Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математическое моделирование процессов локального загрязнения воздушной среды на горнопромышленных объектах

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора физико-математических наук, Бакланов, Александр Анатольевич, Санкт-Петербург

N.1 л/1 / / „..А

//■уу- '// - 1 - V

МШИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОМ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАКЛАНОВ Александр Анатольевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ НА ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК В ФОРМЕ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

1 оя. ъ щ/ь

N / >ДА / ' 7 гч гк 2- / . V/ У~ * ^ у % -- Ы

7 / V ^ V ^Г

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 551.584.65+551.32

БАКЛАНОВ Александр Анатольевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЛОКАЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ НА ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТАХ

Специальность: 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК В ФОРМЕ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Институте проблем промышленной экологии Севера (ИПЭС) Кольского научного центра Российской академии наук

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Солдатенко С.А.

'Р<*С«#ЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕН* БИБЛИОТЕКА

1Я Доктор физико-математических наук,

•¡ПАЯ профессор Вагер Б.Г.

А

Доктор технических наук, профессор Битколов Н.З.

Ведущая организация - Институт глобального климата и экологии

Защита состоится 15 октября 1998 г. в 15 часов 30 минут на заседании специализированного совета Д 063.19.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Российском Государственном гидрометеорологическом Институте по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГМУ.

Автореферат разослан 12 сентября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного

Российской академии наук и Госкомгидромета

совета

Д.ф.м.п., профессор

ДИВИНСКИЙ А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация, представленная в форме научного доклада, содержит краткое изложение, теоретическое обобщение и анализ полученных и опубликованных в 19791998 гг. результатов исследований по математическому моделированию процессов локальной динамики и загрязнения атмосферы в зоне деятельности горнопромышленных объектов.

Актуальность проблемы. Обострение проблемы атмосферного загрязнения в индустриальных районах предъявило новые требования к разработке систем обоснования атмосфероохранных мероприятий, оценки и прогноза состояния атмосферы. При этом, широкий класс задач локального атмосферного загрязнения требует разработки новых моделей динамики атмосферы и распространения примесей в условиях сложной топографии и ограниченных объемов.

Наиболее типичными и сложными объектами такого типа являются предприятия горной промышленности, для которых использование общих методов расчета атмосферного загрязнения во многих случаях является неприменимым в силу сложной структуры воздушных течений и циркуляций.

Проблема поддержания нормальных санитарных условий (ПДК) в атмосфере на рабочих местах и территориях, прилегающих к горнодобываюнщм предприятиям, разбивается на два больших класса задач: в атмосфероохранные задачи окружающей среды при разработке полезных

ископаемых, решаемые в рамках общей проблемы охраны окружающей среды; • обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда горнорабочих, изучаемое в рамках разделов горной науки: рудничной аэрологии и аэрологии карьеров, а также промышленной вентиляции.

Перечисленные задачи во многом решаются независимо, хотя для ряда задач требуется комплексный подход к их решению. Так, вентиляция подземных выработок - отдельная задача, мало связанная с проблемой окружающей среды для большинства рудников. Однако для угольных шахт выбросы загрязненного воздуха из воздухо-выдающих стволов в ряде случаев могут явиться причиной загрязнения воздушного бассейна, если своевременно не принять необходимые атмосфероохранные мероприятия. Проблема нормализации атмосферы карьеров должна рассматриваться как единая задача сохранения требуемой чистоты воздуха как внутри, так и вне карьера.

Решение задач рудничной аэрологии сводится, в основном, к обоснованию и выбору способов и средств вентиляции и газопылеподавления в подземных выработках и сооружениях. Задачи проветривания протяженных выработок и разветвленных вентиляционных сетей допускают линеаризацию и достаточно изучены. При решении же задач кондиционирования и проветривания выработок большого объема и подземных сооружений, вследствие образования сложных видов течений (рециркуляционных и застойных зон) в пространстве выработки и существенного влияния - в ряде случаев - температурных или плотностных неоднородностей на процессы динамики атмосферы, применение упрощенных линеаризованных и равновесных подходов затруднено. Поэтому, для расчета реальных полей концентрации и скорости необходимо построение двумерных или трехмерных математических моделей. Модели аналогичного типа нужны и для обоснованного решения задач вентиляции и контроля загрязнения промышленных помещений.

Проблемы нормализации атмосферы карьеров возникли в связи с резким углублением открытых горных работ (в настоящее время до 500 м, в проектах - до 700 м) около 30 лет назад. Накоплен большой эмпирический материал, однако отсутствие аналогов решения таких задач и сложность проблемы оставляют вопрос обоснования путей эффективного оздоровления атмосферы глубоких карьеров во многом открытым.

В частности, задачей особой важности является научная оценка возможности и эффективности искусственной вентиляции глубоких карьеров. Решение этой задачи стало возможным с помощью современных математических моделей.

