1 ОБЗОР ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ 10
1.1 Оценка влияния метеорологических условий на загрязнение
атмосферного воздуха города Балхаш 12
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 15
2.1 Основные уравнения гидротермодинамики пограничного слоя
атмосферы 15
2.2 Уравнение переноса и диффузии примесей вредных веществ в
атмосфере 20
2.3 Разностная схема для модели микроклимата города 24
2.4 Разностная схема для уравнения переноса примесей 43
3 ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
МИКРОКЛИМАТА ГОРОДА БАЛХАШ 47
3.1 Начало работы с MapInfo и создание карты города Балхаш 47
3.2 Моделирование экологического состояния города Балхаш на фоне
гидрометеорологических режимов 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 57
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 58

Купить

РЕФЕРАТ
Тема магистерской диссертации: «Математическое моделирование
гидрометеорологических режимов и экологического состояния промышленных городов».
Цель работы - моделирование гидрометеорологических режимов и экологического состояния города Балхаш и его окрестности с учетом географических особенностей и антропогенных источников тепла на базе математической модели микроклимата города.
Предмет исследования - математические модели, программные комплексы, характеризующие изменения состояния атмосферных процессов и распространения вредных примесей под влиянием естественных и антропогенных факторов, с учетом рельефа местности.
Объект исследования - основные источники загрязнений города Балхаш, такие как промышленные предприятия и площадные источники.
В результате магистерского исследования решены следующие задачи: создана реляционная, локальная, масштабируемая база данных категорий землепользования и рельефа окрестностей г. Балхаш; получены электронные карты рассматриваемой местности в 2D и 3D формате; определены входные параметры с помощью интерполирования при изменении расчетной сетки и построена криволинейная сетка в физической области; реализованы численные эксперимента.
Объем работы - 64 страниц, количество рисунков - 18, 51
использованных источников литературы.
Ключевые слова: математическая модель, экология, атмосферный воздух, загрязнение, перенос, диффузия, микроклимат, численный эксперимент, цифровая карта.
В первую очередь влияние антропогенных источников загрязнения на окружающую среду происходит через загрязнение атмосферного воздуха. Загрязнение приземного слоя атмосферы на сегодняшний день является самой актуальной проблемой экологии. Воздушный бассейн промышленных городов в основном загрязняется выбросами от предприятий цветной металлургии, теплоэнергетики, черной металлургии, нефтегазового комплекса и городского автотранспорта, а также от частного сектора в зимнее время.
Реальность угроз от загрязнения атмосферного воздуха сказывается на ухудшении здоровья населения и деградации окружающей среды. Около десятка городов Казахстана считаются наиболее загрязненными, 8 из которых - имеют высокий уровень загрязнения воздуха. Большое значение имеют исследования закономерностей пространственно-временного изменения метеорологических параметров, которые влияют на загрязнение воздушного бассейна крупных промышленных городов.
В связи с этим большое значение имеют исследования некоторых закономерностей пространственно-временного течения метеорологических аспектов, которые влияют на загрязнение воздушного бассейна промышленных городов. Эти исследования дают возможность осуществлять краткосрочные прогнозы загрязнения воздуха и использовать их для регулирования промышленных и автотранспортных выбросов. Без таких исследований невозможно определение неблагополучных районов городов и проведение эффективных натурных наблюдений в целях создания системы контроля над чистотой воздушного бассейна.
Цели исследования:
Моделирование гидрометеорологических режимов и экологического состояния города Балхаш и его окрестности с учетом географических особенностей и антропогенных источников тепла на базе математической модели микроклимата города.
Задачи исследования:
- создание реляционных, локальных, масштабируемых баз данных категорий землепользования и рельефа окрестностей г. Балхаш;
- получение электронной карты рассматриваемой местности в 2D и 3D формате;
- определение входных параметров с помощью интерполирования при изменении расчетной сетки и построения криволинейной сетки в физической области;
- реализация численного эксперимента.
Объект исследования: объектом исследования являются основные источники загрязнений города Балхаш, такие как промышленные предприятия и площадные источники.
Предмет исследования: математические модели, программные
комплексы, характеризующие изменения состояния атмосферных процессов и распространения вредных примесей под влиянием естественных и антропогенных факторов, с учетом рельефа местности.
Методы исследования: для рассмотренных задач использовались методы математического моделирования, методы вычислительной математики, средства структурного и объектно-ориентированного программирования.
