Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Прогностические модели миграции загрязняющих веществ в окружающей среде от расположенных в районах водоемов источников

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Прогностические модели миграции загрязняющих веществ в окружающей среде от расположенных в районах водоемов источников"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

г ■ 0 д ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

. . 1

Новицкий Михаил Александрович

ПРОГНОСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ МИГРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ ОТ РАСПОЛОЖЕННЫХ В РАЙОНАХ ВОДОЕМОВ ИСТОЧНИКОВ

04.00.23 - физика атмосферы н гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена в Институте Экспериментальной Метеорологии НПО "ТАЙФУН" Роскомгидромета.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Е.Алоян доктор физико-математических наук Н.Л.Вызова доктор физико-математических наук Н.Ф.Вельтшцев

Ведущая организация. Физико-химический институт им. Л.Я.Карпова

Защита состоится "д "¿¿¿¿>//£>1997 года в /£час. на заседании Диссертационного Совета Д.053.05.81 в Московском Государственном Университете им. М.В.Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, Физический факультет МГУ, аудитория № .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан О 4_1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

В.Б.Смирнов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность гсмы. Лучшее понимание судьбы и путей миграции химикатов, поступающих в окружающую сред}' вследствие техногенной деятельности, позволяет более точно оценивать и контролировать их результирующее воздействие на природ}' и человека. Математические модели являются мощным инструментом исследования такой миграции.

В последнее время растет интерес к исследованиям особенностей распространения загрязняющих веществ в пространственно-неоднородных услов1их. Это вызвано тем обстоятельством, что хотя земная поверхность в основном является неоднородной, большинство разработанных до настоящего времени моделей миграции химикатов предполагают се горизонтальную однородность. Процессы распространения и рассеяния загрязняющих веществ в пространственно-неоднородных районах сильно отличаются от рассеяния в однородных условиях. Если для таких районов использовать существующие методы расчета переноса для равнинной местности, то расчетные значения концентрации могут отличаться от измеренных в 10-15 раз. Кроме того, существенная пространственная неоднородность метеорологических полей в условиях сложной орографии не позволяет ограничиться минимальным набором метсопараметров, обычно используемым для описания процессов рассеяния загрязняющих веществ в равнинных районах.

Модели, обычно используемые для расчетов рассеяния загрязняющих веществ в поверхностных водах, требуют большого числа входных параметров и малощмггодны для подготовки прогностических или диагностических расчетов без предварительной калибровки. Такие модели практически невозможно использовать, если доступна только стандартно получаемая на метеостанциях и гидрологических постах информация.

Теоретическим и экспериментальным исследованиям переноса загрязняющих веществ в условиях пространственной неоднородности в последнее время уделяется достаточно большое внимание. Однако сложность и многопараметричность процессов рассеяния в таких условиях не позволяет построить всеобъемлющую модель, которой описывались бы все эффекты, вызванные действием пространственной неоднородности.

Большой вклад в развитие методов расчета распространена примесей в окружающей среде внесен работами отечественных исследователей А.Е. Алояна, М.Е. Берлянда, H.JL Бызовой, Е.К. Гаргера, E.JI. Гениховича, Ю.А. Израэля, Г.И. Марчука, A.C. Монина, A.M. Обухова. В В. Пененко. А.Я. Прессмана, A.M. Яглома и др.

Цель работы. Основной целью исследований, результаты которых изложены в данной работе, была разработка математических подходов и способов прогнозирования переноса и транс(]юрмацни загрязняющих веществ в условиях,

когда нельзя пренебрегать пространственной неоднородностью окружающей среды. При этом основными задачами работы являлись следующие: выявление основных механизмов, имеющих определяющий вклад в переносе загрязняющих веществ в окружающей среде в условиях, когда необходим учет влияния водоемов на такой перенос, разработка математических методов параметризации этих механизмов; создание физико-математических моделей различных типов течений и переноса загрязняющих веществ в этих течениях; построешгс численных алгоритмов и их компьютерная реализация; верификация разработанных моделей путем сравнения с данными экспериментов и иллюстрация возможностей их практического использования; демонстрация возможностей моделей для решения ряда конкретных прикладных задач.

Научная новизна определяется следующим.

Впервые разработана математическая модель бризовой циркуляции с достаточной степенью пространственного и временного разрешения для описания как средней картины поля течения, так и таких деталей, как зона фронта бриза, термический внутренний пограничный слой. С ее помощью выявлены неизвестные ранее закономерности течения в зоне, охватываемой бризовой циркуляцией. Это особенности влияния крупномасштабного фонового ветра на основные характеристики бризовой циркуляции, показано, что такое влияние существенно нелинейно. Впервые теоретически обнаружена при помощи разработанной модели тонкая структура поля течения впереди фронта бриза - система циркуляционных ячеек, которые существенным образом изменяют процессы тепломассопереноса в области фронта бриза, определены значения внешних параметров, при которых происходит их возникновение.

Разработана математическая модель переноса примесей в условиях бризовой циркуляции, которая позволила выявить роль неоднородности полей ветра и турбулентности в условиях бриза на характеристики рассеяния примеси. Показано, что наибольшую роль в рассеянии загрязняющих веществ в зоне, охватываемой бризовой циркуляцией, играет неоднородность и нестационарность полей ветра, вклад турбулентного перемешивания при этом относительно меньше. Продемонстрировано, что фронт бриза является эффективным барьером на пути проникновения загрязняющих веществ вглубь суши.

Теоретически исследованы условия обострения или ослабления фронта циркуляционного течения, вызванного действием силы плавучести, влияние на это интенсивности турбулентности, пространственного распределения плотности среды.

На основе проведения специальных измерений показано, что при формировании загрязнения рек долгоживущими радионуклидами влияние неоднородностей загрязнения прилегающей к реке территории (или донных отложений) из-за процессов сорбции и седиментации-взмучивания протирается

только на небольшое расстояние. Теоретически выявлена и подтверждена по данным натурных измерений переноса долгоживущнх радионуклидов в поверхностных водах роль седиментационно-эрозшнных и еорбционно-десорбционных процессов как факторов, определяющих степень изменения по отношению к скорости водного потока скорости миграции сорбирующихся загрязняющих веществ вдоль русла реки или по поверхности водосборов. Получено уравнение, позволяющее рассчитывать степень замедления скорости переноса сорбирующихся химикатов вдоль реки (или поверхности водосбора) по отношению к скорости водного потока. При этом показано, что эффективная скорость переноса долгоживущнх радионуклидов вдоль реки (или вдоль поверхности водосбора) уменьшается во много раз по сравнению со скоростью водного потока.

Теоретически показано и подтверждено данными наблюдений . что периодические колебания концентрации в водоеме, связанные с сезонной периодичностью поверхностного смыва, приводят к таким же колебаниям конценграшш в верхнем слое донных отложений, однако в донных отложениях эти колебания затухают с глубиной. Глубина проникновения колебаний в слой донных отложений и их фаза определяются эффективным коэффициентом диффузии, т.е. зависят от характеристик донных отложений и физико-химических свойств мигрирующего радионуклида..

Научная обоснованность п достоверность. Достоверность положений и выводов работы подтверждается сравнением полученных результатов с материалами наблюдений. Некоторые результаты нашли подтверждение в более поздних исследованиях. Достоверность численных расчетов обеспечивается их сопоставлением с экспериментальными результатами и с известными аналитическими решениями ряда частных задач.

Научная и практическая значимость. Результаты работы представляют собой новое крупное достижение в развитии перспективного научного направления, связанного с изучением механизмов переноса загрязняющих веществ в окружающей среде в нестационарных и пространственно-неоднородных условиях и созданием методов расчета переноса загрязняющих веществ в таких условиях. Разработанные математические модели переноса и рассеяния загрязняющих веществ в условиях пространственной неоднородности и найденные с их помощью закономерности переноса и рассеяния загрязняющих веществ в таких условиях образуют научную основу для разработки практических способов прогноза таких процессов.

На основе результатов исследовании предложены и использовались при работах по ликвидации последствий Чернобыльской аварии способы прогноза загрязнения поверхностных вод.

Результаты расчетов по исследованию переноса примеси в условиях бриза использованы в руководящем документе Госкомгидромета, ряд результатов

исследований по моделированию миграции радионуклидов в поверхностных водах вошли в руководящий документ Госкомгидромета и в руководство Всемирной Метеорологической Организации.

Основные положения, выносимые на защиту, состоят в следующем. 1. Адекватность полученных результатов исследований специфических характеристик течений в области фронта бризовой циркуляции и формирования внутреннего термического пограничного слоя при бризах. 1. Основные принципы построения математической модели для расчетов рассеяния загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от источников произвольного размера, формы и времени действия, в условиях бризов. Результаты анализа при помощи этой модели роли неоднородности полей ветра и турбулентности на характеристики рассеяния примеси в различных характерных для бризов зонах и на различных этапах развития бриза.

