1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна




Скачати 252.63 Kb.
Назва1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна
Сторінка1/2
Дата конвертації04.03.2013
Розмір252.63 Kb.
ТипДокументы
uchni.com.ua > Математика > Документы
  1   2

УДК 504.4.054.001.57


В.С. Кресін1, канд. тех. наук , зав. лабораторії, В.О. Бараннік2 , канд. фіз.-мат. наук, доцент

(1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна,


2 Національна академія міського господарства м. Харків, Україна)

МАТЕМАТИЧНЕ ПРОГНОЗУВАННЯ ЗМІН МАСООБМІНУ ТА ЯКОСТІ ВОД У КЕРЧЕНСЬКІЙ ПРОТОЦІ ВНАСЛІДОК БУДІВНИЦТВА ДАМБИ В РАЙОНІ ОСТРОВА ТУЗЛА

Розроблена математична модель для розрахунків змін масообміну та якості вод у Керченській протоці внаслідок впливу збудованої дамби. Прогнозні розрахунки показали, що негативні наслідки дамби на екологічний стан Керченської протоки в найбільший ступені будуть проявлені у Таманській затоці. Де прогнозується зростання вмісту загального азоту та фосфору, які призведуть до посилення процесів евтрофування та погіршення якості води.

^ Ключові слова: водообмін, якість вод, дамба, Керченська протока

Будівництво у вересні 2003 з узбережжя Росії дамби у районі острова Тузла викликало занепокоєність в Україні змінами екологічного стану Керченської протоки, пов’язаними з впливом дамби. Тому виникла необхідність прогнозу впливу збудованої дамби на масообмін та якість води у Керченській протоці. Відповідно доручення Мінприроди України Український науково-дослідний інститут екологічних проблем виконав наукову еколого-експертну оцінку стану якості води Азовського моря під впливом функціонування дамби в районі острова Тузла. У ході виконання робіт було здійснено математичне прогнозування змін масообміну та якості вод у Керченській протоці.

Метою робот які здійснювала російська сторона було відновлення ”природних” меж коси Тузла (з включенням до неї о. Тузла) шляхом улаштування насипної дамби з гірської маси із кріпленням бокових сторін камяним накиданням укісного типу [4]. Запроектована споруда повинна була з’єднати між собою о. Тузла і російський берег Керченської протоки. Обґрунтовуючи екологічну доцільність з’єднання дамби з о. Тузла російські розробники проекту акцентували увагу на тому, що у разі залишення „промоїни” при вітрах північних і південних румбів будуть розвиватися течії до 1.7 – 2 м/с. При чому, у разі недобудови дамби острів почне розмиватися дуже швидкими темпами. Для оцінки гідрологічного впливу дамби російськими розробниками було використано математичну модель, яка описувала циркуляцію води та величину нагонів біля берега, і були виконані розрахунки вітрових течій.

Негативних наслідків від цих змін російські розробники не прогнозували, натомість вони вважали, що зменшення солоності в Таманській та Динській затоках позитивно відзначиться на їх продуктивності. Оцінка впливу гідрологічних чинників на хімічні показники якості води, окрім солоності, у проекту була повністю відсутня, хоча, враховуючи різницю у якості води Азовського і Чорного морів за вмістом біогенних і забруднюючих речовин антропогенного походження, наслідками впливу дамби можуть бути зміни вмісту пріоритетних забруднюючих речовин антропогенного походження, насамперед нафтопродуктів, і біогенних речовин, зокрема мінерального азоту і фосфору у Таманській затоці і в прилеглих акваторіях Керченської протоки. Застосовані у математичній моделі російських розробників оцінки впливу на навколишнє середовище (ОВНС) [4] рівняння Сен-Венана для находження швидкості морської течії оперують осередненою по глибині швидкістю течії та не відтворюють тієї особливості вітрової циркуляції у Керченській протоці, що морська течія у протоці характеризується значною нерівномірністю по глибині (різноспрямовані потоки на поверхні та дні). Тому була розроблена більш адекватна математична модель формування якості вод у Керченській протоці.

^ Матеріал та методи. З метою дослідження змін процесів масообміну та стану якості вод у Керченській було використано метод математичного моделювання. Розроблена модель включала два блоки: гідродинамічний та блок моделювання переносу розчинених речовин течіями. Дані гідродинамічного моделювання були використані для визначення параметрів водообміну між частинами акваторії Керченської протоки та були вихідними даними для моделі переносу розчинених речовин морськими течіями.

