Исследование процессов распространения атмосферных примесей в условиях леса

• Автор: Колесников, Евгений Юрьевич
• Шифр специальности: 04.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 139 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Распространение примесей в атмосфере в условиях растительности
1.1. Атмосферная турбулентность
1.2. Турбулентная диффузия
1.3. Турбулентный режим лесной атмосферы
1.4. Эволюция примесей в атмосфере и их взаимодействие с подстилающей поверхностью
1.5. Техногенное загрязнение природной среды
1.6. Выводы
ГЛАВА 2. Модель турбулентного переноса аэрозолей в условиях леса
2.1. Физические основы модели
2.2. Математическая реализация модели
2.3. Анализ результатов модельных расчетов
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование загрязненности зоны влияния
промышленного узла
3.1. Характеристика района отбора проб
3.2. Пробоотбор и пробоподготовка
3.3. Методы анализа проб
3.4. Основные результаты эксперимента
3.5. Сравнение экспериментальных данных с результатами модельных расчетов
3.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Экологические проблемы сегодня выдвинулись на одно из первых мест в общественном сознании. Исчерпаемость природных ресурсов, растущие антропогенные нагрузки на экосистемы, увеличивающееся загрязнение среды обитания - проблемы, требующие адекватных решений. Это объясняет возрастающий интерес исследователей к изучению закономерностей генерации, распространения, трансформации загрязняющих субстанций в природных средах.
Одна из множества проблем данной тематики - исследование распространения примесей в атмосфере, которое происходит вследствие адвекции, седиментации и турбулентной диффузии. Последний процесс к настоящему времени изучен в наименьшей степени, особенно для случаев, когда воздушный поток перемещается над негладкой подстилающей поверхностью (лес, городская застройка и др). Для условий России такая ситуация достаточно типична.
Понимание механизма турбулентной диффузии в слое развитой шероховатости важно, в частности, и для решения чисто прагматической задачи - оптимизации способов обработки сельскохозяйственных посевов ядохимикатами, [32].
Конечной целью исследований в данном направлении является получение математических моделей, наиболее полно описывающих названные процессы и позволяющих получать максимально достоверную и точную априорную информацию о полях загрязнения, формируемых источниками загрязнения разного типа.
В последние годы, в связи с разработкой научной проблемы экологического нормирования возникла особенная необходимость научиться прогнозировать уровни загрязнения атмосферного воздуха, прочих природных сред в зоне влияния промышленных узлов, [21].
Экологическое нормирование - это научная дисциплина, занимающаяся обоснованием предельных экологических нагрузок на природные комплексы с учетом их особенностей (биоразнообразия, региона расположения, экологической емкости биогеоценозов и др). Корректная постановка задачи в этой области требует четкого количественного задания антропогенных нагрузок на экосистему, в том числе - уровней загрязнения атмосферного воздуха, почвы, элементов растительности.
Целью диссертационного исследования являлось изучение особенностей распространения атмосферных примесей над территорией, покрытой лесом. Поставленная задача решалась двумя способами: а) теоретическая часть диссертационной работы представляет собой разработку математической модели для описания турбулентной диффузии аэрозольной примеси в слое развитой шероховатости и ее численную реализацию

на ПЭВМ; б) экспериментальная - проведение комплексного полевого эксперимента, включающего отбор и последующий элементный анализ проб четырех видов депонирующих сред (снежного покрова, грунта, почвенной подстилки и элементов растительности), а также - отбор аэрозольных проб и проведение их морфологического и дисперсионного анализа.
В процессе работы над математической моделью автором изучено современное состояние вопроса, отмечен ряд эмпирических закономерностей, использованных им в модели.
Таким образом, для достижения поставленной цели в ходе диссертационного исследования применены следующие методы:
а) изучение и критический анализ опубликованных результатов теоретических и экспериментальных исследований по данной проблеме;
б) математическое моделирование переноса аэрозольной примеси в условиях подстилающей поверхности, покрытой лесом;
в) проведение комплексного полевого эксперимента, в ходе которого изучалось загрязнение природных сред в приволжской зоне республики Марий Эл.
В ходе выполнения диссертационной работы получен ряд новых результатов, которые выносятся на защиту:
1. в теоретической части.
1.1. Построена и численно реализована на ПЭВМ параметрическая математическая модель, описывающая перенос в атмосфере тяжелой аэрозольной примеси в пределах приземного подслоя. При ее разработке использован ряд оригинальных подходов.
1.2. Учтена тензорная природа коэффициента турбулентной диффузии. Вычислены компоненты тензора с использованием эмпирических соотношений между удельной энергией турбулентности и дисперсиями компонент скорости ветра для наиболее типичных условий в пределах приземного подслоя атмосферы.
1.3. На основе задания вертикального профиля удельной поверхности фитоэлементов в слое леса в виде гладкой функции получен вертикальный ход коэффициента турбулентной диффузии в аналитическом виде.
1.4. При задании стока примеси на обе стороны фитоэлементов учтен поток, пропорциональный дисперсии вертикальной составляющей скорости ветра.
1.5. Граничное условие по х задано, основываясь на соотношении Ричардсона для начального участка диффузии и численных оценках.
1.6. Краевое условие по ъ снизу сформулировано в соответствии с эмпирической закономерностью для скорости сухого осаждения в нижней части приземного подслоя.
2. в экспериментальной части.

сфере, основанных на решении ПУТД в рамках гипотезы Буссинеска, молчаливо предполагает, что. хотя коэффициент турбулентной диффузии и является тензорной величиной, его недиагональные элементы тривиальны. Кроме того, часто разработчики моделей пренебрегают и поворотом й(г) с высотой, который в пределах приземного подслоя действительно мал. Однако по мнению ряда авторов пренебрежение недиагональными компонентами тензора коэффициентов турбулентной диффузии неправомерно. Как показал эксперимент, [13], недиагональные члены ку имеют значительную

величину, тем большую, чем больше

. Компоненты тензора ку могут быть выра-
жены по предложению В.Роди, [13], через тензор вязких напряжений Рейнольдса:
к.. = с —и'и'
11 ''ф і І

(1.71)
где эмпирическая константа Сф = 0.13.
Для экспериментального определения компонент тензора ку Бородуллин, Майстрен-ко и Чалдин с привлечением гипотез Колмогорова и Роди сконструировали выражение, [13]:

(1.72)
где ф1(г/Ь) - некоторая универсальная функция, учитывающая термические условия в атмосфере.
На основании собственных эмпирических данных авторы [13] построили тензор ку.Оказалось, что поворот главных осей тензора относительно системы координат, связанной со средним ветром, весьма значителен, и углы поворота составляют в горизонтальной плоскости примерно 40°, а в вертикальной -15°.
Опираясь На ТИПИЧНЫе ДЛЯ ПрИЗеМНОГО СЛОЯ аТМОСферЫ Значения ДИСПерСИЙ С7х , (Ту, СТг:
[30]:
сгх~2ис1; <7У~1.7ш; ст2~1.1иа 0-73)
и приняв для Ш значение 0.8 м/с, авторы [13] вычислили компоненты тензора ку для нижнего слоя атмосферы:
2.5 8 2.19 0
ку * 2.19 186 0 (1.74)
0 0 0.78