3. Роль седиментационно-эрозионных и сорбционно-десорбционных процессов как факторов, определяющих степень изменения по отношению к скорости водного потока скорости миграции сорбирующихся загрязняющих веществ вдоль русла реки или по поверхности водосборов. Обоснование наличия такого замедления при переносе радионуклидов (или гидрофобных химикатов) вдоль речного русла и метод вычисления средней скорости такого переноса и определение фактора замедления в процессах переноса водным потоком сорбирующихся загрязняющих веществ по поверхности водосборов.

4. Результаты расчетно-теоретических исследований механизма формирования уровней радиоактивного загрязнения поверхностных вод с учетом влияния сезонных колебаний поверхностного смыва радионуклидов на их распределение в слое донных отложений водоемов.

5. Комплекс математических моделей для краткосрочного (сезон) и долгосрочного (годы) прогноза загрязнения долгоживущими радионуклидами основных рек на территориях, подвергшихся влиянию Чернобыльской аварии. Результаты использования моделей для прогнозов загрязнения основных рек зоны влияния Чернобыльской аварии.

Изложенные в работе результаты получены в 1974-1993 гг. в Институте экспериментальной метеорологии в ходе выполнения плановых НИР, в том числе заданий "Комплексной программы научно-исследовательских работ по оценке и прогнозированию радиационной обстановки в зоне аварии на Чернобыльской АЭС на 1986-1990 гг.", "Государственной союзно-республиканской программы неотложных мер на 1990-1992 гг. по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС", раздел 1, Постановления ГКНТ N 140 от 08.05.85, тем 5.1.5.2 и 4.2.5 Государственной научно-технической программы "Экология России".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Всесоюзной конференции

по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и пограничном слоях атмос<}>еры (Обнинск 1981); Всесоюзном семинаре "Методы математического моделирования, экспериментального исследования и прикладные аспекты турбулентной диффузии в атмосфере" (Новосибирск 1983); Международной конференции ВМО по моделированию загрязнения атмосферы и его применениям (Лешшград, 1986); советско-американском симпозиуме "Поведение пестицидов и химикатов в окружающей среде" (Айова-Сити, США, 1987); Всесоюзной конференции "Радиационные аспекты Чернобыльской аварии" (Обнинск 1988); II заседании рабочей группы ВМО по выбросам опасных веществ в атмосферу (Кнев, 1988); III Всесоюзном симпозиуме "Изотопы в гидросфере" (Каунас, 1989); I Всесоюзном радиобиологическом съезде (Москва, 1989); Международном семинаре "Современные методы математического моделирования распространения примесей в атмосфере при нарушении нормальных условий эксплуатации АЭС" (Москва, 1989); III Международной конференции "Поддержка систем принятия решений на аварийно опасных объектах" (Шлосс-Элмау, Бавария, 1992), конференции "Миграция радионуклидов в водных системах" (Обнинск, 1993), Всероссийской конференции "Радиоэкологические, медицинские и социально-экономические последствия аварш! на Чернобыльской АЭС" (Голнцино, 1995), международной конференции "Воздействие атомных электрических станций и других радиационно-опасных объектов на гидрологический цикл и водные ресурсы" (Обнинск, 1996).

Начиная с 1986 года подготавливались прогнозы вторичного радиоактивного загрязнения основных рек в результате паводков и половодий на территориях, подвергшихся влиянию аварии на Чернобыльской АЭС и давались оценки и предложения по проведению водоохранных мероприятий. Результаты прогнозов представлялись в Правительственную комиссию.

По теме диссертации опубликовано более 50 работ, включая материалы конференций.

Ряд результатов работы вошли во всесоюзные руководящие документы и в руководство ВМО.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Основная часть диссертащш содержит 239 страниц текста, включая 55 рисунков. Список цитированной литературы включает 185 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели предпринятого в диссертации исследования, отмечаются степень новизны и практическая ценность работы.

Первая глава диссертации имеет в основном обзорный характер. В ней

приведена информация о современном состоянии и уровне работ в области математического моделирования миграции загрязняющих веществ в окружающей среде.

Рассеяние загрязняющих веществ в атмосфере в районах со сложной орографией сильно отличается от рассеяния в однородных условиях. Если для таких районов использовать существующие методы расчета для равнинной местности, то расчетные значения концентрации могут отличаться от измеренных в 10-15 раз. Кроме того, существенная пространственная неоднородность метеорологических шлей в условиях сложной орографии ке позволяет ограничиться минимальным набором метеопараметров, обычно используемым для описания процессов рассеяния загрязняющих веществ в равнинных районах.

Модели, используемые для расчетов рассеяния загрязняющих веществ в поверхностных водах, требуют большого числа входных параметров и малопригодны для подготовки прогностических или диагностических расчетов без предварительной калибровки. Такие модели практически невозможно использовать, если доступна только стандартно получаемая на метеостанциях и гидрологических постах информация.

Сложность математического моделирования формирования загрязнения поверхностных вод связана с тем, что необходимо одновременно описывать процессы, имеющие существенно разные временные масштабы: 1) процесс переноса, определяемый скоростью движения воды; 2) процесс переноса, определяемый характерными временами сорбционных и десорбционных процессов (к тому же обычно это набор времен, т.к. характерные времена для различных форм нахождения различны); 3) процесс переноса, связанный с каскадным повторением процессов сорбции-десорбции и взмучивания-осаждения взвеси. Все это требует использования для математического описания специальных математических методов и производительных компьютеров.

Встает поэтом}' задача разработки таких математических моделей и методов расчета, которые: 1) основывались бы на современном уровне знаний о процессах миграции химикатов в окружающей среде; 2) использовали бы разумное количество входных параметров; 3) мало зависели от произвола, связанного с полуэмпирическим характером математического описания многих процессов в окружающей среде; 4) не требовали бы предварительной калибровки.

Вторая глава диссертации посвящена предварительной формулировке гидродинамической модели для расчета течений в условиях пространственной неоднородности поля температуры, количественному анализу различных механизмов формирования концентрации загрязняющих веществ в атмосфере и сравнению достоинств различных методов параметризации турбулентности в моделях переноса загрязняющих веществ в атмосфере.

Большое значение для метеорологических условий прибрежных районов имеют бризы, представляющие собой одну из разновидностей так называемых гравитационных течений, т.е. вызванных действием силы плавучести. Ряд ключевых особенностей гравитационных течений исследовались в лабораторных условиях в водных каналах. Преимуществом таких экспериментов по сравнению с натурным является возможность полного контроля необходимых параметров. Лабораторную модель поэтому можно использовать для проверки способности математической модели воспроизводить такие особенности гравитационных течений, для которых практически очень трудно получить данные из натурных наблюдений.

Первый раздел рассматриваемой главы посвящен формулировке математической модели, способной описывать наблюдавшиеся в экспериментах ключевые особенности гравитационных течений, в особенности связанные с формированием и движением фронта течения и проверке ее способности воспроизводить данные лабораторных экспериментов. В данных условиях, как и при моделировании бризов, гидростатическое приближение не является пригодным, поскольку характерный горизонтальный масштаб - протяженность фронта гравитационного течения - порядка его вертикального масштаба. Рассмотрен двухмерный случаи, поскольку в экспериментах использовалось именно такая геометрия. Поэтому для анализа использовались следующие уравнения:

0)

ди п

— +■--0,

--и,

Эх дг

где и и 1г компоненты средней скорости течения по осям х, 2. Предполагается,

что ось х направлена вдоль камеры, ось ъ вертикальна, кх и к, - горизонтальная и вертикальная компоненты коэффициента диффузии импульса, кх' и кг' -горизонтальная и вертикальная компоненты коэффициента теплопроводности, 7" - отклонение температуры от фоновой температуры Т, р- коэффициент теплового расширения воды, Р '-отклонение давления от фонового значения Р.

Для решения системы уравнений (1) использовались конечно-разностные методы совместно с методом интегральных преобразований. Особое внимание при выборе численных способов решения уравнений уделялось тому, чтобы использовать методы, обладающие минимально возможной псевдовязкостью: в противном случае невозможно обеспечить требуемое пространственное разрешение модели. Шаги сетки и количество узлов также выбирались исходя из условия получения необходимого пространственного разрешения.

Исследованы возможности модели воспроизводить особенности гравитационного течения. Получено, что течение плотной жидкости имеет четко выраженный фронт. Распределение скоростей течения носит циркуляционный характер, в нижней части камеры скорость направлена в сторону менее плотной жидкости, в области фронта происходит подтекание более плотной жидкости под менее плотную, скорости поворачивают вверх и в обратном направлении.