Характерною особливістю Керченської протоки і Азовського моря є їх мілководність (середня глибина Азовського моря HAS  7,4 м), що сприяє досить швидкому встановленню вітрових течій при стабільних вітрових синоптичних ситуаціях. Час d LAS/g, за який течії пристосовуються до поля вітрового впливу, оцінюється максимальним часом поширення гравітаційної хвилі із швидкістю g (gHAS)1/2 по вільній поверхні моря на його довжині LAS 3·105 м і становить d 10 годин. З другого боку, характерний час переносу розчинених речовин на відстань, що дорівнює лінійному розміру Керченської протоки LK  5·104 м, із характерною швидкістю вітрових течій c 0,1 м/с становить приблизно c LK/c =6 діб. Це дозволяє моделювати вплив нестаціонарних течій на процеси масообміну у протоці послідовністю стаціонарних (осереднених) картин циркуляції відповідно до їх повторюваності.

З метою забезпечення надійності прогнозних оцінок для проведення модельних досліджень адаптовано раніше апробовані моделі формування якості морських вод [7, 9-11]. Для розрахунків потрібних характеристик режиму циркуляції у Керченській протоці була обрана модель Гедні і Ліка [7] з модифікацією О.І. Фельзенбаума [6] щодо вибору величин коефіцієнта вертикальної турбулентної в’язкості та граничних умов вільного перетікання на “рідких” границях області протоки, що моделюється. Гідродинамічний блок було детально описано у [3]. Наведені диференційні рівняння xbctkmyj вирішувались відносно інтегральної функції потоку ітеративним методом Зейделя для 5-точкового шаблону апроксимації “хрест”. Розрахунок швидкості морської течії дав можливість визначити величину водообміну через будь-яку вертикальну поверхню (створ) у протоці за формулою
, (1)
де Qs,s’ є матриця витрат води притоку з камери s’ до камери s ; розрахункові складові вектора горизонтальної швидкості течії, і - компоненти нормалі до обраної поверхні.

Згідно проведених розрахунків [3] збудована дамба не вплине на водообмін між Азовським та Чорним морями, але її вплив пошириться на Таманську затоку за рахунок скорочення притоку до неї чорноморських вод. У середньому водообмін між Таманською затокою і Керченською протокою зменшиться приблизно на 45% (див. табл. 1).
Для моделювання впливу водообміну на перенос речовин протока була умовно розділена на камери (секції), в межах яких можна не розрізнювати горизонтальну неоднорідність розподілу розчинених речовин. Якщо таку камерну структуру протоки вибрано, модельований розподіл швидкості течій дозволяє визначити витрати води, якою обмінюються камери через їх границі при різних вітрових ситуаціях і загальному перетику води через протоку. Величини водообміну Qs,s' різними частинами (камерами) протоки були використані як вихідні дані для подальшого моделювання якості морських вод у протоці.

Рівняння, що відображують властивості камерної моделі вмісту речовин, є рівняннями матеріального балансу води та вмісту розчинених речовин, що формують якість води:

ds/dt = Qs,s’Qs’,s, (2)

ds/dt·Ci,s = Qs,s·Ci,s – (Qs’,s)·Ci,s – k·Ci,s·s·, (3),
де s є об’єм камери, що має номер s; Ci,s є концентрація розчиненої речовини i у камері s; k – швидкість реакції першого порядку біохімічної трансформації речовини i у камері s, якщо розглядається неконсервативна речовина.

Кожна камера отримує або втрачає воду, що вміщує розчинені речовини, від чи до прилеглих камер або зовнішніх джерел (атмосфера, дно чи прилеглі донні відкладення).

З урахуванням балансу мас рівняння щодо концентрації розчиненої речовини мають вигляд:

dCi,s/dt = Ks,s’ ·(Ci,s’ – Ci,s) – k·Ci,s, (4),

Ks,s’ = Qs,s’/s, (5),

де Ks,s’ є коефіцієнт впливу притоку води до камери s із камери s’.

Камерна модель протоки була представлена як система звичайних диференціальних рівнянь першого порядку, що мають бути вирішувані разом із початковими умовами

Ci,s(t-0) = Ci,s(0), (6),

де Ci,s(0) – початкова концентрація речовини i у камері s на початку модельованого періоду; при цьому коефіцієнти впливу повинні розглядатися як вихідні дані, що мають бути отримані з моделі циркуляції води.

