Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Географические науки
Географическая экология

Диссертационная работа:

Чихонадских Елена Александровна. Математическое моделирование осредненных характеристик загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису : Дис. ... канд. техн. наук : 25.00.36 : Санкт-Петербург, 2003 154 c. РГБ ОД, 61:04-5/923

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список аббревиатур 4

Введение 5

1.АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНРЮАНИЯ ВЛИЯНИЯ

МЕГАПОЛИСА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА 11
ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

1.1 Общие положения 11

  1. Классификация загрязнений 11

  2. Источники загрязнения 21

1.2 Анализ существующей экологической ситуации в районе

мегаполиса на примере Санкт-Петербурга 29

  1. Влияние загрязнения воздуха на здоровье населения 50

  2. Анализ современного состояния проблемы моделирования

примеси в воздушном бассейне мегаполиса 53

Выводы по разделу и постановка задачи исследования 58

2. ФИЗИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 60

  1. Анализ подходов к моделированию временных рядов 60

  2. Вероятностные характеристики полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге 68

  3. Модель эволюции температурно-ветрового режима атмосферы 73

  1. Общий подход к прогнозированию 73

  2. Модель эволюции вертикального распределения температуры 76

  3. Модель эволюции скорости ветра 89 Выводы по разделу 92

3. МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 93
Выводы по разделу 95

4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЕНИЙ В
АТМОСФЕРЕ БОЛЬШОГО ГОРОДА 96

4.1 Модель переноса примеси в атмосфере большого города 96

  1. Уравнения модели 96

  2. Граничные условия 104

  3. Схема численной реализации модели 104

*

4.2 Модель чувствительности поля концентрации примеси к

вариациям параметров, характеризующих процесс переноса 108

Выводы по разделу 112

5. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЕЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ 113

  1. Структура модели 113

  2. Реализация имитационной модели 115 Выводы по разделу 117

6. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И АНАЛИЗ ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ. 118

  1. Параметры модели и начальные условия 118

  2. Анализ результатов моделирования 119

  3. Метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису 123

  4. Рекомендации по использованию метода в практике работы экологических служб 125 Выводы по разделу 126 Заключение 127 Приложение 1 130 Литература 148

4 СПИСОК АББРЕВИАТУР

Ф - концентрация примеси;

Ф* - функция чувствительности;

ju, v- коэффициенты диффузии;

f(x,t) - функция, описывающая источники примеси ;

u=(u,v,w) - вектор скорости;

х - вектор координат;

Q - интенсивность источника;

{z,}"=1 - временной ряд;

Vx, Vy - компоненты скорости ветра; Ks - критерий Колмогорова-Смирнова; W - критерий Шапиро-Уилкса; w - скорость седиментации;

Введение к работе:

Под совместным воздействием природных энергетических факторов -солнечной радиации, гравитационных и тектонических сил, химической и биогенной энергии — биосфера Земли сформировалась приблизительно за 2,5 млрд. лет. С возникновением социально организованного человеческого общества к природным энергетическим факторам добавился еще один -энергия мирового производства, который развивается неизмеримо быстрее и в последние годы имеет тенденцию к удвоению мощностей через каждые 14-15 лет. От организации этого производства в ближайшие десятилетия зависит, сохранится или необратимо нарушится подвижное равновесие в окружающей среде, сложившееся за миллиарды лет ее саморазвития. Наиболее реальной опасностью для жизни на Земле является нарушение химического равновесия в биосфере из-за высоких норм потери сырья при добыче и транспортировке, несовершенства технологических процессов и рассеяния в окружающей среде всех видов осадков, выбросов и стоков. Таким образом, в современном мире экологические проблемы по своему общественному значению вышли на одно из первых мест. К концу XX в. загрязнение окружающей среды отходами, выбросами, сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер и поставило человечество на грань экологической катастрофы. По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.

Загрязнение окружающей среды происходит весьма неравномерно. Основные очаги антропогенного воздействия расположены в регионах с развитой промышленностью, максимальной концентрацией населения и интенсивным сельскохозяйственным производством. Атмосферные выбросы большого города (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды, пыль) переносятся на большие территории, создавая экологическую напряженность.