Вынос вредных примесей из выработок и карьеров, взрывные и транспортировочные работы, пыление отвалов и хвостохранилшц, эндогенные пожары, выбросы обогатительных и сопутствующих предприятий приводят к загрязнению воздушного бассейна в зоне действия горнопромышленных комплексов. Конкретные проблемы горной промышленности требуют создания специализированных методов и моделей для расчета, например, санитарных зон и времени рассеивания примесей после массовых взрывов на горных работах. Отдельного рассмотрения требуют задачи пыления хвостохранилищ, проветривания промышленных площадок и т.д.

Отсутствие обоснованных методов оценки экологических последствий развития горнопромышленных комплексов привело к необходимости выделения в рамках общегосударственной целевой программы (Пост. ГКНТ N0.56) самостоятельного раздела 6: "Разработать научные основы и методы охраны окружающей среды от вредного воздействия горного производства". Одной из основных задач этого раздела является создание методов оценки и прогноза состояния окружающей среды в зоне действия горнодобывающих предприятий.

Целью работы является исследование физических закономерностей и построение математических моделей микроклимата, локальных воздушных течений и загрязнения атмосферы объектов сложной формы и искусственного воздействия на процессы воздухообмена применительно к предприятиям горной промышленности.

Идея работы заключается в комплексном подходе к изучению атмосфероохранных проблем как рабочих мест, так и окружающей территории и в исследовании взаимосвязанных процессов нормализации атмосферы горнодобывающих объектов на основе построения математических моделей термогазодинамики турбулентной атмосферы с использованием современных вычислительных систем.

Основными объектами исследований являются: пограничный слой атмосферы в условиях сложной топографии и воздушная среда горных предприятий: карьеров и угольных разрезов, подземных горных выработок большого объема и производственных помещений; пылящие хвостохранилшца и отвалы, взрывные работы, а также горно-металлургические комплексы, расположенные, как правило, в горных районах (сложных физико-географических условиях).

Указанная цель достигалась решением следующих основных задач:

1. Обоснование комплексного подхода к изучению атмосфероохранных проблем горной промышленности.

2.Разработка общей методологии оценки и моделирования состояния и нормализации воздушной среды на объектах горной промышленности.

3.Разработка методов расчета и моделей оценки и прогноза атмосферного загрязнения от горнопромышленных комплексов в условиях сложной топографии.

4.Описание физических процессов и построение комплекса математических моделей проветривания атмосферы глубоких карьеров.

5.Исследование структуры искусственных вентиляционных потоков и оценка эффективности методов искусственного проветривания глубоких карьеров.

6.Разработка методов расчета загрязнения окружающей среды при проведении массовых взрывов на открытых горных работах.

7.Разработка модели и исследование закономерностей процессов загрязнения окружающей среды при пылении хвостохранилищ и отвалов.

8.Разработка теории и методов моделирования аэротермодинамики и вентиляции горных выработок большого объема, промышленных цехов и помещений.

9.Обоснование и разработка информационной системы мониторинга и прогноза атмосферного загрязнения окружающей среды в зоне горнопромышленных объектов.

Научная новизна. Научная новизна и основные результаты заключаются в следующем:

» Обоснован комплексный подход к изучению атмосфероохранных проблем горной промышленности на основе методов математического моделирования динамики и загрязнения атмосферы как на рабочих'местах, так и в окружающей среде.

• Разработана единая методическая база и иерархия математических моделей для исследования процессов загрязнения и оздоровления воздушной среда на горных предприятиях.

• Разработаны эффективные алгоритмы и программы расчета динамики атмосферы в областях сложной формы при наличии искусственных источников движения воздуха.

• Разработана негидростатическая пространственная модель динамики атмосферы и распространения загрязняющих примесей в условиях сложной орографии и для устойчиво стратифицированной атмосферы.

• Сделано теоретическое описание и разработан комплекс математических моделей для оценки атмосфероохранных задач в глубоких карьерах.

• Разработана пространственная численная модель турбулентных вентиляционных струй, взаимодействующих с атмосферой локальных зон.

• Исходя из концепции атмосферы карьера как открытой системы, на основе разработанных моделей показан циркуляционный характер вентиляционных потоков и доказана высокая энергоемкость и зачастую неэффективность метода искусственного проветривания глубоких карьеров.

• Обоснованы и разработаны математические модели и методы расчета загрязнения окружающей среды: атмосферы и поверхности почвы после проведения массовых взрывов на открытых горных работах.

• Создана математическая модель для исследования аэродинамики обтекания и прогноза состояния воздушной среды при пылении хвостохранилищ и изучено влияние различной геометрии и высоты отвалов на интенсивность пыления.

• Предложена численная модель аэродинамики и проветривания промышленных площадок и межкорпусных пространств, а также подход к рациональному размещению промплощадок горных предприятий.

• Разработана информационно-моделирующая система мониторинга и прогноза атмосферного загрязнения в зоне влияния горнометаллургического комбината.

