Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Математическое моделирование распространения загрязнений в прибрежной зоне моря для проектирования гидротехнических сооружений

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование распространения загрязнений в прибрежной зоне моря для проектирования гидротехнических сооружений"

На правах рукописи

ИВАНОВ Александр Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ МОРЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

II АВГ 2013

Москва - 2013

005532182

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сочинский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Макаров Константин Николаевич.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Боровков Валерий Степанович доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор кафедры гидравлики,

Коростелева Наталия Владимировна

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный архитектурно-

строительный университет», доцент кафедры экологического строительства и хозяйства,

ООО «Морское строительство и технологии»

Защита состоится 25 сентября 2013 года в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 212.138.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, ул. Ярославское шоссе, 26.

Автореферат разослан августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов А.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Под загрязнением прибрежной зоны понимается введение в морскую среду в результате антропогенной деятельности веществ, ухудшающих качество воды, оказывающих негативное влияние на здоровье человека, на жизнедеятельность флоры и фауны, как в виде отдельных организмов, так и биоценозов.

Влияние деятельности человека на морскую среду проявляется также в виде добычи морских животных, некоторые из которых в результате уже исчезли, а некоторые находятся на грани исчезновения.

Загрязняющие вещества оказывают влияние на метеорологические, гидрологические и климатические условия крупных регионов и, в конце концов, достигают в своих воздействиях масштаба всей планеты.

Эти вещества попадают в океан с поверхностным, подземным и речным стоком, непосредственно с промышленными и бытовыми стоками, из атмосферы и с плавсредств. В свою очередь, подземные, поверхностные и атмосферные воды загрязняются промышленными и бытовыми сточными водами, удобрениями и ядохимикатами, применяющимися в сельском хозяйстве. Атмосферные воды загрязняются промышленными выбросами, выбросами при работе наземного и воздушного транспорта и др. Потоками воздуха загрязняющие вещества перемещаются в пределы океана и выпадают на его поверхность, в том числе, в прибрежной зоне.

Источниками загрязнения океана, имеющими планетарный характер, являются речной сток и водный транспорт, прежде всего танкеры.

Загрязнение прибрежной зоны может быть химическим (органическим и неорганическим), радиоактивным, микробиологическим, минералогическим и тепловым.

При строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений производятся выемка и дампинг грунтов, возможны разливы буровых растворов и нефтепродуктов. Из водовыпусков сточных вод в прибрежную зону попадают химические и минералогические загрязнения. Вынос рек также загрязняет прибрежную зону, в том числе в зоне действия сооружений, например, рекреационных пляжей, портовых акваторий. Эксплуатация портов приводит к существенному загрязнению морской воды.

Таким образом, актуальной является задача комплексного анализа и обобщения выполненных научных исследований и разработки инженерных методов расчета распространения загрязнений и качества морской воды, в частности, в прибрежной зоне моря, в том числе для прогноза изменений окружающей среды и ее защиты, для локализации и ликвидации негативных природных и техногенных воздействий на окружающую среду.

Объект исследования: прибрежная зона бесприливных морей.

Предмет исследования: процессы распространения взвешенных веществ и химических примесей от различных источников, определяющие качество морской воды.

Цель работы: разработка математических моделей и комплексной автоматизированной системы, позволяющей прогнозировать качество воды в прибрежной зоне в зависимости от гидрометеорологической ситуации, а также характеристик водовыпускных систем, ливневого стока, инженерных мероприятий на берегах, разливов нефтепродуктов. При этом предполагается, что система будет рассчитывать как фоновые характеристики загрязнений, так и распространение антропогенных добавок. Это позволит, в том числе, выполнять оценку экологической безопасности существующих и проектируемых инженерных сооружений.

Задачи исследования:

1. Выполнить обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований по теме диссертации. Определить основные механизмы распространения загрязнений в прибрежной зоне моря.

2. Установить источники и виды загрязняющих веществ в прибрежной зоне моря и их взаимодействие с морской средой, выявить особенности загрязнений на основе изучения каждого источника в отдельности.

3. Определить основные математические модели для расчета всех составляющих гидродинамики прибрежной зоны моря, таких как: колебания уровня воды; гравитационные волны на воде; течения, с учетом их общей циркуляции.

4. Разработать или модифицировать математические модели распространения загрязнений в прибрежной зоне моря и реализовать их в инженерных методах расчета.