В связи с этим задача оценивания экологических последствий антропогенных воздействий на экосистемы в настоящее время приобретает все большую актуальность. Особенно острой эта проблема является для районов с интенсивным развитием промышленности, таких, как районы расположения мегаполисов. Причем для территорий, прилегающих к мегаполисам, эта задача приобретает особое значение, так как, в отличие от искусственных экосистем крупного города, экосистемы окрестностей мегаполиса, в большинстве своем, являются естественными. Это обстоятельство предопределяет то, что, с одной стороны, последние более чувствительны к антропогенной нагрузке на природную среду, а с другой, имеют гораздо меньший ресурс самовосстановления в силу своей сложной внутренней организации.

В последние десятилетия проблема оценивания антропогенных воздействий на природную среду широко изучается. Большая заслуга в разработке подходов к разрешению этой проблемы и методов решения задач, возникших в ее русле, принадлежит таким ученым, как Г.И. Марчук, М.Е. Берлянд, Д.Л. Лайхтман, Е.Л. Генихович и др. Однако, несмотря на значительные усилия, предпринятые по разрешению данной проблемы, одна из важных и актуальных задач, а именно анализ долгосрочных воздействий и оценивание осредненных за длительный срок характеристик загрязненности атмосферы, не имеет еще своего окончательного решения.

Очевидно, что решение этой задачи невозможно без построения модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ, в которой бы корректно учитывались климатические особенности рассматриваемого региона. На основе такой модели могут быть получены средние (климатические) характеристики техногенной нагрузки на окружающую природную среду с целью их последующего использования как для формирования перечня безотлагательных мер, направленных на оздоровление ситуации, так и в качестве информационной основы для планирования развития инфраструктуры мегаполиса.

7 Таким образом, актуальность темы диссертационной работы определяется следующими обстоятельствами:

усилением антропогенной нагрузки на природную среду в районах расположения мегаполисов и, как следствие, повышением роли задач перспективного планирования этой нагрузки;

необходимостью разработки методов оценивания осредненных за длительный срок характеристик загрязненности атмосферы с учетом климатических характеристик;

потребностью в дальнейшем исследовании физических процессов переноса загрязнений в атмосфере большого города.

В соответствии с вышесказанным, целью диссертационной работы являлось построение имитационной модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ, предназначенной для оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

  1. проанализировать состояние проблемы оценивания влияния мегаполиса на загрязнение воздушного бассейна прилегающих территорий;

  2. ценить вероятностные характеристики полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге по результатам температурно-ветрового зондирования с высоким вертикальным разрешением;

  3. разработать физико-статистические модели эволюции скорости ветра и вертикального распределения температуры для генерации реализаций их временных рядов;

  4. предложить гидродинамическую модель переноса загрязнений в атмосфере мегаполиса для ее использования при оценивании средних характеристик загрязненности воздушного бассейна;

  5. разработать имитационную модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ;

  6. провести численные эксперименты и проанализировать их результаты;

8 7) разработать метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису, и практические рекомендации по его использованию. Основные научные результаты и их новизна состоят в следующем:

  1. на основе уникальных данных температурно-ветрового зондирования атмосферы получены оценки вероятностных характеристик полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге, имеющие высокое разрешение по вертикали;

  2. построены физико-статистические модели временных рядов параметров, определяющих условия переноса загрязняющих веществ в воздушном бассейне, а именно ветра и температурной стратификации атмосферы, позволяющие получать реализации их временных рядов на временных отрезках от сезона до года;

  3. разработана имитационная модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ в воздушном бассейне мегаполиса и его окрестностей, позволяющая корректно учитывать климатические характеристики региона при получении среднесезонных и среднегодовых оценок степени загрязненности воздушного бассейна;

  4. разработан метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.

Указанные результаты диссертационных исследований в совокупности выносятся на защиту как решение актуальной научной задачи научной задачи - разработки математических моделей осредненных характеристик загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису.

