Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование процессов распространения атмосферных примесей в условиях леса

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Колесников, Евгений Юрьевич, Санкт-Петербург

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕ1

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Лев Семенович Ивлев

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................3

ГЛАВА 1. Распространение примесей в атмосфере в условиях растительности

1.1. Атмосферная турбулентность.............................................................................12

1.2. Турбулентная диффузия......................................................................................28

1.3. Турбулентный режим лесной атмосферы...........................................................42

1.4. Эволюция примесей в атмосфере и их взаимодействие с подстилающей поверхностью......................................................................................................52

1.5. Техногенное загрязнение природной среды.......................................................61

1.6. Выводы................................................................................................................65

ГЛАВА 2. Модель турбулентного переноса аэрозолей в условиях леса

2.1. Физические основы модели................................................................................68

2.2. Математическая реализация модели..................................................................80

2.3. Анализ результатов модельных расчетов...........................................................84

2.4. Выводы...............................................................................................................88

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование загрязненности зоны влияния

промышленного узла

3.1. Характеристика района отбора проб.................................................................91

3.2. Пробоотбор и пробоподготовка........................................................................95

3.3. Методы анализа проб.........................................................................................96

3.4. Основные результаты эксперимента..................................................................104

3.5. Сравнение экспериментальных данных с результатами модельных расчетов..............................................................................................................113

3.6. Выводы............................................ ..................................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................117

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Экологические проблемы сегодня выдвинулись на одно из первых мест в общественном сознании. Исчерпаемость природных ресурсов, растущие антропогенные нагрузки на экосистемы, увеличивающееся загрязнение среды обитания - проблемы, требующие адекватных решений. Это объясняет возрастающий интерес исследователей к изучению закономерностей генерации, распространения, трансформации загрязняющих субстанций в природных средах.

Одна из множества проблем данной тематики - исследование распространения примесей в атмосфере, 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.

Понимание механизма турбулентной диффузии в слое развитой шероховатости важно, в частности, и для решения чисто прагматической задачи - оптимизации способов обработки сельскохозяйственных посевов ядохимикатами, [32].

Конечной целью исследований в данном направлении является получение математических моделей, наиболее полно описывающих названные процессы и позволяющих получать максимально достоверную и точную априорную информацию о полях загрязнения, формируемых источниками загрязнения разного типа.

В последние годы, в связи с разработкой научной проблемы экологического нормирования возникла особенная необходимость научиться прогнозировать уровни загрязнения атмосферного воздуха, прочих природных сред в зоне влияния промышленных узлов, [21].

Экологическое нормирование - это научная дисциплина, занимающаяся обоснованием предельных экологических нагрузок на природные комплексы с учетом их особенностей (биоразнообразия, региона расположения, экологической емкости биогеоценозов и др). Корректная постановка задачи в этой области требует четкого количественного задания антропогенных нагрузок на экосистему, в том числе - уровней загрязнения атмосферного воздуха, почвы, элементов растительности.

Целью диссертационного исследования являлось изучение особенностей распространения атмосферных примесей над территорией, покрытой лесом. Поставленная задача решалась двумя способами: а) теоретическая часть диссертационной работы представляет собой разработку математической модели для описания турбулентной диффузии аэрозольной примеси в слое развитой шероховатости и ее численную реализацию

на ПЭВМ; б) экспериментальная - проведение комплексного полевого эксперимента, включающего отбор и последующий элементный анализ проб четырех видов депонирующих сред (снежного покрова, грунта, почвенной подстилки и элементов растительности), а также - отбор аэрозольных проб и проведение их морфологического и дисперсионного анализа.

В процессе работы над математической моделью автором изучено современное состояние вопроса, отмечен ряд эмпирических закономерностей, использованных им в модели.

Таким образом, для достижения поставленной цели в ходе диссертационного исследования применены следующие методы:

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

б) математическое моделирование переноса аэрозольной примеси в условиях подстилающей поверхности, покрытой лесом;

в) проведение комплексного полевого эксперимента, в ходе которого изучалось загрязнение природных сред в приволжской зоне республики Марий Эл.