5. Разработать программный комплекс для расчета распространения загрязнений в прибрежной зоне от различных источников загрязнений.

6. Выполнить тестовые и практические расчеты качества воды в прибрежной зоне моря для конкретных объектов.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель распространения речной взвесенесущей струи в прибрежной зоне моря при наличии сносящего вдольберегового течения, отличающаяся тем, что учитывается изгиб оси струи относительно оси русла впадающего водотока;

- разработана математическая модель распространения нефтяного пятна при аварийном разливе в прибрежной зоне моря, в которой снос пятна разлива рассчитывается по скоростям течения в точках его схематизации;

- разработана комплексная автоматизированная система для прогнозирования распространения загрязнений в прибрежной зоне моря под воздействием гидрометеорологических факторов, причем как в отношении фоновых концентраций, так и в отношении антропогенных добавок.

Практическое значение: Усовершенствованы методы для решения актуальной задачи прогнозирования качества воды в прибрежной зоне моря под воздействием основных гидродинамических факторов (волн и течений).

Практическая значимость состоит в том, что на основе разработанной автоматизированной системы можно организовать экологический мониторинг существующего и прогнозируемого качества воды в прибрежной зоне с учетом

характеристик соответствующих инженерных сооружений и литодинамических характеристик подводного берегового склона.

На основе системы, проектными и научными организациями методом математического моделирования, могут быть определены оптимальные, в том числе по экологическим показателям, параметры водовыпускных систем, водозаборных сооружений, а также мероприятий для управления береговыми процессами.

В качестве примеров практического применения разработанных методов приводятся результаты расчетов для водовыпуска, заносимости акватории причала и распространения загрязнений при аварийном сбросе буровых растворов.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель распространения речной взвесенесущей струи в прибрежной зоне моря при наличии вдольберегового течения, вызывающего изгиб оси струи.

2. Математическая модель распространения нефтяного пятна при аварийном разливе в прибрежной зоне моря.

3. Комплексная автоматизированная система для прогнозирования распространения загрязнений в прибрежной зоне моря под воздействием гидрометеорологических факторов и оптимизации, в том числе по экологическим показателям, параметров водовыпускных систем, водозаборных сооружений, а также мероприятий для управления береговыми процессами.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и были одобрены на 5-й и 6-й международных научно-практических конференциях «Строительство в прибрежных курортных регионах» (Сочи, 2008, 2010 г.г.), на II международной научно-практической конференции «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Туапсе, 2011 г.), на XII Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Казань, 2011 г.).

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием действующих нормативных и рекомендательных документов, применением апробированных методов исследования и использованием стандартных методов оценки.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 опубликованных работах, среди которых 3 в рецензируемых научных изданиях, реферируемых ВАК РФ.

Структура и объем работы. Представленная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация представлена на 232 страницах. Текст сопровождается 22 таблицами и 69 рисунками. Список литературы включает в себя 302 наименования, из них 12 - на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы; указывается объект исследования; формируются цель и задачи исследования; приводятся

использованные методы. Раскрывается научная новизна работы и её практическая значимость; формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Теоретические представления о распространении загрязнений в прибрежной зоне моря» представлено понятие о загрязнении прибрежной зоны и описаны существующие виды загрязнений (Смирнов Г.Н., 1987, Караушев A.B., 1991, Пелиновский E.H., Некрасов A.B., 1992):

- химическое;

- радиоактивное;

- микробиологическое;

- минералогическое;

- тепловое.

Также рассмотрены теоретические представления о распространении загрязнений (Озмидов Р.В., 1986, Ибад-Заде Ю.А., 1982, Боуден К., 1988).

Вертикальное распределение растворенных загрязняющих веществ зависит от механизма перераспределения свойств среды, в сфере влияния которого находится данный элементарный объем, пласт воды, элемент гидрологической структуры.

Горизонтальное распределение загрязняющих веществ определяется динамикой поверхностных течений.