Для сравнения с данными лабораторных экспериментов при помощи математической модели изучено влияние различных уровней моделируемой турбулентности на скорость перемещения фронта гравитационного течения при тех же значениях параметров, что и в лабораторных экспериментах. Получено хорошее совпадение результатов. На начальном этапе движения скорость фронта следует закономерностям, имеющим место для ламинарного движения, однако далее по мере возрастания влияния турбулентности происходит замедление его движения. Замедление происходит тем раньше, чем меньше начальная разность плотностей. Это объясняется тем, что на формирование фронта влияют два фактора: вертикальное турбулентное перемешивание и разность давлений.

В лабораторных экспериментах было показано, что при нелинейном начальном продольном распределении плотности жидкости в процессе движения происходит обострение фронта течения. Этот эффект также анализировался при помощи рассматриваемой математической модели путем задания, как и в одном из вариантов лабораторных экспериментов, ступенчатого начального распределения плотности. При этом также было получено хорошее совпадение с данными экспериментов.

Проведенное успешное сопоставление получаемых с помощью модели результатов с данными лабораторных экспериментов по исследованию гравитационных течений подтвердило корректность используемых приближенных методов решения уравнений, что позволяет использовать модель как для анализа характеристик течений подобного рода в различных условиях, так и для расчетов характеристик бризов. Помимо зтого, продемонстрировано,

что моделью правильно воспроизводятся зависимости основных характеристик течения от внешних условий. При помощи модели исследованы особенности распределения полей скорости в зависимости от времени, что очень сложно сделать в эксперименте. Важное значение имеет способность модели количественно правильно отражать влияние турбулентного трения на движение фронта гравитационного течения. Все это свидетельствует о правильности подходов, положенных в основу разработки модели циркуляции для прибрежных районов.

Далее в этой главе рассмотрено влияние различных методов параметризации турбулентности на степень неопределенности в расчетах переноса примесей в представляющих интерес диапазонах расстояний. Степень изученности турбулентных движений такова, что при их математическом описании используется преимущественно полуэмпирический подход, из-за чего существуют различные подходы к параметризации турбулентных потоков, результаты использования которых далеко не всегда совпадают. Поэтому возникает естественный вопрос, в какой мере результаты расчета переноса загрязнителей зависят от такого произвола и не существует ли определенных диапазонов значений параметров, при которых результаты практически не зависят от такого произвола, а также насколько существенных расхождений можно ожидать от использования различных методов параметризации.

Проведенное исследование возможностей и преимуществ в расчетах переноса примесей различных предложений по параметризации турбулентных потоков (методов нелокальной параметризации, введение при задании коэффициентов турбулентности зависимости и от высоты, и от времени переноса) загрязняющих веществ показал, что с точки зрения доступной практически точности расчетов концентрации использование таких подходов не дает никаких преимуществ перед обычно используемой градиентной гипотезой.

Известно, что степень обоснованности параметризащга вертикального турбулентного рассеяния в существующих моделях переноса примеси выше, чем горизонтального. Вместе с тем помимо горизонтального турбулентного перемешивания существует и ряд других механизмов, которые приводят в неоднородных полях скорости к значительному' горизонтальному рассеянию загрязнителей. Среди них так называемая "сдвиговая диффузия", когда неоднородность средней скорости потока по вертикали и вертикальное перемешивание приводят к горизонтальному расширению облака загрязнителя. К существенному горизонтальному расширению облака загрязнителей может приводить также неоднородность и нестационарность поля средней скорости потока, поскольку в разных частях такого потока переносимые частицы загрязнителя проходят разный путь. В диссертации выполнен анализ, насколько эти механизмы могут быть существенными и уточнены диапазоны расстояний, для которых такие механизмы играют определяющую роль. Проведенные

количественные оценки относительного вклада сдвигов ветра в рассеяние примеси показали, что сдвиги ветра играют определяющую роль в горизонтальном рассеян™ загрязнителей в атмосфере уже при небольших с точки зрения регионального переноса временах. Сделанные вычисления также показывают, что времена рассеяния, для которых влияние приподнятой инверсии на рассеяние примеси является существенным, попадают в диапазон времен рассматриваемого в диссертации регионального рассеяния примеси. Это означает, что все эти эффекты необходимо учитывать при рассмотрении рассеяния примеси в условиях побережий в региональном масштабе.

Для анализа использовался ряд моделей стационарного атмосферного пограничного слоя, параметризация турбулентности выполнялась при помощи методов первого и второго порядка. Для расчетов характеристик переноса примеси использовалась система уравнений для моментов концентрации.

Проделанный в рассматриваемой главе анализ позволил выполнить далее обоснованную формулировку математических моделей для расчетов распространения загрязнителей в условиях побережий.

В третьей главе диссертации рассмотрена проблема моделирования пограничного слоя атмосферы в условиях побережий крупных водоемов. Специфика метеорологических условий таких районов вызывает трудности при разработке модели, пригодной для расчетов распространения примеси: модель должна иметь хорошее разрешение по вертикали, чтобы воспроизводить образование внутреннего термического пограничного слоя (ВТПС); иметь хорошее разрешение по горизонтали, чтобы с достаточной точностью описывать область фронта бриза, горизонтальная протяженность которого несколько километров ( и это при общей протяженности зоны бризовой циркуляции порядка 100 км). На основе проведенного анализа современных представлений о механизмах, определяющих характеристики течения в таких условиях, сформулирована математическая модель бризовой циркуляции, существенным отличием которой от моделей других исследователей является высокое пространственно - временное разрешение, позволяющее описывать характерные масштабы задачи, при этом учтены основные физические механизмы, существенные с точки зрения описания рассматриваемых процессов.

Исходя из цели работы при выборе уравнений для моделирования бризовой циркуляции следует исходить из необходимости получения полей средней скорости ветра и коэффициента турбулентной вязкости. Последний должен вычисляться как функция полей скорости ветра и температуры. Для того, чтобы удовлетворить этим требованиям, в диссертации использована система уравнений мезометеорологического пограничного слоя атмосферы в следующем виде:

ди сФ А, Л/ I, д2и д . ди

— +и—— = --IЛ/-Л+ -+—/с,—,

сЧ дх дг дх 9 дх2 дг 2дг

М дх дг 9 дх2 дг 2дг

— и;———+д—+ ку-+—к,—,

с! 5х ст дг т Х?х2 дг г дг

(2)

дt дх дг

дх2 I дг

ди +0

дх дг

где и. у и - компоненты средней скорости ветра по осям х, у, Предполагается, что ось х направлена перпендикулярно береговой линии на сушу, ось /. вертикальна. и? и V,, - компоненты геострофического ветра соответственно в направлениях осей х и у. Г1 - параметр Кориолиса. кх и к2 -горизонтальная и вертикальная компоненты коэффициента вихревой вязкости. кх' и к/ -горизонтальная и вертикальная компоненты коэффициента турбулентной теплопроводности, 8=уа-у - параметр устойчивости, где у, -адиабатический градиент температу ры, у - градиент фоновой температуры. Т' -отклонение температуры от фоновой температуры Т, <р=11ТтР'/Р , где Л-газовая постоянная, Тт -средняя температура воздуха, Р' -отклонение давления от фонового значения Р.

В работе для замыкания системы уравнений (2) использовались основанные на Прандтлсвском подходе методы параметризации коэффициентов турбулентного обмена.

При проведегош анализа вводились характерные масштабы: длины Ь=А/8 и времени т=(ТП1^8)'2, где А - максимальное значение отклонения приземной температуры от температуры воды. (Отмстим, что предполагается 8>0. Если это не так при выбранной высоте слоя, в котором ищется решение, то высота слоя увеличивается). Масштаб длины - это величина порядка высоты конвективного

слоя, масштаб времени - величина, обратная частоте Брента - Вяйсяля. Из входных параметров задачи можно построить еще одну комбинацию, имеющую размерность длины, если умножить характерную скорость Ь/т на характерное время существования дневного бриза. Тогда получим Ь1=(А/£1)§,,2(Тт8)'1,/2. По физическому смыслу Ц - это величина, пропорциональная максимальному горизонтальному масштабу бриза.

Выполнено изучение поведения полей и,\\ компонент скорости ветра в различные моменты времени при различных значениях внешних параметров (амплитуды суточного хода температуры на берегу, параметра фоновой стратификации, геострофической скорости ветра). Получено, что при определенных значениях внешних параметров в области фронта бриза образуется система циркуляционных ячеек, благодаря чему происходит интенсивное вертикальное перемешивание, существенным образом влияющее на движение фронта бриза. Образование ячеек связано с тем обстоятельством, что в этом случае эффективное значение числа Рэлея Яа становится больше критической величины Яа^. Такой характер циркуляции в зоне перед фронтом бриза приводит к качественному измененению механизмов обмена импульсом и теплом между приземными слоями воздуха и слоями у верхней границы пограничного слоя - к процессам турбулентного обмена добавляется интенсивный обмен за счет конвективных движений.