• Разработана и реализована пространственная численная модель аэротермодинамики и процессов проветривания горных выработок и сооружений большого объема сложной конфигурации.

• Исследованы закономерности аэрогазодинамики камерообразных горных выработок сложной формы (образования рециркуляционных и застойных зон, неравномерности распределения коэффициентов турбулентности, влияние на проветривание: нагрева газового облака, способов подачи в камеру свежего воздуха, вентиляторов местного проветривания, воздушных завес и т.д.).

• Разработана трехмерная модель аэротермодинамики и вентиляции промышленных помещений на основе полных уравнений гидротермодинамики турбулентной атмосферы с учетом мощностей тепло-, пыле- и газовыделений, конфигурации помещений, расположения впускных и выпускных вентиляционных проемов и других параметров.

Практическая значимость. Предложенные методы и модели позволяют прогнозировать и оценивать эффективность атмосфероохранных мероприятий на конкретных горнопромышленных предприятиях и в горных районах. На основе выполненных исследований проведено заседание Проблемного Совета АН, принявшее решение о пересмотре отношения к искусственному проветриванию глубоких карьеров, как кардинальном}' решению проблемы, и переориентации на методы снижения выбросов. На базе разработанного комплекса моделей готовились методики расчета загрязнения атмосферы от пылящих поверхностей хвостохранилищ и от взрывных работ на угольных разрезах. Результаты работы, кроме того, вошли в проект

нормативного документа "Методы расчета распространения радиоактивных веществ в окружающей среде и доз облучения населения'752/. Концепция экологической информационной системы Кольского региона /31,51, 84/ была использована в качестве основы для типового положения о региональной экологической информационной системе Минприроды РФ. На основе предложенных методов и моделей проведены расчеты возможного загрязнения атмосферы для различных горнопромышленных районов Кольского полуострова, Сибири, Якутии, КАТЭКа /3, 6, 25, 26, 69/, выбора рационального размещения объектов Удоканского ГОКа в Чарской котловине /26, 43/, а также определены уровни локального трансграничного загрязнения в районе российско-норвежской границы /50, 53, 66, 68/ и зоны загрязнения атмосферы вокруг ГМК "Печенганикель" и комбината "Североникель" /55, 59, 62/. Сделаны оценки уровней аэротехногенного загрязнения от различных предприятий Кольского горнопромышленного комплекса и обьектов радиационного риска, выявлены многолетние тренды и вклад в общее региональное загрязнение /72, 98, 102, 106/. Для основных источников загрязнения определены уровни необходимого сокращения выбросов исходя из критических нагрузок на экосистемы Севера и Г1ДК для человека.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены и обсуждены на научных симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах в периоде 1979 по I 948 гг., среди которых:

Всесоюзны е и всероссийские: "Физико-технические проблемы управления воздухообменом в горных выработках больших объемов" (Кохтла-Ярве, 1979, 1983), "Проблемы аэрологии современных горнодобывающих предприятий" (Москва, 1980), "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981), "Проблемы турбулентной диффузии в пограничном слое атмосферы" (Обнинск, 1981), "Гидрометеорологическое обеспечение народного хозяйства Сибири" (Новосибирск, 1983), "Методы математического моделирования, экспериментального исследования и прикладные аспекты турбулентной диффузии в атмосфере" (Новосибирск, 1983), "Экономико-географические проблемы освоения Севера Забайкалья" (Чита, 1984), "Управление вентиляцией и газодинамическими явлениями в шахтах" (Новосибирск, 1984, 1987), "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" (Новосибирск, 1985), "Применение вычислительной техники в научных исследованиях и создание технологий получения знаний" (Новосибирск, 1985), "Теоретические и прикладные вопросы воздухообмена в глубоких карьерах" (Апатиты, ¡985), "ЭВМ и науки о Земле" (11окосибирск, 1986), "Актуальные проблемы охраны труда в промышленности" (Ленинград. 1986). "Математические проблемы экологии" (Чита, 1986, 1988, Душанбе, 1991, Новосибирск, 1992), "Численные методы оценки устойчивости конструктивных элементов подземных сооружений (Апатиты, 1986), "Полярная метеорология на службе народного хозяйства" (Мурманск, 1987), "Новое в теории и практике воздухораспределения в промышленных и общественных зданиях" (Ленинград, 1988), "Прикладные проблемы управления макросистемами" (Апатиты, 1989), "Численные и аналитические исследования в подземном строительстве (Апатиты, 1989), "Аэрология калийных рудников" (Кунгур, 1989), "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования (Новороссийск, 1989, 1990), "Проблемы предот вращения загрязнения воздушного бассейна при открытой разработке железных руд" (Кривой Рог, 1990), "Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии" (Новосибирск, 1991), "Экология горного производства и человек" (Пермь, 1993). "Комплексная разработка рудных месторождений мощными глубокими карьерами" (Мельниковские чтения) (Апатиты, 1993), "Методы охраны атмосферы и