Процессы перемешивания в море, которые включают как адвекцию, так и диффузию. Если скорость меняется от точки к точке, как, например, в вихре или в потоке со сдвигом скорости, пятно воды, помеченное тем или иным способом, будет изменять свои форму и размеры и, возможно, вытягиваться в нити. Применяя Эйлеров подход, который основан на том, что вода и диффундирующее вещество считаются сплошными средами, а в качестве искомой характеристики рассматривается объемная концентрация диффундирующего вещества, уравнение адвекции-диффузии можно записать в виде (Гилл А., 1986, Боуден К. 1988):

8с -8с -8с —8с 8 --1-U--hV--I-W—= —

8t дх fy 8z 8х

Г. 8 / 8сЛ 8 / 8сЛ

кх— +— К +— К

У У \ & 2 К &J

(1)

где с - объемная концентрация интересующего нас вещества, а через и, V и \\> — компоненты скорости в точке х, у, 2; К - коэффициент турбулентной диффузии; X - коэффициент молекулярной диффузии; V-2 обозначает оператор

8х2+ дуг+ &2 "

При выводе этого уравнения предполагалось, что в самом объеме вещество не создается и не исчезает. Для неконсервативной примеси, такой как растворенный кислород, биогенные элементы, бактерии или радиоактивное вещество, а также при наличии источников или стоков, это не так. Поэтому в правую часть уравнения следует добавить члены (2(х,у,г,1), учитывающие

источник или сток, а также трансформацию неконсервативной примеси. Членом, описывающим молекулярную диффузию, во многих случаях можно пренебречь.

Диффузия, как молекулярная, так и турбулентная, всегда действует в сторону сглаживания градиентов концентрации и увеличения размеров пятна, в то время как адвективные процессы могут либо способствовать рассеянию, либо ограничивать его (Гилл А., 1986, Озмидов Р.В., 1986). Поэтому в работе описаны несколько примеров рассеяния, создаваемого только турбулентной диффузией. Допускаются турбулентные движения в некотором диапазоне масштабов, но предполагается, что связанные с ними диффузионные эффекты всегда можно описать через подходящий коэффициент турбулентной диффузии.

В заключение первой главы были описаны основные источники загрязнения прибрежной зоны моря, которые будут рассматриваться в данной работе:

- выпуски сточных вод с очистных сооружений;

- постоянные и временные водотоки;

- временное минералогическое загрязнение при отсыпке искусственных пляжей;

- временное минералогическое загрязнение при разработке грунта во время дноуглубления или разработке и последующей засыпке траншей под подводные трубопроводы;

- временное химическое загрязнение при эксплуатации существующих пляжей;

- аварийные разливы нефтепродуктов.

Во второй главе «Гидродинамика прибрежной зоны моря»

рассматриваются основные уравнения, которым удовлетворяет движущаяся жидкость.

Уравнение сохранения массы (Гилл А., 1986, Ле Меоте Б., 1974).

p'lDp / Dt + V -U = 0,

(2)

где II— скорость жидкости; р - плотность, I - время. Уравнение движения

DUI Dt + 2Q • и = -p~'Vp - g + v42U,

(3)

где v — коэффициент кинематической вязкости, g - гравитационное ускорение.

Уравнение тепла, или энергии

рТсp{pr,0)e~lDe/Dt =V-(kVT-Fp°d}+QH , (4)

'■H >

(4)

где Т — температура; Ррад' - плотность радиационного потока энергии; к -коэффициент теплопроводности; - нагревание за счет фазовых переходов;

С п

р - удельная теплоемкость, а "г - стандартное давление, 9 - потенциальная

температура.

Уравнение адвекции-диффузии примеси

рВз101 = У-(рХвЧз), (5)

где б - концентрация соли или другой примеси; %0 - скорость диффузии; V^ -градиент величины 5.

Уравнение состояния

р = р{р,3,в). (6)

Для моделирования определенной гидродинамической ситуации необходимо описать движение волн и все существующие виды течений, то есть адвективный фактор.

В главе рассмотрены методы расчета волн по полям ветра в открытых частях водоемов, трансформации, рефракции и разрушения волн в прибрежной зоне, расчет волнового и ветрового нагонов (СНиП 2.06.04-82*, 1983, Лаппо Д.Д., Стрекалов С.С., Завьялов В.К., 1990).

Течения в прибрежной зоне могут быть ' волновыми, ветровыми (дрейфовыми) и градиентными. Во взаимодействии все эти виды течений формируют поле суммарных течений (Смирнов Г.Н., 1987, Леонтьев И.О., 1989).