Исследована зависимость положения фронта бриза от времени при различных значениях параметра фоновой стратификации 8. Получено, что скорость фронта бриза увеличивается по мере удаления от берега, причем она тем выше, чем менее устойчива фоновая стратификация. Изучена также зависимость положения фронта бриза от времени при различных значениях перпендикулярной берегу геострофической скорости ветра Ц,. (Положение фронта определялось по максимуму \у- компонента скорости ветра). Как и следовало ожидать, зависимость скорости фронта от ив ноент существенно нелинейный характер.

Детально рассмотрены особенности формирования ВТПС при бризах. Обнаружена качественно различная зависимость высоты ВТПС от фоновой стратификации на малых расстояниях от берега. Это объясняется тем, что на формирование границы ВТПС влияют два фактора: вертикальное турбулентное перемешивание и скорость ветра. Поэтому в утренние часы более быстрый рост высоты ВТПС при более устойчивой стратификации происходит за счет меньшего значения горизонтальной составляющей скорости ветра. В фиксированном пункте на берегу ( через который уже прошел фронт бриза) высота ВТПС уменьшается со временем, что хорошо согласуется с результатами экспериментов.

Выполнен также анализ зависимости расчетных характеристик ВТПС от способа параметршации турбулентности. Сравнительные расчеты показали, что

в целом рассматриваемые сравнительно простые параметризации турбулентности дают хорошо согласующиеся с данными измерений результаты при анализе поведения верхней границы ВТПС. Поэтом)' при достигнутом уровне экспериментальных исследований ВТПС вряд ли целесообразно использовать в моделях более сложную параметризацшо турбулентности, чем используемая.

Обычный недостаток подавляющего числа опубликованных моделей бризовой циркуляции - отсутствие какой-либо проверки соответствия получаемых результатов экспериментальным данным. Объясняется это во многом сложностью проведения соответствующих экспериментов и их дороговизной. Вместе с тем понятно, что без такой экспериментальной проверки математическая модель не может считаться заслуживающей доверия. В диссертации для проверки математической модели использовались данные уникального эксперимента, проводившегося в Южной Калифорнии (данные получены автором диссертации от американской стороны в рамках работ по советско-американскому проекту в области охраны окружающей среды 02.0331). В течение конца лета и начала осени 1980г там были проведены два специальных атмосферных диффузионных эксперимента. Для измерений атмосферной диффузии использовался трассер - шестифтористая сера и одновременно для обеспечения возможности интерпретации накапливаемых трассерных данных проводились интенсивные метеорологические исследования.

В диссертации выполнено детальное сравнение рассчитанных и измеренных профилей компонент скорости ветра для трех пунктов- Вентура. Оджап и Сими-Валлей. Получено расхождение значений в пределах точности измерений скорости ветра шаропилотным методом. Расхождения больше для верхних частей профилей, где большую роль в их формировании играют особенности крупномасштабного поля давления. Обратный дневной поток моделируется несколько хуже, чем прямой, из-за неточности в определении геострофической скорости ветра и вариаций давления синоптического масштаба. Согласие в определении высоты прямого потока вполне хорошее, особенно если учесть точность ее экспериментального определения ~1()0 м.

Четвертая глава диссертации посвящена теоретическому анализ) особенностей атмосферного распространения примесей в условиях бризовой циркуляции. Проделанный анализ опубликованных работ показал, что ввиду сложности распределения необходимых для расчетов рассеяния параметров, а также нестационарности происходящих в районах побережий водоемов процессов, нереально выполнение расчетов рассеяния примеси на основе только эмпирической информации о характеристиках течения.

В первую очередь рассмотрена задача о влиянии горизонтального скачка температуры на характеристики переноса примеси в стационарных условиях. Для анализа использована стационарная система уравнений

гидродермодинамики турбулентного пограничного слоя атмосферы с замыканием второго порядка совместно с полуэмпирическим уравнением турбулентной диффузии. Выполнен детальный анализ влияния ВТПС на характеристики переноса примеси. Показано, что учет трансформации воздушного потока при расчетах диффузии примеси над поверхностью со скачком температуры даже в стационарных условиях приводит к значительным изменениям значений концентрации по сравненшо с горизонтально -однородным случаем.

Далее в этом разделе полученное при помощи рассмотренной в главе 3 модели бризовой циркуляции поле ветра используется для расчетов переноса и рассеяния примеси. Высокое пространственное разрешение модели, используемой для расчетов полей ветра и турбулентности, позволило с(}юрмулировать и решить в этой главе следующие задачи: 1) действительно ли фронт бриза является эффективным барьером на пу ти распространения примеси в глубь суши; 2) какова роль пространственной неоднородности и нестационарности шлей ветра в рассеянии примеси в условиях бриза; 3)какова возможная точность расчетов концентрации примеси в условиях бриза.

В основу расчета рассеяния примеси были положены два метода: система стохастических уравнений для координат частиц (метод Монте-Карло) и метод, основанный на использовании полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии. Первый из этих методов более удобен при качественном анализе особенностей переноса примеси и имеет то преимущество, что он полностью свободен от численной псевдодиффузии, второй более удобен при непосредственных расчетах концентрации примеси. При расчетах использовалось предположение о равенстве коэффициента вертикальной диффузии коэффициенту турбулентной вязкости. Коэффициенты диффузии по горизонтали задавались пропорциональными коэффициенту вертикальной диффузии, коэффициенты пропорциональности варьировались с целью определения степени влияния использу емых значений на результаты.

Выполнен детальный анализ качественных особенностей процесса переноса примеси в условиях бризовой циркуляции при помощи метода Монте-Карло. Этот анализ показал, что не происходит проникновение примеси через область фронта бриза. Это можно объяснить тем, что в области фронта бриза конвективный перенос примеси вверх намного больше диффузионного горизонтального переноса. Получено, что действие уже только одного поля средней скорости ветра приводит к существенному перемешиванию примеси по вертикали. Быстрое вертикальное перемешивание происходит только после пересечения примесью границы ВТПС. Распределение концентрации примеси в ВТПС примерно равномерно по вертикали. Отметим, что примесь, попавшая в ВТПС, практически не проникает через его верхнюю границу. Это обстоятельство объясняется как тем, что во время существования ВТПС его

вертикальный размер увеличивается, так и тем, что интенсивность турбулентности выше ВТПС значительно меньше, чем в нем. Из-за действия устойчивой стратификации ночью наблюдается значительная составляющая ветра, параллельная берег}'. Поэтом}' облако примеси вытягивается в этом направлении. Поскольку в береговом бризе интенсивность турбулентного обмена низка, вблизи источника формируется область с увеличенной концентрацией примеси.

Далее в главе выполнено сравнение результатов расчетов переноса примеси при помощи разработанной модели с данными натурных наблюдений. Для сравнения использовались материалы упоминавшихся выше экспериментальных исследований структуры и динамики бризовой циркуляции в районе Калифорнии, США. В этих экспериментах шестифтористая сера ( ) выбрасывалась с корабля, находящегося в море примерно в 6.4 км от берега. Пробоотборное оборудование и портативные хроматографы были расположены в различных пунктах на побережье, пробы воздуха отбирались с часовым осреднением.

Использовавшаяся модель переноса примеси основывается на трехмерном полуэмпирическом уравнении турбулентной диффузии. Для того, чтобы и при расчетах переноса примеси иметь высокое пространственное разрешение, для численного решения этого }равнения использовались методы, имеющие минимальную численну ю вязкость. При расчетах переноса примеси не делалось попыток добиться максимально возможного согласия с экспериментальными данными за счет подбора параметров, так как интереснее было проверить способность модели предсказывать поведение примеси. Изменяющиеся в течение с}ток поля ветра и коэффициента турбулентной вязкости определялись при помощи модели бриза. Расчеты показали, что модель описывает концентрации хорошо всюду за исключением ближайшего к источнику пункта Вентура в дневное время. Значительные расхождения между результатами расчетов и наблюдениями в Вентуре в дневное время вызваны недостаточным пространственным разрешением .модели переноса примеси на малом расстоянии от источника. К тому же вблизи источника небольшие ошибки в задании направления адвективного переноса приводят к большим изменениям концентрации. Как следует из ранее полученных в диссертации результатов, с ростом расстояния от источника влияние недостатков в параметризации горизонтальной диффузии должно уменьшаться, поскольку преобладающую роль в перемешивагаш примеси начинает играть неоднородность поля скорости ветра. В результате согласие расчетов и наблюдений является значительно лучшим для остальных пунктов. В Пиру, пункте, наиболее удаленном от источника по направлению переноса в дневное время, результаты моделирования хорошо согласуются с данными наблюдений и в дневное, и в ночное время. Ночью, когда происходит обратный перенос трассера к береговой линии, облако имеет

уже значительную ширину. Это приводит к улучшению согласия между предсказаниями модели и данными наблюдений.