В ходе выполнения диссертационной работы получен ряд новых результатов, которые выносятся на защиту:

1. в теоретической части.

1.1. Построена и численно реализована на ПЭВМ параметрическая математическая модель, описывающая перенос в атмосфере тяжелой аэрозольной примеси в пределах приземного подслоя. При ее разработке использован ряд оригинальных подходов.

1.2. Учтена тензорная природа коэффициента турбулентной диффузии. Вычислены компоненты тензора с использованием эмпирических соотношений между удельной энергией турбулентности и дисперсиями компонент скорости ветра для наиболее типичных условий в пределах приземного подслоя атмосферы.

1.3. На основе задания вертикального профиля удельной поверхности фитоэлементов в слое леса в виде гладкой функции получен вертикальный ход коэффициента турбулентной диффузии в аналитическом виде.

1.4. При задании стока примеси на обе стороны фитоэлементов учтен поток, пропорциональный дисперсии вертикальной составляющей скорости ветра.

1.5. Граничное условие по х задано, основываясь на соотношении Ричардсона для начального участка диффузии и численных оценках.

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. Предложен способ описания зоны загрязнения, формируемой промышленным узлом "Чебоксары-Новочебоксарск" по большинству исследованных техногенных элементов в виде совокупности полей, обладающих "тонкой" кольцевой структурой.

2.2. Выявлены некоторые закономерности в морфологической структуре и эволюции спектра размеров лесных аэрозолей по мере удаления от промышленного узла: установлены фракции частиц индустриального происхождения, доля которых вследствие оседания закономерно уменьшается, и фракции, имеющие лесную специфику, удельный вес которых с расстоянием возрастает.

2.3. Обнаружена сильная изменчивость концентрации исследованных элементов в снежном покрове в пределах площадки пробоотбора.

2.4. Обнаружен мощный максимум содержания ряда техногенных металлов (П, Мп, Бе, №) только в листве на уровне 3 м в первой точке пробоотбора, который по мере удаления от промышленной зоны несколько сглаживается. В хвое такой максимум не выявлен.

Одним из практических применений полученной в ходе диссертационного исследования математической модели является оценка необходимой ширины лесозащитных полос, а также - наиболее оптимального их размещения с учетом конкретных параметров источников загрязнения. В настоящее время данная модель применяется в учебном процессе Марийского государственного технического университета на ряде специальностей лесотехнического профиля.

Исследование выполнено в МарГТУ под руководством доктора физико-математических наук, профессора, заведующего лабораторией физики аэрозолей НИИФ СПбГУ Ивлева Льва Семеновича в сотрудничестве с ведущим специалистом лаборатории физики аэрозолей НИИФ СПбГУ Кудряшовым Владимиром Ивановичем, которым автор выражает самую глубокую признательность.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Рукопись содержит 139 с машинописного текста, включает 32 рисунка, 16 таблиц. Библиографический список состоит из 106 наименований.

По материалам диссертационного исследования опубликовано 8 работ.. Отдельные результаты, полученные в ходе исследования, докладывались на российской и четырех международных конференциях.

Материалы по главам расположены следующим образом:

глава 1 содержит анализ основных подходов в описании проблемы турбулентности, турбулентной диффузии, турбулентного режима лесной атмосферы, вопросов трансформации примесей и их взаимодействия с атмосферными осадками и элементами

шероховатости, а также результатов 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 - ведь именно турбулентность наряду с адвекцией вносит основной вклад в распространение примесей аэральным 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 отсутствии стоков примеси. Для учета влажного вымывания примеси осадками, поглощения ее деревьями и т.п в рамках данного метода понадобилось введение искусственных функций "истощения", что резко уменьшает его теоретическую ценность. Кроме того, нормальный характер распределения примеси по вертикали, постулируемый статистическим методом, не выдержал экспериментальной проверки, [49].

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 разнообразных условий распространения примесей в атмосфере.