Волновыми называются течения, обусловленные наличием волновых колебаний в водоемах. Волновые течения могут быть разделены на мгновенные - движение частиц жидкости по волновым орбитам и переносные -обусловленные не замкнутостью волновых орбит.

Мгновенные волновые течения обычно с достаточной точностью описываются линейными решениями теории волн малой амплитуды (Ле Меоте Б., 1974).

Переносное волновое течение в мелководной зоне распространяется в направлении луча волны со скоростью (Лонге-Хиггинс М.С., 1974):

Ул(а2тк)

V = ¿41---(7)

где а = Ъ/2 - амплитуда волны.

Дрейфовыми (ветровыми) называются течения, вызванные ветром в результате его воздействия на водную поверхность.

Поверхностная скорость дрейфового течения определяется по формуле (Смирнов Г.Н., 1987):

_ К„уг ю-2

К (8)

где Ку, - эмпирический ветровой коэффициент; IV - скорость ветра; <р - широта места.

Градиентными называются течения, обусловленные различной высотой нагона воды вдоль прибрежной зоны моря.

Расчет градиентных течений может быть выполнен по рекомендациям И.Ф.Шадрина (Шадрин И.Ф., 1981):

Все указанные типы течений создают суммарную прибрежную циркуляцию.

В третьей главе «Методы расчета распространения загрязнений в прибрежной зоне» Приведены методики расчета распространения загрязняющих веществ от различных источников, основанные на линеаризациях уравнения (1).

Распространение факелов загрязнений от водовыпусков с учетом разбавления сточных вод в морских водах (Лапшев Н. Н., 1977, Майрановский Ф. Г., 1984).

Концентрация вещества в сточных водах а определяется по формуле:

а = п{стк-сф)+сф, (9)

где п - кратность общего разбавления сточных вод в море при их переносе течением от места выпуска до ближайшей границы морских районов водопользования; Стах - максимальная концентрация загрязнения в струе водовыпуска; Сф - фоновая концентрация вещества.

Методика определения кратности начального разбавления позволяют производить расчет ее величины независимо от типа выпуска, однако на процесс перемешивания сточных вод в зоне начального разбавления существенное влияние оказывает силы плавучести, если плотность сточных вод существенно отличается от плотности морской воды.

Если сточная вода легче морской (рст < рт) и расчетная величина Рч удовлетворяет условию:

^<1,12^,

о

( V'67

«я=0,54^ °^ + 0,6б| . (10)

I 0 ч

Если сточная вода тяжелее морской (рст > рт) и расчетная величина Рч удовлетворяет условию:

<. 0,434Н.

d0(sm<pf5 '

пн = 0,524 cos <рфт <pF4F. (11)

Если сточная вода легче либо тяжелее морской, но условие величины F4 не выполняется, то расчет кратности начального разбавления выполняется методом Н.Н.Лапшева:

0,425-V • f " 0,05 l + UM ' U '

где dQ - диаметр выпускного отверстия, м.; vcm - скорость течения сточной воды из выпускного отверстия, м/с; Нв - расстояние (по вертикали) от выпуска до поверхности моря; (р - угол истечения струи сточных вод из выпускного отверстия относительно горизонта; F — табличный параметр, зависящий от угла Ф', U„ - характерная минимальная скорость течения морских вод в месте сброса, м/с;/- параметр, учитывающий стеснение струи сточных вод при их сбросе на мелководье.

В отличие от водотоков и водоемов для прибрежной зоны моря эффект самоочищения эквивалентен дополнительному разбавлению сточных вод. Поэтому при расчете неконсервативного вещества самоочищение учитывается непосредственно в формуле (Лаптев Н. Н., 1977, Майрановский Ф. Г., 1984):

0 y„Z2e ' (13)

где к - коэффициент неконсервативности вещества; У о - параметр,

учитывающий влияние берега на кратность основного разбавления; / -расстояние от выпуска до ближайшей границы района водопользования (контрольного створа), м; х0 - параметр сопряжения начального участка разбавления с основным участком, м; ит - скорость морского течения,

соответствующая неприятной гидрологической ситуации, к0 - коэффициент перевода секунд в сутки.

Расчет струй мутности и примеси от впадающих в море водотоков основан на уравнении плоской турбулентной струи (Альтшуль А.Д. и др.,

1987), модифицированной автором для учета взвесенесущей способности струи.

