Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

Аргучинцева А. В.

С каждым десятилетием все более остро поднимаются вопросы загрязнения окружающей среды последствиями человеческой деятельности. Вмешательство человека в природу становится все более масштабным и опасным. Уже нынешнее поколение столкнулось с проблемами ухудшения качества атмосферы, подземных и поверхностных вод, деградации ландшафтов, опустынивания и обезлесивания, возникновения неизвестных болезней и эпидемий, проявления генетических дефектов у потомства. Поэтому необходимо правильно научиться диагностировать и прогнозировать негативные проявления. В качестве убедительного диагноза можно рассматривать различного рода наблюдения, проводимые как на стационарно организованных постах, так и в экспедиционных условиях. Однако необходимо отметить, что все наблюдения имеют пространственные и временные ограничения и не могут обеспечивать надежным прогнозом, особенно в меняющихся условиях или при планировании какого-либо объекта. Поэтому одним из наиболее приемлемых способов управления риском и принятия оптимальных решений является математическое моделирование процессов, которое позволяет проигрывать различные ситуации. Гостированные методики [1-4] в силу грубой параметризации и большого упрощения входной информации дают скорее всего качественное представление о загрязнении окружающей среды.

В данной работе предлагается пакет авторских так называемых климатических моделей.

Климатическая модель расчета характеристик загрязнения на основе использования аналитических решений. Все реальные геосистемы находятся под воздействием внешней среды, состояние которой может меняться случайным образом. Это приводит к тому, что ряд параметров, обусловливающих это состояние, имеет случайные составляющие. Однако, как правило, многие исследователи случайность поведения среды пытаются учесть через осреднение ее параметров. Надо отметить, что такой подход не совсем верен, так как осреднение параметров среды не совпадает с осреднением самого решения. Предлагаемый метод позволяет, кроме общепринятых мгновенных и осредненных характеристик, получать вероятностные оценки наступления интересуемого события. На основе известных аналитических решений, полученных для дифференциальных уравнений, описывающих перенос и турбулентную диффузию примесей, разработаны конструктивные методы и модели, позволяющие оценивать частоту превышения допустимых норм загрязнения и накопление твердых частиц на подстилающей поверхности за интересуемый интервал времени. Несмотря на то, что все аналитические решения получены при некоторых упрощениях, их возможности в предлагаемых вероятностных моделях значительно расширяются благодаря замыканию их на климатические функции плотности вероятности, построенные для многолетних рядов метеорологических наблюдений.

Климатические модели на основе использования второго уравнения Колмогорова. Предложен новый более общий подход к построению комплекса математических моделей для оценки распределения антропогенных примесей, попадающих в окружающую среду путем выбросов промышленных предприятий через трубы, вентиляционные решетки, золоотвалы и пр. Все модели учитывают случайность поведения среды, в которой распространяется примесь, посредством введения функции плотности переходных вероятностей ее состояний. В основу описания случайного процесса берется второе, или прямое, уравнение Колмогорова (Фоккера - Планка - Колмогорова), связывающее скорость изменения плотности вероятности распределения субстанций с расширением ее потока, при условии, что начальные условия, накладываемые на плотность вероятности, удовлетворяют условиям неотрицательности и согласующейся нормировки. Уравнение Колмогорова записывается в фазовой координате, в качестве которой выступает концентрация примеси. Для отыскания входящих в него коэффициентов проводится последовательное замыкание уравнения Колмогорова с использованием уравнения переноса консервативной примеси, обладающей собственной гравитационной скоростью в анизотропной среде. В результате этой операции для одного из коэффициентов выводится дифференциальное уравнение, которое описывает изменение средних концентраций ингредиентов в анизотропной среде с учетом флуктуаций параметров среды, в которой распространяется примесь, и нестационарности работы источников. Поэтому это уравнение представляет самостоятельный интерес для практических целей. Непрерывное многообразие возможных состояний аппроксимируется на основе многолетних климатических рядов наблюдений на стационарных метеорологических станциях и постах. Трудности, связанные с неэргодичностью природных явлений, преодолеваются путем усреднения не по времени, а по реализациям. Полученные замкнутые уравнения (уравнение Колмогорова и уравнение для одного из его коэффициентов) с записанными для них соответствующими начальными и граничными условиями решаются численно в декартовой прямоугольной системе координат с применением метода фиктивных областей. Для дискретизации по времени используется схема Кранка-Николсона и двуциклический метод многокомпонентного расщепления.

Учет климатических особенностей изучаемых регионов через функцию плотности переходных вероятностей состояний среды позволяет: а) оценить вероятности возникновения опасных концентраций; б) оконтурить области повышенной антропогенной нагрузки; в) рассчитать потоки взвешенных частиц на подстилающую поверхность; г) установить продолжительность пребывания живых организмов в опасных зонах; д) найти средние концентрации ингредиентов с учетом флуктуаций как метеорологических параметров, так и интенсивности загрязняющих источников за рассматриваемый отрезок времени.

Расчеты по перечисленным моделям, картирование местностей по опасности загрязнения демонстрируются многочисленными примерами для различных регионов России и зарубежных стран. Реальные результаты помогли решить ряд насущных проблем, например, таких как

  • выявление виновников аварийных ситуаций и оценка последствий;
  • перепрофилирование предприятий;
  • запрещение строительства нового промышленного объекта в выбранном регионе;
  • выбор очистных сооружений, вариантов размещения вновь строящихся объектов, конфигурации пылящих пляжей отвалов горно-рудных предприятий и золоотвалов ТЭЦ;
  • рекомендация по улучшению взлетно-посадочных условий и пр.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 03-05-64080) и гранта «Университеты России» (ур.08.01.069).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: Общесоюзный нормативный документ (ОНД-86). - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 93 с.
  2. Указания по расчету рассеивания в атмосфере веществ, содержащихся в выбросах предприятий: СН 369-74. - М.: Стройиздат, 1975. - 40 с.
  3. Унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы (.версия 1.1.0): Эколог. НПО Ленинград. По методике ОНД-86. Инструкция пользователя. Исх. 3198/23 от 14.06.90. Л., 1990 .- 29 с.
  4. Руководство по контролю загрязнения атмосферы: РД 52.04. 186-89. - М.: Гос. Ком. СССР по гидрометеорологии, 1991. - 16 с.