Для модельних досліджень можливого впливу дамби на гідрохімічний режим Керченської протоки та прилеглих районів Чорного і Азовського морів застосовано стохастичний підхід, згідно до якого нестаціонарна циркуляція у протоці моделювалась як стохастична послідовність осереднених стаціонарних полів швидкості течії, що відповідають основним напрямкам вітру і мають відповідну повторюваність [10]. Це дозволило заздалегідь розрахувати коефіцієнти впливу на масоперенос для кожної характерної картини циркуляції і проводити моделювання масопереносу окремо від моделювання циркуляції. Крім того, для консервативних розчинених речовин з коефіцієнтом не консервативності k=0 можна обмежитись лише розрахунком нормованої концентрації

Si = (Ci–CЧм)/(САм–СЧм), (7),

де Si – нормована концентрація речовини у камері i; CЧм – концентрація речовини у прилеглій частині Чорного моря, що задається константою; САм – концентрація речовини у прилеглій частині Азовського моря (також постійна). Величина Si показує пропорцію, у якій вода Азовського моря змішується з чорноморською водою у камері i.

Для відтворення особливостей циркуляції вод Керченської протоки з урахуванням контурів берегової лінії, розподілу глибин та впливу дамби, вибрано район Керченської протоки з прилеглими районами Чорного і Азовського морів, що має розміри 55 км по довготі і 55 км по широті (рис.1). Для розрахунків обрана сітка з однаковими кроками по горизонталі та вертикалі, що дорівнюють 250 м.

Контури берегової лінії та розподіл глибин у районі встановлені з навігаційної карти Керченської протоки. Розміщення камер, їх нумерація та границі вказані на рисунку 1. Камера “0” є прилегла до протоки частина Азовського моря; камера “1” включає північну частину Керченської протоки з об’ємом 1.12 км3; камера “2” – Таманська затока (з об’ємом 1.28 км3); камера “3” охоплює південну частину Керченської протоки з об’ємом 2.24 км3 і камера “4” відноситься до прилеглої частини Чорного моря. Моделювання осереднених течій Керченської протоки було виконано для напрямків вітру восьми румбів за умов відсутності дамби, сучасної конфігурації дамби з вільним проходом між нею і о. Тузла приблизно 500 м., та її скороченого варіанту з проходом 1 км. Об’єми камер з номерами “0” і “4”, що охоплюють прилеглі акваторії морів, були задані суттєво більшими ніж камери протоки. Це при моделюванні у часі t динаміки величин нормованої концентрації Si(t) у камерах (i=0,4) забезпечувало постійність належних граничних умов:

S0(t)=1, (8)

S4(t)=0. (9)
Початковими умовами у камерах, на які поділено Керченську протоку, було обрано

S1(0)=0, S2(0)=0, S3(0)=0. (10)

Нестаціонарні умови вітрового впливу на водообмін моделювались стохастичною послідовністю напрямків вітру, утвореною за допомогою генератора випадкових чисел відповідно до їх повторюваності за довгостроковий час метеорологічних спостережень (за даними МГ „Опасне” за період 1980-2002 р).

Тривалість дії певної вітрової ситуації, що випадала за черговим випадковим числом, і вибір на цей час відповідної матриці коефіцієнтів впливу для розрахунків нормованої концентрації розчиненої речовини у камерах протоки, обиралася рівною 1 добі. Часовий крок для чисельного інтегрування системи звичайних диференційних рівнянь складав 0.1 доби. Термін періоду, на який проводились розрахунки, складав 1 рік.

^ Результати та обміркування. За результатами моделювання динаміки нормованої концентрації за умов відсутності дамби (природні умови) час утримання вод (час зовнішнього водообміну) у камерах “1” і “3” (північна і південна частини протоки) у природних умовах складав близько 10 діб. Час зовнішнього водообміну Таманської затоки визначається величиною 100 діб (близько до 3 місяців). Це є часом пристосування гідрохімічного складу вод камер до зовнішнього впливу з боку прилеглих морських акваторій. Згодом, нормована концентрація домішок перестає залежати від початкових умов і виходить на середній рівень

S1 = 0.849, S2 = 0.533, S3 =0.104. (11)

Відповідно до формули (7) концентрацію певної консервативної розчиненої речовини у водах Керченської протоки можна вирахувати за формулою

Ci = Si·CАм + (1–Si)·CЧм, (12)

Таким чином у камерах Керченської протоки для природних умов маємо

С1 = 0.849·CАм + 0.151·СЧм, (13)

С2 = 0.533·CАм + 0.467·СЧм, (14)

С3 = 0.104·CАм + 0.896·СЧм. (15)

Виходячи з формул (13 – 15) середню природну концентрацію консервативної розчиненої речовини у Керченській протоці можна розрахувати за формулою

C’ = (W1 ·C1+W2·C2+W3·C3)/W = 0,402·CАм + 0,598·СЧм, (16),

W = W1+W2+W3,

де Wi – об’єм i-ої камери.