В модели делаются следующие допущения:

-мутность воды в струях источников определяется средним диаметром наносов в струях, скоростью в точках струй и начальной концентрацией взвеси на выходе из источников, которая не обязательно должна быть предельно возможной;

- изолинии скорости в струях источников являются также изолиниями мутности воды;

- струи источников не могут затапливать берег.

Фоновая мутность воды С определяется по известной формуле К.И.Россинского (Россинский К.И., Дебольский В.К., 1980):

C = Kmlf/(dW), (14)

где Кт - эмпирический коэффициент, лежащий в пределах 0.3 - 0.03 и определяемый в процессе калибровки модели, U - осредненная по глубине мгновенная максимальная горизонтальная скорость жидкости, d - глубина в данной точке, W- гидравлическая крупность донных наносов.

Дополнительная мутность воды определяется в зависимости от параметров струи впадающих в море водотоков(Альтшуль А.Д., 1987):

• Полутолщина струи

В = (0.24Х/Во + 1) В0, (15)

где X - расстояние от оголовка (устья) источника, В0 - полутолщина струи на выходе из оголовка (устья) источника.

• Скорость на оси основного участка струи

Umax = 1.2U0 / (0. IX/В0 + 0.41)05, (16)

где Uо - скорость на выходе из источника.

• Расход на основном участке струи

ö = l-2Qo(0.1 X В0 + 0.41)° 5, (17)

где Qo - расход на выходе из источника.

• Скорость в любой точке струи

U=Umax(l-NL5)2, (18)

где N - относительное расстояние от точки до оси струи.

• Определение траектории струи в сносящем потоке

X = Da(ql/q2)u(Y/Da)2 + (Y/DJctgfa).

(19)

где Da - эквивалентный (гидравлический) диаметр начального сечения струи; а - угол между струей и осью ОХ на выходе, ql = W2 / 2, q2 = U02/2, W- скорость сносящего потока.

Для решения задач распространения загрязнений при отсыпке искусственных пляжей, дноуглублении акватории и дампинге грунта дноуглублений применяется математическая модель, учитывающая следующие существенные особенности рассматриваемого явления (Озмидов Р.В., 1986, Архипов Б.В. и др., 1989, 2000, 2005):

- турбулентный характер переноса взвешенных веществ в рассматриваемой шельфовой области, приводящий к явной зависимости коэффициента горизонтальной диффузии от линейного размера «облака» загрязнения.

- временную изменчивость скорости течения, как по величине, так и по направлению;

- возможность перемещения источника взвешенных веществ в течение проведения работ.

При описании распространения взвешенных веществ можно выделить две качественно различные области: ближнюю зону, размеры которой определяются характеристиками источника взвеси, и дальнюю зону.

Задача математического моделирования адвекции-диффузии тяжелых растворов рассмотрена на конкретном примере возможных аварийных разливов буровых растворов при бурении разведочной нефтяной скважины в Азовском море.

Расчет дрейфа нефтяного пятна в прибрежной зоне под действием течений выполняется при следующих предположениях:

- после разлива нефтепродукта на поверхности моря, он испытывает растекание по поверхности моря и снос суммарным течением;

- при штилевых условиях (или близких к ним) растекание происходит до пленки толщиной ТттШ = 100 мкм = 0.0001 м (Смирнов Г.Н., 1987);

- при штормовых условиях (he <= 1.0 м), нефть растекается практически мгновенно на площади S„ped = W / Т^тт2 и в дальнейшем это пятно дрейфует по направлению течения, При этом минимальная толщина пленки Tmmi„2 = 1 см = 0.01 м.

При данных допущения автором разработан следующий алгоритм решения задачи:

• Время шторма делится на i временных интервалов;

• Рассчитываются исходные координаты точек пятна;

• Рассчитываются компоненты скорости течения в точках;

• Рассчитываются новые координаты точек;

• Рассчитывается новая площадь пятна разлива.

Расчет химического загрязнения действующих пляжей выполняется при следующих предположениях:

- До начала купания морская вода имеет некоторое фоновое загрязнение С0.

- Дополнительное загрязнение морской воды в зоне рекреационных пляжей Слг пропорционально количеству отдыхающих одновременной загрузки пляжа N.