В целом согласие расчетных результатов и данных измерений находится на том же уровне, что и для обычных моделей переноса примеси с данными наблюдений в горизонтально-однородных условиях.

Отметим следующие характерные особенности переноса трассера, которые отражает используемая модель и которые не могут быть воспроизведены обычными моделями качества воздуха: 1) обратный перенос примеси в сторону моря в ночное время; 2) вызываемое силой Кориолиса смещение траекторий переноса вдоль берега; 3) перенос фронта факела на сушу со скоростью фронта бриза; 4) подъем примеси в верхнюю возвратную часть течения в области фронта бриза.

Пятая глава диссертации посвящена описанию разработки методов прогнозирования загрязнения поверхностных вод химикатами, поступившими в окружающую среду в результате аварийных выбросов. Следует отметить, что в ряде случаев водный путь миграции загрязнителей может быть даже даже более существенным в воздействии на человека, чем атмосферный. Загрязнение водных объетов может происходить как за счет прямого поступления загрязнителей (сбросы в вод}', осаждение из атмосферы, поступление загрязненных грунтовых вод), так и за счет вторичных процессов (смыв с поверхности водосборов, миграция из донных отложений). Сформулированы общие подходы и требования к методам прогноза. Такие методы должны основываться на доступных стандартно измеряемых данных, т.к. обычно в случаях аварий невозможно выделять значительное время для проведения специальных измерений, чтобы болучить огромный объем данных, которые обычно требуются моделям переноса химикатов по рекам и по поверхностям водосборов. Предварительная калибровка моделей для таких ситуаций, гак правило, также невозможна. Наибольший интерес представляют химикаты, для которых процессы сорбции почвенными частицами играют существенную роль. Полученные в этой главе результаты применимы к очень широкому классу загрязняющих веществ, хотя выполненный анализ касается в основном исследований переноса радионуклидов. Ээто связано как с тем обстоятельством, что проводить наблюдения за миграцией радионуклидов в окружающей среде экспериментально проще, так и с тем, что вследствие Чернобыльской аварии возникла острая потребность в проведении таких работ и были выделены соответствующие ресурсы. Поэтому удалось изучить основные механизмы формирования загрязнения поверхностных вод и получить необходимый экспериментальный материал для верификации прогностических математических моделей .

Сложность математического моделирования формирования загрязнения поверхностных вод связана с тем, что необходимо одновременно описывать

процессы, имеющие существенно разные временные масштабы: 1) процесс переноса, определяемый скоростью движения воды; 2) процесс переноса, определяемый характерными временами сорбционных и десорбционных процессов (к тому же обычно это набор времен, т.к. характерные времена для различных форм нахождения различны); 3) процесс переноса, связанный с каскадным повторением процессов сорбции-десорбции и взмучивания-осаждения взвеси. Для случаев аварийных выбросов необходимо к тому же обеспечивать достаточно высокое пространственно-временное разрешение модели.

Выполнен краткий обзор существующих математических моделей. Этот обзор показывает, что значительные трудности при моделировании загрязнения водных объектов представляет чрезвычайно большой объем необходимой для обычных моделей входной информации, которая, как правило, малодоступна или для ее получения необходимо проводить специальные измерения. Обзор показал, что сформулированным выше требованиям к модели можно удовлетворить, если в качестве ее основы использовать модель, основанную на дифференциальных уравнениях переноса. В предположении мгновенного локального сорбционного равновесия и стационарности концентрации частиц в столбе воды, система уравнений, описывающих перенос химикатов вдоль реки может быть сведена к системе из всего двух уравнений: уравнения для суммарной конценгращш химиката в столбе воды и уравнения для концентрации адсорбированного химиката (на единицу сухого веса) в донных отложениях:

дСт

~дГ

1А.

А дх

ОС.-ЕА—-

дх

Ч

( КпшБш

/ т ~ К, р, IV УУ

, 1 к 1

к,

'р,ь

ст

1 ^р.Л/

V

+а—+

Р,

Сг,

(3)

сК~

1ЛЛ

'р, и»,

г*.

М'Кр.ь) к,(г/крЬ-с/(1

(V

1/М

(4)

где Сзи - концентрация растворенного химиката в водном столбе; г - время ; А -площадь поперечного сечения реки; О - расход воды в реке; х - продольная координата (вниз по течению); Е - коэффициент продольной дисперсии; Кр„ и КрЬ - коэффициенты распределения наносы - вода для воды и донных отложений соответственно; )л,., - суммарные константы кинетики псевдо-

первого порядка фотолиза, испарения, биотрансформации, химического гидролиза и окисления в водном столбе (индекс \у) и донных отложениях (индекс Ь); А'; - коэффициент обмена массой между водным столбом и поровым объемом донных отложений; Ь - глубина слоя воды; V, - распределенный источник химиката; Ср „ - адсорбированный на частицах химикат в водяном столбе; К, - константа осаждения (отношение средней скорости осаждения к средней глубине); а - константа взмучивания; Л',, - концентрация твердых частиц в донных отложениях, - концентрация твердых частиц в водяном столбе; у -отношение глубин (или объемов) слоя воды и активного слоя наносов, участвующего в обмене химикатом (й/с1), С5Ь - концентрация химиката, растворенного в воде в поровом пространстве донных отложений; г -концентрация химиката, адсорбированного на частицах в донных отложениях; С, = Сгм. +Ср„ - суммарная концентрация в водяном столбе.

Численное решение уравнений выполнялось методами с минимальной численной дисперсией.

Для анализа чу вствительности такого рода модели к точности задания входных параметров рассмотрены особенности применения этой модели к аварийной сшу ащш (Базельская авария) на р. Рейн (данные также получены от американской стороны в рамках сотрудничества по советско-американскому проекту 02.03-31). Продемонстрировано хорошее согласие между результатами полевых измерений и модельными расчетами. Все коэффициенты и константы скорости реакций брались из литературы. Получено, что концентрация химиката в водяном столбе наиболее чувствительна к изменению отношения глубины воды к толщине активного слоя наносов, коэффициента распределения наносы/вода и коэффициента обмена массой между донными отложениями и водой. Если обмен массой между донными отложениями и водой совершается быстро (Кь=104 см/с), форма профилей концентрации в отложениях очень похожа на аналогичные профили концентраций в воде. Отложения быстро достигают значительного загрязнения и почти столь же быстро, в течение нескольких дней, самоочищаются за счет десорбции/диффузии. Однако если обмен массой между донными отложениями и водой более медленный (Кь=106 см/с), то отложения быстро загрязняются, а обратная десорбция/диффузия в толще воды идет сравнительно медленно, около двух месяцев. Именно такое поведение наиболее точно отражает то, что известно о случившемся после аварии в Базеле. Благодаря кратковременности выброса и значительному расходу р. Рейн, диффузия химиката из донных отложений в воду, продолжавшаяся два месяца, не вызвала значительных его концентраций в воде после прохождения основного импульса, хотя донные отложения и оставались существенно загрязненными в течение нескольких недель. Полученные результаты показывают, что рассматриваемая модель способна достаточно хорошо воспроизводить результаты измерений концентрации в воде без какой-

либо калибровки или подгонки коэффициентов.

В случаях загрязнения больших водосборов для получения потоков загрязняющих веществ в реки требуется разработка специальных подходов. В случае такого относительно однородного загрязнения территории, как после Чернобыльской аварии или после испытаний ядерного оружия в атмосфере для описания процессов смыва радионуклидов с небольших водосборов возможно использовать ящичные модели на основе расчетов коэффициентов смыва. При этом оказывается возможным использовать доступную гидрологическую информацию. В нее входят величина слоя стока, объем проходящей воды за каждое гидрологическое событие и масса смытой почвы. Для расчетов коэффициентов смыва при этом используются результаты специальных модельных экспериментов, полученные на маленьких экспериментальных площадках. Использование интегральных гидрологических характеристик позволяет в некоторой степени учесть неоднородность рассматриваемой области.

Далее в диссертации рассмотрены особенности создания методов, которые с успехом использовалась для прогнозирования загрязнения рек пострадавших от Чернобыльской аварии районов радионуклидами во время отдельных гидрологических событий (дождевой паводок, весеннее половодье). Обсуждается, что нового с точки зрения разработки математичесхих моделей потребовалось сделать для подготовки этих прогнозов. В основу моделей был заложен рассмотренный выше подход. Основную сложность представлял масштаб загрязнения и связанная с этим необходимость выбора при моделировании разумного числа входных параметров, поддающихся экспериментальному определению. Модель состоит из модуля расчета поступления примеси с водосбора и модуля расчета переноса примеси по участку русла с учетом сорбции и взаимодействия с донными отложениями. Эти модули используют стандартный гидрологический прогноз и данные лабораторных экспериментов для определения сорбционных характеристик радионуклидов. В качестве входных гидрологических данных использовался гидрологический прогноз, который подготавливался специалистами-гидрологами. При расчетах общее содержите радионуклидов разбивалось на несколько фракций, имеющих различные сорбционные характеристики.