В главе 1 показано, что на базе локальных ПУТД удалось построить физически содержательные модели, обходящиеся минимальным количеством входных параметров. Как следует из ряда исследований, выполненных в последнее время, [13], корректное описание турбулентного переноса требует учета тензорной природы коэффициента турбулентной диффузии.

Анализ опубликованных теоретических и экспериментальных работ показал, что их большая часть посвящена изучению переноса примесей над гладкой поверхностью. Од-

нако в условиях России значительно чаще наблюдается ситуация, когда воздушный поток перемещается над лесом, либо городской застройкой. Моделирование этого случая требует учета двух обстоятельств: во-первых, иного, чем над гладкой поверхностью термодинамического режима атмосферы; во-вторых, появление стока примеси, связанного с ее захватом элементами шероховатости.

Важными особенностями лесной атмосферы являются непостоянство по высоте турбулентных потоков импульса и тепла, а также - значительный поворот с высотой вектора скорости ветра, обнаруженный впервые Шинном, [102].

Как показано в обзоре, на сегодняшнем этапе удается моделировать термодинамический режим лесной атмосферы лишь для некоторого условного леса, который аппроксимируется сплошной средой с регулярно расположенными в пространстве элементами, [30].

Наиболее сложным аспектом при моделировании процесса атмосферного переноса является учет взаимодействия примеси 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 преобладающем большинстве экспериментальных исследований, посвященных изучению техногенных полей загрязнения, используется простая монотонная аппроксимация д(г)=д0ехр {-Хх} для описания зависимости концентрации примеси в грунте, снежном покрове, лесной подстилке т т.п. от расстояния до источника.

Глава 2 посвящена теоретической части работы.

Перенос примеси рассматривается в пределах приземного подслоя атмосферы.

Модель основана на ряде допущений, упрощающих реальную ситуацию:

а) распространение примеси рассматривается в квазистационарном приближении;

б) поворот вектора скорости ветра игнорируется. Это позволяет решать "плоскую задачу" находить концентрацию д1(х,г). Далее, с учетом надежно установленной закономерности дг(х,у)~ехр {-у2/2сту2) в рамках метода_расщепления переменных, [54], удается построить и полное пространственное поле концентраций q(x,y,z) = д1(х,г)д2(х,у);

в) перенос примесей рассматривается в условиях нейтральной термической стратификации. Обобщение на случай неадиабатических условий не представляет труда с ис-

пользованием универсальных функций теории подобия приземного подслоя (1.33). Правда, при этом потребуется переформулировать граничное условие снизу в области с гладкой границей;

г) тепловое всплывание факела не учитывается. Учет данного фактора возможен, например, введением эффективной высоты ИЗА, как в модели ГГО;

дК.,

д) область расчета считается горизонтально однородной в смысле -= 0;

дх

е) лес аппроксимируется сплошной средой с регулярно расположенными элементами шероховатости, параметрами которой являются: средняя высота деревьев hi, коэффициент аэродинамического сопротивления с а, параметр шероховатости z0i, функция распределения по высоте удельной поверхности растительных элементов s(z) (односторонней). Зависимость перечисленных параметров от величины скорости ветра не учитывается.

ж) реальные полидисперсные аэрозоли считаются смесью невзаимодействующих moho дисперных фракций;

з) в модели не учтены особенности переходного слоя, возникающего при набегании ветрового потока на лес.

Рассматриваемая модель является параметрической. Ее основные входные параметры:

а) источник - h0, d0, q0;

б) примесь - ws;

в) подстилающая поверхность - z0, hi, са, s(z), z0i, a;

г) термодинамический режим атмосферы - ui, Ud, коэффициент kva.

В последующем возможно усовершенствование модели за счет включения блоков, вычисляющих термодинамический режим атмосферы и, тем самым, сокращающих количество входных параметров.

Расчетная область разбита на две подобласти: I - до опушки леса (xi) 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 позиции ПУТД через локальные градиенты концентрации примеси с учетом тензорной природы коэффициента турбулентной диффузии.

Компоненты этого тензора вычис