Тогда полное загрязнение морской воды в прибрежной рекреационной зоне в штилевых условиях будет определяться выражением:

Споли. = С0 + См.. (20)

В четвертой главе «Концепция, структура и состав автоматизированной системы прогноза качества воды в прибрежной зоне», используя выше изложенные данные и при помощи основного технического средства переработки информации - ЭВМ, была разработана автоматизированная система прогноза качества воды.

Задача математического моделирования распространения загрязнений в прибрежной зоне любого бесприливного водоема раскладывается на три составляющие:

-формирование цифровой модели местности для исследуемого участка побережья;

- моделирование гидродинамики прибрежной зоны;

- моделирование распространения загрязнений в прибрежной зоне от источников различных типов и мощностей.

Разработанная на основе изложенных математических моделей автоматизированная система прогноза качества воды (АСКВ) представляет собой объектно-ориентированную систему, обеспечивающую прогноз распространения загрязнений в прибрежной зоне во времени и пространстве, причем как в естественном состоянии, так и под влиянием антропогенных воздействий.

Система состоит из трех основных частей: база данных, моделирующая система, интеллектуальный интерфейс связи.

Схематично порядок работы системы можно представить в следующей последовательности (рис. 1). Имеется природный объект, в данном случае -побережье. В автоматизированном банке данных имеется информация об объекте в виде цифровой модели местности. Задаются текущие или прогнозируемые характеристики источников загрязнений прибрежной зоны, а также прогноз гидрометеорологической ситуации. Указанная информация через интеллектуальный интерфейс передается в базу данных, а затем - в прогностическую часть системы. В результате производится прогноз гидродинамических характеристик прибрежной зоны, и распространения загрязнений во времени в естественных (существующих) условиях.

Рис. 1. Схема функционирования АСКВ

В случае, если требуется изменение естественного хода процесса, Лицо принимающее решения формирует ряд возможных вариантов воздействия на объект (изменение характеристик источников загрязнений, прекращение эксплуатации пляжной зоны и т.п.). Последствия воздействия анализируются прогностической системой. В результате выдаются варианты последствий воздействия. Пользователь принимает управленческое решение о варианте воздействия. Решение выполняется. За результатом воздействия ведутся наблюдения, данные которых вновь поступают в Автоматизированный банк данных и к пользователю. Пользователь принимает решение о прекращении, изменении или продолжении воздействия. Во всех случаях решение анализируется прогностической частью системы, корректируется, выполняется и т.д.

В пятой главе «Практическое применение разработанной автоматизированной системы», представлены выполненная автором калибровка математической модели динамики разлива нефтепродукта и моделирование распространения взвеси и примеси от трех основных источников: водовыпуска, впадающей в море реки и аварийного разлива буровых растворов. Указанные расчеты выполнялись для обоснования оптимальных параметров проектируемых гидротехнических сооружений.

Калибровка математической модели динамики разлива нефтепродукта, выполнялась по данным аэрофотосъемки, предоставленным Сочинским Центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Черного и Азовского морей (СЦГМС ЧАМ).

В июне - августе 2004 г. СЦГМС ЧАМ совместно с ААНИИ проводил аэрофотографический мониторинг загрязнений прибрежной зоны моря в пределах всего Краснодарского края.

В рамках этой работы был выполнен натурный эксперимент по изучению динамики разлива нефтепродукта в прибрежной акватории Черного моря, расположенной к западу от бухты Голубой (вблизи г. Геленджика - рис. 2).

Рис. 2. Общий вид экспериментального участка

В процессе расчетов для калибровки модели варьировались величины калибровочных коэффициентов.

На рис. 3 показано сопоставление результатов расчетов после калибровки модели с данными эксперимента. Из этого рисунка следует, что после калибровки модели, результаты расчетов удовлетворительно соответствуют результатам эксперимента.

Рис. 3. Сопоставление результатов расчетов динамики нефтяного загрязнения с

данными эксперимента

Рис. 4. Схема расположения сооружений причала 1а

В качестве примера расчета распространения взвеси от речного водотока приводится расчет заносимости речными наносами акватории причала № 1а в порту Туапсе рис. 4.

На выходе в море речной поток превращается в турбулентную инерционную струю. Трение о дно и взаимодействие с морской водой приводит к общему уменьшению скорости струи и ее растеканию, а вдольбереговое течение - к сдвигу оси струи. Речные наносы, попадая в область скоростей, меньших сдвигающей, начинают аккумулироваться в виде конуса выноса.