Модель применялась для прогнозирования концентраций стронция-90 и цезия-137 во время всех послеаварийных весенних половодий. Без калибровки входных параметров модель позволила получить точность прогноза концентрации радионуклидов в пределах множителя 2,5. Общий вынос радионуклидов в Киевское водохранилище за период половодья завышался по сравнению с данными мониторинга до двух раз. Причиной этого, как стало ясно при проведении дальнейших исследований, служила переоценка смыва радионуклидов с поверхностей неоднородно загрязненных водосборов из-за неучета потерь радионуклидов из водного потока при их переносе вдоль

поверхности водосборов.

С целью сбора данных для верификации математических моделей и для исследований влияния процессов обмена в системе "донные отложения-вода" на формирование загрязнения поверхностных вод в 1987-1988 гг. на водосборе реки Илья (Киевская область) были организованы специальные учащенные наблюдения. Эта река имеет площадь водосбора около 300 км2 и большей частью протекает через 30-км зону вокруг Чернобыльской АЭС. Полное количество 137Сб на водосборе около 4000 Сг Радионуклиды формируют загрязненную полосу поперек водосбора. Проведенное в диссертации сравнение экспериментальных результатов с расчетами концентрации !37Сб в период половодья показало, что согласие между расчетами и экспериментальными результатами хорошее. Следует отметить, что в данном случае поверхностный смыв с участков водосборов полностью определялся формой гидрографа, информации об уровнях загрязнения донных отложений было недостаточно и поэтому не удалось с необходимой точностью определить вклад донных отложений (процессов сорбции-десорбции и осаждения-взмучивания) в формирование загрязнения речной воды.

Далее в диссертации рассматривается использование специальной серии наблюдений на реке Ипуть в Брянской области для развития методов прогноза загрязнения водных объектов. Детальные наблюдения за уровнем загрязнения речных вод, донных отложений и выносом радионуклидов с водосбора р.Ипутъ были начаты в 1991 г также с целью сбора данных для отработки прогностических моделей. Автор диссертации принимал непосредственное участие в планировании и анализе данных этих экспериментальных работ, как и работ на водосборе р. Илья.

Полученные в результате этих специальных экспериментальных исследований данные свидетельствуют о том, что: имеется сильная корреляция между плотностью загрязнения прилегающей к руслу реки территории и реки. Имеющиеся данные свидетельствуют также о том, что при пересечении рекой локального пятна загрязнения 137Сз на некотором расстоянии от этого пятна концентрации цезия падают практически до исходных уровней.

Поэтому для расчетов обмена радионуклидами между водой в русле и в слое донных отложений автором был предложен следующий подход, оказавшийся очень эффективным. Поскольку основная доля рассматриваемых долгоживущих радионуклидов в реке находится в донных отложениях и характерный масштаб изменчивости концентрации вдоль реки много больше характерного масштаба полного перемешивания в реке, можно при расчетах концентрации предполагать, что весь приходящийся на какой - либо участок реки поток радионуклида идет на изменение его содержания в донных отложениях, а концентрацию в воде реки рассчитывать на основе квазиравновесного подхода. В диссертации показано, что при определенных обычно выполняющихся

условиях можно ввссти и использовать в расчетах эффективный коэффициент распределения

Ке = /Ь/С7,1У '

где гъ -удельная концентрация радионуклида на частицах донных отложений, О/кг; Сг.у -суммарная концентрация радионуклида в водном потоке, С ¡/л. Этот коэффициент может быть легко определен по данным наблюдений. С использованием этого подхода для прогноза средних концентраций радионуклидов за период половодья была разработана прогностическая модель. При описании процессов переноса радионуклидов рассматривались те же механизмы переноса и тс же методы их математического описания, что и выше. В диссертации описаны процедуры получения параметров и входных данных модели для реки Ипуть. Эффективный коэффициент распределения по данным большого количества измерений оказался приблизительно равным Ке=7000 для ""Сэ . Рассмотренные в расчетах слои стока охватывали половодья различной обеспеченности: от 50% до 10%. Было получено, что прогнозируемые концентрации очень сильно зависят от эффективного коэффициента распределения для водосбора и слабо от слоя стока.

Далее в диссертации рассмотрены разработанные новые методы, предназначенные для описания переноса долгоживущих радионуклидов по рекам за достаточно большие промежутки времени.

Показано, что если характеристики потока не меняются во времени и запас нуклида в донных отложениях меняется достаточно медленно вдоль потока, то можно выразить эффективный коэффициент распределения Ке для взаимодействия водного потока со слоем донных отложений следующим образом:

к, >ь р

"а^А ' (5)

Р.ь

При этом масштаб усреднения концентрации вдоль реки считается много большим ширины реки.

В диссертации получено следующее уравнение баланса радионуклидов для объема, включающего воду и донные отложения

х 1 д

( хг.

at «ах

ОС1у/- ЕА^ - -КАС, ^, . (6)

Эх

Уравнение (6) подобно уравнению, описывающему хроматографическую волну. Величина II играет роль фактора замедления. Эту величину можно

выразить через параметры взаимодеиствия воды и слоя донных отложении

но удобнее вычислять фактор замедления по измеренным значениям эффективного коэффициента распределения

к Р*Г (8)

" кр,ь

Вьшолнены оценки значения Я для Киевского водохранилища. Получено, что К~60 для 137С5. Это дает среднюю скорость переноса |37Сл вниз по течению около 25 км/год. Такая же оценка для 905г дает величину' И~6 и на порядок больше, чем для 137С?, скорость переноса вниз по каскаду. Отсюда следует, что концентрация 137& вдоль Днепра выровняется за время порядка 30 лет. Для 905г такое выравнивание практически уже произошло. Приведенные в диссертации экспериментальные данные об уровнях загрязнения этими радионуклидами Днепровских водохранилищ хорошо согласуются с приведенными оценками средних скоростей переноса.

В диссертации показано, что перенос химикатов вдоль поверхности водосбора также описывается подобным уравнением. Вывод такого уравнения полностью аналогичен проведенному для рек. Для потоков поверхностного стока по имеющимся данным К' имеет величину ~ (13)* 10*. Поскольку для таких штоков с]/И~1, для поверхностного стока фактор замедления Я~(] Выполненное в диссертации сравнение этой величины с фактором замедления для рек показало, что для поверхности водосбора фактор замедления значительно больше, скорости течения обычно меньше и поэтому скорость персметцегшя 13'Сз вдоль поверхности незначительна. Из этого следует важный вывод, что по рассмотренной причине основной вклад в загрязнение реки вносят участки водосбора, прилегающие к реке.

Среди рассмотренных в диссертации долгопериодных процессов, определяющих перенос радионуклидов, важная роль принадлежит миграции радионуклидов в донных отложениях водоемов. Процесс загрязнения донных отложений носит в основном периодический характер, связанный с сезонной периодичностью процессов поверхностного смыва радионуклидов. В диссертации показано, что периодические колебания концентрации в водоеме, связанные с сезонной периодичностью поверхностного смыва, приводят к таким же колебаниям концентрации в верхнем слое донных отложений, однако в донных отложениях эти колебания затухают с глубиной. Глубина проникновения колебаний в слой донных отложений определяется эффективным коэффици-

ентом диффузии, т.е. зависит от характеристик донных отложений и физико-химических свойств мигрирующего радионуклида. В диссертации получено решение уравнения миграции радионуклида в донные отложения. Решение представляет собой затухающую с глубиной волну. Время запаздывания максимумов концентрации в донных отложениях от максимумов в водном столбе пропорционально глубине (аналогично закон}' Фурье для температурных волн в почве). Оценка величины глу бины проникновения волны 1 и времени запаздывания т для значений параметров, характерных для Киевского водохранилища, дает, что 1-0.5 см ит~120 суток/см'7..

ВЫВОДЫ

В итоге проведенных исследований получены следующие основные результаты.

1. Разработана математическая модель бризовой циркуляции с высокой степенью пространственного и временного разрешения для описания как средней картины поля течения, так и его тонкой структуры, включая такие особенности, как зона фронта бриза, термический внутренний пограничный слой. Выявлены неизвестные ранее закономерности течения в зоне, охватываемой бризовой циркуляцией. Это общие закономерности злиянкя крупномасштабного фонового ветра на основные характеристики бризовой циркуляции, показано, что такое влияние существенно нелинейно. Впервые теоретически обнаружена при помощи разработанной математической модели бризовой циркуляции тонкая структура поля течения впереди фронта бриза -система циркуляционных ячеек, которые существенным образом изменяют процессы тспломассопереноса в области фронта бриза, определены значения внешних параметров, при которых происходит их возникновение.