Новизна исследования: в результате выполнения работы была создана численная модель распространения выбросов вредных веществ от промышленных предприятии, с учетам влияния температуры и влажности воздуха, водных ресурсов и рельефа местности, содержащая базы данных загрязнений и геокартографическую систему Mapinfo, для построения изолинии концентраций вредных веществ и картографического анализа численных результатов. Так же использована возможность графического редактора «Tecplot» для получения сценариев динамики загрязнения воздушного бассейна. Выбор направления исследования обусловлен математическим моделированием течения и флуктуации воздушного потока на пограничном слое атмосферы с учетом тепла естественного и антропогенного происхождения и рельефа местности, который существенным образом влияет на распространение вредных примесей в атмосфере промышленного города.
Воздушный бассейн промышленных городов в основном загрязняется выбросами от предприятий цветной металлургии, теплоэнергетики, черной металлургии, нефтегазового комплекса и городского автотранспорта.
Реальность угроз от загрязнения атмосферного воздуха сказывается на ухудшении здоровья населения и деградации окружающей среды. Проблема загрязнения воздушного бассейна особенно остро стоит в основном в крупных промышленных городах.
При математическом моделировании все эти факторы невозможно учесть в рамках одной модели, т. к. воздушные потоки в граничном слое атмосферы почти всегда турбулентный. Турбулентность оказывается главным источником трудностей при изучении пограничного слоя атмосферы. Но она же является одним из важных факторов, обеспечивающих возможность существования живых организмов. Турбулентность облегчает перенос тепла, водяного пара, количества движения различных примесей, загрязняющих воздух.
В основе теории пограничного слоя атмосферы лежит система уравнений, описывающая движения вязкой сжимаемой ньютоновской жидкости во вращающейся системе координат.
Эти вопросы достаточно полно отражены в работах И.А. Кибеля [5], Л.Н. Гутмана [6], Г.И. Марчука [7, 8], В.В. Пененко и А.Е.Алояна [9, 10], Л.Т. Матвеева [11, 12], Р. Пильке [13] и др. В этих работах использована модель локальных атмосферных процессов для изучения различных воздействий естественных и антропогенных факторов. В некоторых задачах вместо полного уравнения переноса импульса в вертикальном направлении может использоваться приближение квазистатики. К таким работам относятся работы Л.Н. Гутмана [6], Р. Пильке [13] и др.
В последние годы для решения уравнений Навье-Стокса большой вклад внесли Ш.Смагулов, Н.Данаев и их ученики. При использовании криволинейной системы координат уравнения движения преобразуются относительно независимых переменных, а компоненты вектора скорости записываются в декартовой системе координат. Такой подход не накладывает ограничений на систему координат, что упрощает процедуру дискретизации расчетной области [14]. В работе [15] предложен новый подход моделирования граничного условия для давления или полного напора для уравнений Навье - Стокса в произвольной ограниченной области с достаточно гладкой границей. В работах Смагулова Ш.С., Данаева Н.Т. Жумагулова Б.Т. и Темирбекова Н.М. разработаны эффективные численные методы для уравнений Навье-Стокса с сильно меняющимися коэффициентами [16, 17].
Разностные схемы, разработанные Р. Пильке [13], Т. Гал - Ченом [18], использующие преобразования координатной системы являются наиболее предпочтительными. В этих работах предлагается численный метод решения уравнения термодинамики над регулярной нижней границей типа горы. Достоинством предложенных в [13, 18] схем является то, что, они инварианты относительно декартовой и обобщенной систем координат. Однако появление новых дополнительных слагаемых в основных уравнениях затрудняет ее реализацию.
Теоретическому исследованию уравнений переноса тепла и влаги в атмосфере посвящены работы многих авторов [19-26].
В настоящее время существует ряд математических моделей влажного пограничного слоя для динамики облаков и туманов, учитывающих с различной степенью детализации процессы конденсации и испарения, а также микрофизическую структуру. Следует отметить работу А.Е.Алояна и Г.И.Исаева [26], где в рамках полного уравнения термогидродинамики атмосферы рассматривается образование тумана и конвективных облаков в упрощенном варианте (без учета микрофизики). В работах В.И.Хворостъянова [27-29], такое исследование проводится на базе трехмерной модели и достаточно сложной микрофизики туманообразования. Однако в [25-29], не учитываются уравнения для вертикального ускорения. В работе [30] с помощью пространственной модели с параметризацией спектров капель тумана
Большое число работ посвящено изучению закономерностей турбулентного обмена стратифицированного пограничного слоя. В [31] приведен обзор работ, посвященных замыканию уравнений теории пограничного слоя атмосферы с помощью тех или иных полуэмпирических гипотез.
