа проб, подтверждает надежность метода.

2. Дисперсионный анализ аэрозольных проб позволил вычленить фракции лесных аэрозолей промышленного происхождения (доля которых с удалением от промзоны из-за седиментации убывает) и фракции с лесной спецификой, относительный вес которых растет.

3. Выполнена оценка изменчивости концентрации исследованных элементов в снежном покрове в пределах площадки пробо-отбора.

4. Построена и численно реализована на ПЭВМ параметрическая математическая модель, описывающая перенос в атмосфере тяжелой аэрозольной примеси в пределах приземного подслоя.

5. Расчеты, выполненные с помощью модели, позволили получить зависимость концентрации примеси в плоскости (Х,0,г) от расстояния в области с гладкой границей и внутри леса на разных уровнях от поверхности земли. Кроме того, получен вертикальный ход концентрации примеси на разных удалениях от источника. Автомодельный профиль концентрации, устанавливающийся, согласно расчетам, начиная с некоторого расстояния, соответствует экспериментальным данным.

Дальнейшее развитие исследований в данном направлении предполагает физическое обогащение модели, обобщение ее на весь пограничный слой, введение блоков для расчета среднесе-зонных концентраций и величины дозы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колесников Е.Ю., Ивлев Л.С. К вопросу о захвате аэрозольных частиц лесной растительностью разного типа. Российская

аэ-розольная конференция (тезисы докладов). Москва, 1993 г.-М.:НИФХИ им. Л.Я. Карпова С. 47.

2. Колесников Е.Ю., Кудряшов В.И., Ивлев Л.С. Влияние техногенных аэрозолей на загрязненность приволжской территории республики Марий Эл. Журнал экологической химии 1994 N 3 С. 207...217.

3. Ивлев Л.С., Колесников Е.Ю. О дисперсном составе аэрозолей в лесу //Сб. материалов III международного аэрозольного симпозиума, Москва, 3...5 декабря 1996 г. С. 112...114.

4. Кудряшов В.И., Колесников Е.Ю. Рентгено-флуоресцентный анализ зоны влияния промышленного узла /Деп. в ВИНИТИ 22.10.97 N 3093-В97.

5. Колесников Е.Ю. О распространении аэрозолей в условиях леса //Сб. материалов международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли», Санкт-Петербург, 1998 г. С. 379...388.

6. Колесников Е.Ю. О некоторых проблемах контроля промышленных выбросов //Сб. материалов международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли», Санкт-Петербург, 1998 г. С. 516..519.

7. Колесников Е.Ю., Ивлев U.C., Колесникова Т.М. Дисперсный состав аэрозолей в лесу. Экологическая химия 1997 т. 6(3) С. 177...181.

8. Колесников Е.Ю., Ивлев Л.С., Ефремов М.Н. Модель распространения аэрозолей разного происхождения в условиях леса // Сб. материалов IV международного аэрозольного симпозиума, Санкт-Петербург, 6...9 июля 1998 г. С. 96...97.

ПЛД № 2018 от 05.10.94 Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1746.

ООП МарГТУ. 424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17