2.Теоретически исследованы условия обострения или ослабления фронта циркуляционного течения, вызванного действием силы плавучести, влияние на это интенсивности турбулентности, пространственного распределения плотности среды.

3. Предложена и реализована трехмерная математическая модель (в двух вариантах - на основе метода Монте-Карло и конечно - разностного решения уравнения переноса) для расчетов рассеяния загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу от источников произвольного размера, формы и времени действия, в условиях бризов. При помощи математического моделирования проведен теоретический анализ переноса примесей в условиях бризовой циркуляции. Показано, что наибольшую роль в рассеянии загрязняющих веществ в зоне,охватываемой бризовой циркуляцией, играет неоднородность и нестационарность полей ветра, вклад турбулентного перемешивания при этом относительно меньше всюду, кроме зоны термического внутреннего пограничного слоя. Продемонстрировано, что фронт

бриза является эффективным барьером на пути проникновения загрязняющих веществ вглубь суши. Показано, что применение такой модели позволяет получить приемлемую точность в расчетах концентрации примеси даже при использовании ограниченного набора входных данных

4. Разработан комплекс математических моделей миграции и трансформации загрязняющих веществ в реках. В моделях учитываются процессы переноса химикатов в растворенном состоянии, в сорбированном состоянии на взвешенных наносах и процессы обмена с донными отложениями. Выполнена проверка моделей на большом объеме экспериментальных данных. Модели с успехом использовались для прогнозов загрязнения основных рек зоны влияния Чернобыльской аварии. Был подготовлен прогноз загрязнения рек зоны влияния Чернобыльской аварии во время весеннего половодья 1987 года, показавший, что ни в одной из рек аварийной зоны не ожидается превышения временных норм по концентрациям долгоживущих радионуклидов. Результаты мониторинга подтвердили прогноз. Аналогичные прогнозы готовились и в последующие годы, результаты представлялись в Правительственную комиссию.

5. Сделано обоснование того, чго при расчетах переноса долгоживущих радионуклидов по рекам или по поверхностям водосборов целесообразнее использовать в описании процессов обмена на границе вода-дно вместо трудно определяемых коэффициентов осаждения, взмучивания и обмена эффективный коэффициент распределения в системе "донные отложения-вода", определяемый на основе доступных данных. На основе этого разработан и апробирован по данным специальных экспериментальных исследований комплекс моделей для долгосрочных и краткосрочных прогнозов загрязнения поверхностных вод долгоживущими радионуклидами, отличающийся новым методом описания обмена в системе "вода-донные отложения".

6. На основе проведения специальных измерений показано, что при формировании загрязнения рек долгоживущими радионуклидами влияние неоднородностей загрязнения прилегающей к реке территории (или донных отложений) из-за процессов сорбции и седиментации-взмучивания протирается только на небольшое расстояние. Теоретически выявлена и подтверждена по данным натурных измерений переноса долгоживущих радионуклидов в поверхностных водах роль седиментационно-эрозионных и сорбционно-десорбционных процессов как факторов, определяющих степень изменения по отношению к скорости водного потока скорости миграции сорбирующихся загрязняющих веществ вдоль русла реки или по поверхности водосборов. Получено уравнение, позволяющее рассчитывать степень замедления скорости переноса сорбирующихся химикатов вдоль реки (или поверхности водосбора) по отношению к скорости водного потока. При этом показано, что эффективная скорость переноса долгоживущих радионуклидов вдоль реки (или вдоль

поверхности водосбора) уменьшается во много раз по сравнению со скоростью водного потока.

7. Теоретически показано и подтверждено данными наблюдений, что периодические колебания концентрации в водоеме, связанные с сезонной периодичностью поверхностного смыва, приводят к таким же колебаниям концентрации в верхнем слое донных отложений, однако в донных отложениях эти колебания затухают с глубиной. Глубина проникновения колебаний в слой донных отложений определяется эффективным коэффициентом диффузии, т.е. зависит от характеристик донных отложений и физико-химических свойств мигрирующего радионуклида.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях;

1. А.А.Костриков. М. А. Новицкий. Влияние функционального вида коэффициента вертикальной диффузии на расчет поля концентрации примеси в приземном слое атмосферы. - Труды ИЭМ, вып. 21 (80), 1978. -11с.

2. М.А.Новицюш. Влишше поглощающих свойств поверхности на диффузию примеси в пограничном слое атмосферы,- Метеорология и гидрология, N4, 1980,-6с.

3. М.А.Новицкий. Влияние стратификации на диффузионные характеристики облака примеси в пограничном слое атмосферы - Физика атмосферы и океана, N11. 1980,-9с.

4. М.А.Новицкий. Численная модель рассеяния примеси в бароклинном пограничном слое атмосферы. - Труды ИЭМ, вып.27 (100), 1981. - 8с.

5 М.А.Новицкий. Влияние приподнятой инверсии на интегральные характеристики рассеяния примеси пограничном слое. - Тезисы докладов Всесоюзной кон<1юренции по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и пограничном слоях атмосферы. - Обнинск, 1981. - 1с.

6 М.А.Новицкий. Нелокальная параметризация турбулентных потоков и уравнения для моментов концентрации. - Тезисы докладов Всесоюзной конференции по прикладным аспектам турбулентной диффузии в приземном и пограничном слоях атмосферы, Обнинск, 1981. - 1с.

7. М. А.Новицкий. Влияние приподнятой инверсии на рассеяние примеси в пограничном слое атмосферы,- Труды ИЭМ, вып.29(103), 1984,- 8с.

8. М.А.Новицкий. Уравнения для моментов концентрации при нелокальной параметризации турбулентных потоков -Труды ИЭМ, вып.29(103), 1984,-4с.

9. М.А.Новицкий. Особености расчета рассеяния примеси в прибрежных районах. - Труды ИЭМ, вып.33(108), 1984,- 9с.

10. Е.Н.Морозько, М.А.Новицкий. Трансформация устойчивого воздушного потока и диффузия примеси над поверхностью со скачком температуры,-Труды ИЭМ, вып.36(114), 1985,- 9с.

11. М.А.Новицкий. Модель бризовой циркуляции, предназначенная для использования в расчетах распространения примесей в атмосфере,- Труды ИЭМ, вып.37 (120), 1985,- 18с.

12. А.А.Костриков, М.А.Новицкий. Численное моделирование распространения примеси от точечного источника в условиях бризовой циркуляции. - Труды ИЭМ, вып.37 (120), 1985. -15с.

13. О.И.Возженников. Е.К.Гаргер, А.В.Найденов, М.А.Новицкий, Д.Б.Уваров. О необходимости учета влияния резкой неоднородности подстилающей поверхности на перенос и рассеяние примеси при проектировании АЭС. -Труды ИЭМ, вып.37 (120), 1985. -11с.

14. А.А.Костриков, М.А.Новицкий. Численное моделирование влияния внутреннего термического пограничного слоя на дисперсию примеси при бризах методом Монте-Карло. - Труды конференции ВМО по моделям загрязнения воздуха и их применениям,- Ленинград. 1986. Технический документ ВМО/ТД N187. т.З, стр.228-237, 1988,- 10 с.

15. А.А.Костриков, МАНовицкий. Численное моделирование распространения примеси в условиях бризовой циркуляции,- Метеорология и гидрология, N6, 1986. - 9с."

16. М.А.Новицкий. Моделирование влияния фонового ветра на динамику бризовой циркуляции - Метеорология и гидрология, N7, 1988. - 8с.

17. В.А.Борзилов. А.В.Коноплсв, М.А.Новицкий, Ю.С.Седунов. Моделирование и прогноз вторичного радиоактивного загряз-нения рек аваргашой зоныЧАЭС долгоживущими радионукли-дами.- Радиоактивное загрязнение природных сред в зоне аварии на Чернобыльской атомной станции. Доклады для представления на II заседание рабочей группы ВМО по выбросам опасных веществ в атмосферу (Киев, апрель 1988).- Москва: Гидрометеоиздат, 1988. - 14с.

18. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, И.В.Драголюбова, А.В.Коноплсв, М.А.Новицкий, Ю.С.Седунов. Физико-математическое моделирование процессов, определяющих смыв долгоживухцих радионуклидов с водосборов

, тридцатикило-метровой зоны Чернобыльской АЭС. - Метеорология и гидрология, N1, 1989. - 9с.

19. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.К.Гераснменко, М.А.Новицкий, Ю.С.Седунов. Прогнозирование вторичного радиоактивного загрязнения рек тридцатикилометровой зоны Чернобыльской атомной электростанции.-Метеорология и гидрология, N2,. 1989. - 9с.

20. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, И.В.Драголюбова, М.А. Новицкий. Моделирование вымывания радионуклидов из почвы дождевым и талым

стоком - Тезисы докладов 3-го Всесоюзного симпозиума "Изотопы в гидросфере". - Каунас, 1989, М.: ИВПАН СССР, 1989 г.,'с.60. - 1с.

21. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.К.Гераснменко, М.А.Новицкий. Моделирование поведения радионуклидов аварийной зоны ЧАЭС в системе "почва-вода-донные отложения",- Тезисы докладов 3-го Всесоюзного симпозиума "Изотопы в гидросфере". - Каунас, 1989, М.: ИВПАН СССР, 1989 г., с.61. - 1с.

22. О.И.Возженников, А.Г.Войтченко, М.А.Новицкий. Ящичная модель для оперативного прогноза загрязнения водных объектов - Тезисы докладов 3-го Всесоюзного симпозиума "Изотопы в гидросфере". - Каунас, 1989, М.: ИВПАН СССР, 1989 г., с.87. - 1с.

23. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.К.Герасименко, М.А. Новицкий. Модель для краткосрочного прогнозирования радио-активного загрязнения рек при авариях на АЭС. -1 Всесоюзный радиобиологический съезд. - Москва, 1989 г., Тезисы докладов,- Пущино. Научный центр биологических исследований, т.2. с.413-414, 1989. - 2с.

24. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, М.А.Новицкий. Долгосрочное прогнозирование изменения коэффициента смыва радионуклидов, поступивших в окружающую среду в результате аварии на АЭС, с поверхности водосбора. - I Всесоюзный радиобиологический съезд. -Москва, 1989 г., Тезисы докладов,- Пущино, Научный центр биологических исследований, т.2, с.414-415. 1989. - 2с.

25. Методические указания "Методы специальных аэрометеорологических и диффузионных измерений в пограничном слое атмосферы и расчет концентрации примеси в условиях сложной орографии". - Москва: Госкомгидромет, РД 52.18-88. 1988, - 86с.

26. Методические указания "Методика прогнозирования состояния загрязнения водоемов при нарушении нормальной эксплуатации АЭС". -Москва: Госкомгидромет, РД 52.26-88, 1988, - 49с.

27. О.И.Возженников, А.Г.Войтченко, М.А.Новицкий. Камерная модель для оперативного прогноза загрязнения водных объектов. - Водные ресурсы, N6, 1990, с.94-97.

28. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, И.В.Драголюбова, М.А.Новицкий. Моделзфование вымывания радионуклидов из почвыдождевыми и талыми водами. - Водные ресурсы, N3, 1991, с.103-107.

29. В.А.Борзилов. О.И.Возженников, А.К.Герасименко, М.А.Новицкий, Дж.Л.Шнур, Д.Дж.Маккачни. Математическая модель поступления и переноса химикатов по большой реке.-Поведение пестицидов и химикатов в окружающей среде. Труды советско-американского симпозиума. Айова-Сити, США, октябрь 1987. Гидрометеоиздат, Л., 1991, с. 140-160.

30. В.А.Борзилов, О.И.Возжснников, И.В.Драголюбова, М.А.Новицкий. Физико-математическая модель миграции и превращения химиката в поверхностном слое почвы и ее экспериментальная проверка. Труды советско-американского симпозиума. Айова-Сити, США, октябрь 1987. Гидрометеоиздат, JI., 1991, с. 161-176.

31. В.А.Борзилов, О.И.Возжснников, И.В.Драголюбова, М.А.Новицкий. Mathematical Model of Chemical Transport and Transformations in the Upper Soil Lajer and its Verification. - Fate of Pesticides and Chemicals in the Environment, Ed.by J.L.Schnoor. 1992, John Wiley and Sons, Inc.. New York, p. 331-346.

32. Schnoor J.L., Mossman D.J., В.А.Борзилов, М.А.Новицкий, О.И.Возжснников, А.К.Гсрасименко. Mathematical Model for Chemical Spills and Distributed Source Runoff to Large Rivers. - Fate of Pesticides and Chemicals in the Environment. Ed.by J.L.Schnoor. 1992, John Wiley and Sons, Inc., New York, p. 347-370.

33. М.А.Новицкий, ДДРанбл. Моделирование динамики бризовой циркуляции для прогноза качества воздуха. - Метеорология и гидрология, N4, 1992.

34. M.Novitsky, D.D.Reiblc, B.M.Corripio. Modeling the Dynamics of the Land-Sea Breeze Circulation for Air Quality Modeling. - Boundary- Layer Meteorology, N3, 1992. p. 163-175.

35. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.В.Коноплев, М.А.Новицкий. Смыв долгоживущих радионуклидов с территории поймы р.Припять во время ее затопления. - Ком. по гидрометеорол. и мониторингу окруж. среды М-ва экол. и природ, ресурсов РФ, Труды ИЭМ, вып. 19. 1992. -с. 86-92.

36. М.А.Новицкий. Модель долгосрочного переноса радионуклидов в речном русле, - Метеорология и гидрология, N1, 1993, с. 80-83.

37. Hydrological Aspects of Accidental Pollution of Water Bodies. WMO N 754, Geneva, 1992.

38. М.А.Новицкий. Влияние взаимодействия в системе "вода-почва" на скорость переноса радионуклидов поверхностным стоком,- Тезисы докладов 4-го международного симпозиума "Изотопы в гидросфере", Пятигорск, 1821 мая 1993 г., с. 135-138.

39. М.А.Новицкий. Влияние сезонной изменчивости поверхностного смыва радионуклидов на их распределение в слое донных отложений водоемов. Там же, с. 138-139.

40. V.A.Borzilov, M.A.Novitsky, A.V.Konoplev, O.I. Voszhennikov and A.C.Gcrasiinenko. A model for prediction and assessment of surface water contamination in emergency situations and methodology of determining its parameters - Radiation Protection Dosimetry, vol. 50, N 2-4, 1993.

41. М.А.Новицкий. Влияние сезонных вариаций поверхностного смыва радионуклидов на их накопление в донных отложениях водоемов.-Метеорология и гидрология, N 10, 1993, с. 37-42.

42. В.А.Борзилов, Н.В.Клепикова, М.А.Новицкий, Н.И.Троянова, Е.В.Чернокожин. МЛО.Рылова, Н.Г.Айрапетова, В.А.Шнайдман. Комплекс математических моделей атмосферного распространения и осаждения радионуклидов. - Труды I всесоюзной конференции "Радиационные аспекты Чернобыльской аварии", Обнинск, июнь 1988 г., том 1. - Санкт-Петербург., Гидрометеоиздат. 1993. с. 82-86.

43. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.К.Герасименко, М.А.Новицкий. Модели поведения радионуклидов аварийной зоны ЧАЭС в системе почва-вода-донные отложения. - там же, стр. 162-167.

44. В.А.Борзилов, О.И.Возженников, А.В.Коноплсв. М.А.Новицкий. А.В.Щербак. А.А.Булгаков, В.Е.Попов, Е.П.Вирченко. Смыв долгоживущих радионуклидов из поймы р.Припять во время ее затопления, -там же, с. 337-

45. М.А. Новицкий, Д.Д. Райбл, Е.Н. Морозько. Матемавгческое моделирование трассерных экспериментов в условиях бризовой циркуляции.-Метеорология и гидрология, N 1, 1994, с. 33-40.

46. М.А.Новицкий, А.И.Никитин, В.Б.Чумичев, Л.А.Бовкун. Специальные исследования радиоактивного загрязнения на водосборе реки Ипуть с целью отработки прогностических моделей для водных объектов. Конференция "Миграция радионуклидов в водных системах". Обнинск. 26-29 октября 1993 г. Труды конференции. Обнинск. 1995.

47. Новицкий М.А. Влияние взаимодействия в системе "почва-вода" на скорость переноса радионуклидов водным потоком. Конференция "Миграция радионуклидов в водных системах", Обнинск, 26-29 октября 1993 г. Труды конференции, Обнинск, 1995.

48. М.А.Новицкий, Д.ДРаибл. Математическое моделирование лабораторных экспериментов по исследованию гравитационных течений. Метеорология и гидрология, N 4. 1995, с.97-106.

49. M.A.Novitsky, A.I.Nikitin. Prediction of radioactive contamination of vater bodies after the Chernobil accident. Radiation Protection Dosimetry, vol.64, No 1/2, 1996, p. 29-32.

50. J.O.Omojola, L.J.Thibodeaux, M.A.Novitsky, S.N.Nwosu. Effect of thin layer Caps on Cesium contaminated bed sediment Remediation. Extended abstracts American Chemical Society meeting, New Orlean, March 25-28, 1996.

51. М.А.Новицкий. Прогнозирование радиоактивного загрязнения водных объектов после Чернобыльской аварии. II Обнинский симпозиум по радиоэкологии, Обнинск, 27-31 мая 1996. Рефераты докладов. ФЭИ, с. 159160.

341.