Существующие мезо-масштабные модели являются в большинстве своем специализированными и предназначаются для исследования отдельных атмосферных процессов: орографических возмущений, местных циркуляций, конвективных движений, атмосферных фронтов и т.д. В настоящее время трудно называть хотя бы одну достаточно полную мезо-масштабную негидростатическую модель, которая могла бы быть использована в качестве прогностической. Наибольший прогресс в этой области достигнут, по- видимому, в работах Таппа и Уайта [32] и Карпентера [33]. В этих моделях существующий рельеф местности не учитывается.
В настоящее время для описания процессов рассеяния примеси используется ряд математических моделей, основанных на уравнениях турбулентной диффузии [34, 35]. В зависимости от характера
пространственных масштабов и исследуемых процессов переноса и диффузии загрязняющих веществ используются различные типы моделей. При условии, что параметры модели постоянны (скорость ветра, коэффициент диффузии и т.д.) в работе [36] получено аналитическое решение системы уравнений в одномерном и двумерном случае, где эти параметры априори неизвестны, и для их определения необходимо применять методы параметрической идентификации или другие методы обработки данных измерений [3, 37]. В связи со сложностью уравнений описывающих процессы загрязнения воздуха, основное внимание уделяется методам их численного решения [7, 10]. Иногда вместо моделей, представляемых уравнениями в частных производных,
Накоплен многолетний опыт по изучению загрязнения атмосферы, проведены серии натурных экспериментов по контролю распространения примесей, получены основные их закономерности переноса и осаждения [3, 9, 34]. Проведение природоохранных мероприятий выдвигает повышенные требования к точности моделей, предназначенных для расчета распространения примесей в атмосфере. Методика расчета рассеяния примеси в основном пригодна для условий термически однородного и ровного рельефа [3, 34]. Однако значительное количество промышленных объектов размещаются на побережье водоемов или в холмистых местностях. В таких случаях использование кинематических моделей, где компоненты скорости ветра и другие метеорологические характеристики предполагаются заданными, приводит к большим погрешностям рассеяния примесей в атмосфере. Поэтому вполне понятен возникающий интерес к изучению процесса переноса и рассеяния примесей с помощью гидродинамических моделей более детально описывающих физические процессы [39].
В работе [39] рассматривается численный алгоритм для модели пограничного слоя атмосферы со свободной границей верхней воздушной массы. В отличие от постановки задачи, где предполагается, что высота пограничного слоя ZT заранее известна, в предлагаемой модели высота H(x, y, t) меняется во времени и в пространстве и является по существу искомой функцией.
Изучение бризовых течений имеет важное значение для уточнения местных прогнозов погоды, проведения расчетов распространения примесей в атмосфере, метеорологического обеспечения судов и т.д. Применительно к условиям города эта задача представляет собой интерес в связи с тем, что многие промышленные центры расположены на побережьях морей и крупных озер.
Математическая постановка задачи о бризе как существенно нелинейной и нестационарной задачи типа пограничного слоя принадлежит Кибелю [40]. Из первых численных моделей бриза, основанных на решении исходных уравнений гидродинамики, наиболее полной можно считать модель Эстока [41], которая впоследствии была развита Макферсоном [42] для трехмерного случая. Слабой стороной этой модели было использование продифференцированного по высоте уравнения неразрывности, что привело к нарушению принципа сохранения массы. Позднее Нейман и Марер [43] применили к расчету полей ветра и давления схему Чорина [44], обеспечивающую выполнение уравнения неразрывности. Их модель содержит уравнение движения по вертикали в полном виде вместо гидростатического приближения. Это направление было продолжено в работе [45].
В работе [46] построена нестационарная двумерная модель мезо- метеорологических процессов, обусловленных температурными
неоднородностями подстилающей поверхности. Идея такого подхода и принципы алгоритмической реализации с использованием основных и сопряженных уравнений численных моделей развиваются в работах [7, 9, 47, 48, 49, 50, 51].
С физической и математической точек зрения наиболее сложными являются описания переноса и диффузии на расстояние до 200 км. Это связано с тем, что спектр атмосферных движений находится в мезо-масштабном интервале и существенно зависит от орографических и термических неоднородностей, от турбулентных характеристик атмосферы, изменения высоты инверсии и т.д. Этой проблеме посвящена работа [52].
Уравнения пограничного слоя атмосферы численно решаются методом расщепления по физическим процессам. При этом возникают сложности с постановкой граничных условий для функции К на боковых границах расчетной области и постановкой граничных условий для /г1’, /г1 ’, (У"'''' на первом этапе расщепления, т.е. при учете адвективно-диффузионного переноса субстанций.

Купить