Был выполнен расчет распространения паводочной струи р. Туапсе в прибрежной зоне моря при ветре от ЮВ со скоростями 10 м/с и 15 м/с. Расчет выполнен для паводков 1% и 50% обеспеченности. При этом принимались

значения расходов воды: расход 50% обеспеченности - 350 м3/с, расход 1% обеспеченности - 1270 м3/с. Мутность воды во время паводка принималась равной 15 кг/м3. Пример расчета для паводка 1% обеспеченности на р. Туапсе приведен на рис. 5.

обеспеченности при ветре от ЮВ со скоростью 15 м/с

Из приведенных результатов расчетов следует, что основная паводочная струя р. Туапсе не проникает на операционную акваторию причала 1а даже при ветре от ЮВ со скоростью 15 м/с (сильный боковой снос струи). Тем не менее, заносимость акватории имеет место. Поэтому были даны рекомендации по эксплуатационным дноуглубительным работам.

В качестве следующего примера практического применения программного комплекса, представлено определение оптимальной длины реконструируемого водовыпуска.

По подводному выступу, сложенного аллювиальными отложениями каньона «Нового» в Имеретинской низменности Адлерского района г. Сочи проектировался новый глубоководный водовыпуск. Выпуск был запроектирован из стальных труб диаметром 1220 мм с толщиной стенок 14 мм. Проектная длина выпуска от уреза моря составляла порядка 1600 м, длина рассеивающего оголовка из 30 конфузоров составляла 130 м, оголовок выходил на глубину 100 м.

Такая глубина расположения оголовка исключала возможность его обустройства водолазами. Поэтому было выполнено моделирование для определения оптимальной длины водовыпуска с тем, чтобы с одной стороны по

возможности сократить его длину, а с другой - предотвратить возможность попадания сточных вод в прибрежную зону рекреационного водопользования.

По результатам выполненных расчетов для моделирования распространения сточных вод в прибрежной зоне приняты направления ветра от Юга со скоростью 10 м/с продолжительностью 12 часов и Запада со скоростью 8 м/с продолжительностью 11 часов.

Далее был выполнен расчет полей суммарных (волновых, дрейфовых и градиентных) течений для принятых скоростей, направлений и продолжительностей действия ветра, который показал, что при расчетных скоростях ветра, скорости суммарных течений вне зоны разрушения волн, где располагается оголовок водовыпуска, составляют порядка 0.2 - 0.3 м/с.

По результатам многовариантного моделирования приемлемые результаты были получены при длине водовыпуска 940 м с выходом его оголовка на глубину 35 м. Результаты расчетов для рекомендуемой длины водовыпуска приведены на рис. 5.31 — 5.33 в 5 главе диссертационной работы.

Следующей задачей, в которой был апробирован данный программный комплекс, являлось моделирование распространения загрязнений при аварийных разливах буровых растворов поисково-оценочной скважины в Темрюкском заливе Азовского моря. Результаты приведены в 5 главе диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Проанализированы, систематизированы и алгоритмизированы теоретические основы математического моделирования процессов адвекции и диффузии загрязняющих веществ в прибрежной мелководной зоне.

2. В результате анализа установлено, что в зависимости от гидрометеорологической ситуации над водоемом, его гидрохимического и температурного режима, в процессе распространения загрязнений определяющую роль могут играть как факторы турбулентной диффузии, так и адвективный перенос.

3. Проведён анализ и построена система основных гидродинамических факторов, которые осуществляют перенос примесей и взвеси в прибрежной зоне моря.

4. Математически описаны генерация волн ветром, их трансформация в прибрежной зоне моря, а также волновые, дрейфовые и градиентные поля течений, которые образуют в совокупности суммарные течения в прибрежной зоне моря.

5. Определены основные математические модели, позволяющие выполнять расчеты загрязнения прибрежной зоны моря от следующих основных источников:

•Глубоководные выпуски сточных вод.

•Струи водотоков, впадающих в прибрежную зону моря.

•Минералогическое и химическое загрязнение морской воды при дноуглублении акваторий портов, строительстве подходных каналов, отсыпке новых и эксплуатационном пополнении существующих пляжей.

•Аварийный разлив нефтепродукта в прибрежной зоне.

•Химическое загрязнение рекреационных пляжей.

•Адвекция-диффузия тяжелых растворов при бурении разведочных и эксплуатационных скважин на морских акваториях.