Практическая значимость работы определяется тем, что разработанная в диссертации имитационная модель процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ может быть использована при оценивании роли различных факторов, в том числе различных источников загряз-

9 нений, в формировании экологической обстановки, имеющей место в конкретном мегаполисе и прилегающих к нему территориях. Предложенный в работе метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису, может быть использован в работе экологических служб при планировании природоохранных мероприятий. Полученные оценки средне-сезонных и среднегодовых функций чувствительности полей концентрации загрязнений к вариациям интенсивности их источников могут быть использованы при выборе наиболее репрезентативных точек расположения экологических постов в Санкт-Петербурге и его окрестностях.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов обусловлена аргументированностью исходных положений, логической непротиворечивостью рассуждений, корректным использованием современного математического аппарата и подтверждается согласованностью полученных результатов и сделанных выводов с некоторыми частными результатами других авторов, фундаментальными теоретическими положениями и имеющимся эмпирическим материалом.

Апробация и публикации. Результаты диссертации докладывались и получили одобрение на итоговых сессиях ученых советов и научных семинарах Российского Государственного гидрометеорологического университета, Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета.

Результаты исследований реализованы в Государственном научно-исследовательском институте прикладных проблем, Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, Российском Государственном гидрометеорологическом университете. Реализация результатов зафиксирована соответствующими актами.

Структурно диссертация состоит из введения, шести разделов, одного приложения, заключения и списка литературы, содержащего 118 наименований.

10 В первом разделе на основе результатов экологического мониторинга

Северо-Западного территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды проводится анализ состояния проблемы оценивания влияния мегаполиса на загрязнение воздушного бассейна прилегающих территорий на для г. Санкт-Петербург и обсуждается современное состояние проблемы моделирования примеси в воздушном бассейне мегаполиса.

Во втором разделе проводятся анализ подходов к моделированию временных рядов, статистический анализ полей ветра и температуры в Санкт-Петербурге, полученных по результатам вертикального зондирования атмосферы. Полученные результаты используются для построения моделей эволюции вертикального распределения температуры и скорости ветра.

Третий раздел посвящен описанию источников антропогенной нагрузки на экосистемы.

В четвертом разделе описывается гидродинамическая модель переноса загрязнений в атмосфере большого города и ее численная реализация. На основе прямой модели распространения примеси строится модель чувствительности поля концентрации примеси к вариациям параметров процесса переноса.

Пятый раздел посвящен разработке имитационной модели процесса формирования полей концентрации загрязняющих веществ. Приводятся структура модели, результаты ее численной реализации.

В шестом разделе проводится анализ численных экспериментов по имитационному моделированию поля примеси, разрабатывается метод оценивания среднесезонных и среднегодовых характеристик степени загрязненности воздушного бассейна территорий, прилегающих к мегаполису и разрабатываются рекомендации по использованию метода в практике работы экологических служб. В заключении анализируются полученные результаты и определяются направления дальнейших исследований.

Подобные работы
Авдюшкина Екатерина Ивановна
Гидрохимическая оценка геоэкологического состояния территории бассейнов рек Бии и Северо-Западного Алтая
Березкин Виктор Юрьевич
Эколого-геологическая оценка качества ресурса геологического пространства территории бассейна р. Бодрак
Аниськин Виталий Олегович
Геоэкологические условия рекреационного использования территории бассейна Верхней Угры
Комиссаров Максим Сергеевич
Разработка систем мониторинга загрязнения почв тяжелыми металлами на территории Подмосковного угольного бассейна
Сугако Евгений Александрович
Совершенствование методики оценки радиоактивного облучения населения, проживающего на территории Подмосковного угольного бассейна
Михалевская-Целуйко Вера Сергеевна
Оценка загрязнения воды рек бассейна Верхней Оки на урбанизированных территориях : На примере Калужской области
Трушкин Владислав Владимирович
Геоэкологические основы устойчивого лесопользования на территории Восточного Прибайкалья (На примере бассейна реки Турки)
Левин Алексей Валерьевич
Геоэкологический анализ территории водосбора малой реки : на примере бассейна Угры
Гапоненко Виктор Валерьевич
Роль гуминовых веществ в восстановлении антропогенно измененных почв на территории мегаполиса
Мигалина Маргарита Александровна
Математическое моделирование и оптимизация программы реконструкции жилищного фонда мегаполиса

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net