•Загрязнение рекреационных пляжей в процессе их эксплуатации рекреантами.

6. Разработаны математические модели и реализующие их программные средства для расчетов загрязнения прибрежной зоны моря от всех основных источников. Это позволило разработать комплексную моделирующую систему прогноза и экологического мониторинга качества воды в прибрежных зонах.

7. На основе специального эксперимента, выполненного Сочинским центром по гидрометеорологии и мониторингу Черного и Азовского морей совместно с Арктическим и антрактическим научно-исследовательским институтом в августе 2004 г. автором была произведена калибровка модели распространения разлива нефтепродукта, в ходе которой получено удовлетворительное соответствие результатов расчетов с экспериментальными данными.

8. Разработанная автоматизированная система прогноза качества воды в прибрежной зоне моря может применяться для обширного круга задач морской гидротехники и экологии, что подтверждено примерами её использования для проектирования следующих объектов:

- причал 1а в порту в Туапсе, где оценивалась возможность заносимости акватории причала твердым стоком реки Туапсе;

- водовыпуск Адлерских очистных сооружений, где оптимизировалась длина водовыпуска по экологическим показателям в условиях сложного рельефа дна;

- разведочная скважина в Азовском море, где оценивалась возможность загрязнения морской воды при аварийных разливах буровых растворов.

Опубликованные работы автора по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Иванов A.B., Макарова И.Л. Организация экологического мониторинга Имеретинской низменности в условиях строительства и эксплуатации Олимпийских объектов// Вестник МГСУ. * Спецвыпуск № 1 / 2010. - М.: МГСУ с.43 —49.

2. Иванов A.B. Расчет распространения нефтяного разлива в морской акватории// Обозрение прикладной и промышленной математики, Том 18, вып. 2, 2011, с. 45-46.

3. Иванов A.B., Макаров К.Н. Математическая модель динамики разлива нефтепродукта// Известия СГУ, № 3,2012. - Сочи, СГУ, с. 106 - 113.

Публикации в других научных изданиях:

4. Иванов A.B. Математическое моделирование распространения нефтяных загрязнений в прибрежной зоне моря// Строительство в прибрежных курортных регионах. - Материалы 5-й международной научно-практической конференции, г. Сочи 17 - 21 мая 2008 г., с.85 - 88.

5. Иванов A.B., Макарова И.Л., Макаров К.Н., Фетисова A.M. Бондарева Е.В. Разработка методологии и математических моделей прогноза качества воды в прибрежной зоне моря. Отчет по НИР// Сочи, СГУТ и КД, 2008.

6. Иванов A.B., Макарова ИЛ., Макаров К.Н. Программа экологического мониторинга объектов инженерной защиты побережья Имеретинской низменности в городе Сочи. Ч. 1// Журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», Ч 1, № 9 (128), 2009, с.42 - 43.

7. Иванов A.B., Макарова И.Л., Макаров К.Н. Программа экологического мониторинга объектов инженерной защиты побережья Имеретинской низменности в городе Сочи. Ч. 2// Журнал «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века», Ч 2, № 10 (129), 2009, с.40 - 43.

8. Иванов A.B., Макаров К.Н. Влияние гидротехнических сооружений на вдольбереговой транспорт наносов и динамику берегов. - Геология, география и экология океана. - Материалы Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дна рождения Д.Г.Панова, Ростов-на-Дону, 8-11 июня 2009 г., с. 216-219.

9. Иванов A.B., Макарова И.Л. Экологический мониторинг параметров окружающей среды при инженерной подготовке территории Имеретинской низменности в г. Сочи к строительству Олимпийских объектов// Строительство в прибрежных курортных регионах. - Материалы 6-й международной научно-практической конференции, г. Сочи 17 - 21 мая 2010 г., с.196- 200.

10. Иванов A.B. Расчет течений прибрежной зоны моря// Строительство в прибрежных курортных регионах. - Материалы 6-й международной научно-практической конференции, г. Сочи 17 - 21 мая 2010 г., с.139 -141.

11. Иванов A.B., Секурова З.А., Макаров К.Н. Научное обоснование необходимой длины глубоководного водовыпуска Адлерских очистных сооружений. - Материалы II международной научно-практической конференции «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления», Туапсе, 4-8 октября 2011 г., с. 283 - 285.