У табл. 2. наведені дані натурних спостережень (Південного науково-дослідного інституту морського рибного господарства і океанографії, ПівденНІРО м. Керч) за період 1986-2000 р.р. та розрахункові дані щодо солоності та вмісту нафтопродуктів у прилеглих морських акваторіях і водах Керченської протоки. Як видно з наведених даних, розрахунки досить добре збігаються з спостереженнями (відносна похибка приблизно складає 10%). Відхилення можуть бути пов’язані головним чином із непропорційним розподілом спостережень, що осереднювались по акваторії протоки.

При наявності дамби у сучасному стані динаміка зміни камерних нормованих концентрацій речовин приймає дещо інший характер, час утримання вод (час зовнішнього водообміну) у камерах Керченської протоки майже не змінюється у порівнянні з природними умовами, лише зростає приблизно до 4-х місяців для Таманської затоки. Згодом нормована концентрація домішок перестає залежати від початкових умов і виходить на середній рівень
S1 = 0.857, S2 = 0.854, S3 = 0.098. (17)
Відповідно до формули (12) концентрацію певної консервативної розчиненої речовини у камерах Керченської протоки в умовах існуючої дамби можна вирахувати за формулами

C1 = 0.857·САм + 0.143·СЧм, (18)

C2 = 0.854·САм + 0.146·СЧм, (19)

C3 = 0.098·САм + 0.902·СЧм. (20)

Виходячи з цих формул було визначено, що дамба майже зовсім не вплине на концентрацію розчинених речовин у північній частині Керченської протоки і тому не слід очікувати її впливу на солоність Азовського моря. З другого боку, дамба змінить гідрохімічний склад води Таманської затоки, який майже впритул наблизиться до складу північної частини протоки і Азовського моря.

Якщо навіть скоротити дамбу, залишивши вільну частину до о. Тузла завширшки 1 км динаміка змін у камерах Керченської протоки також майже не змінюється у порівнянні з природними умовами. Нормована концентрація домішок в умовах скороченої дамби перестає залежати від початкових умов і виходить на середній рівень

S1 = 0.856, S2 = 0.804, S3 = 0.099. (21)

Згідно до формули (12) концентрацію певної консервативної розчиненої речовини у камерах Керченської протоки за умов скороченої дамби можна розрахувати за формулами

C1 = 0.856·CАм + 0.144·СЧм, (22)

C2 = 0.804·CАм + 0.196·СЧм, (23)

C3 = 0.099·CАм + 0.901·СЧм, (24)

Виходячи з наведених формул (22-24) було визначено, що скорочена дамба також зовсім не вплине на концентрацію розчинених речовин у північній частині Керченської протоки і тому не призведе до зменшення солоності Азовського моря. З другого боку, скорочена дамба, як і існуюча споруда, також змінить гідрохімічний склад води Таманської затоки, який майже впритул наблизиться до складу північної частини протоки і Азовського моря. Згідно розрахунків вклад азовських та чорноморських вод до формування якості морських вод у Таманській затоці у природних умовах та після будівництва дамби наведено на рис 2.
Користуючись отриманими залежностями, були проведені розрахунки вмісту деяких домішок, що характеризують солоність вод, антропогенне навантаження на Керченську протоку та вміст споживних речовин у протоці у природних умовах і після спорудження дамби. Дані щодо характерних концентрацій речовин у прилеглих до протоки морських акваторіях і Керченської протоці були надані ПівденНІРО м. Керч . Результати розрахунків наведені у табл. 3 .
За результатами розрахунків в умовах існуючої дамби дещо знизиться солоність вод Таманської затоки та підвищиться декілька концентрація азоту та нафтопродуктів у Таманській затоці. Окрім того, зменшення зовнішнього водообміну Таманської затоки буде призводити до погіршення кисневого режиму, а також до більш інтенсивного накопичення донних відкладень та формування джерел вторинного забруднення води. Що у свою чергу може зменшить рибопродуктивність у затоці [2] .

У вісімдесяті роки минулого століття, коли економіка прилеглих країн ще не зазнала значного занепаду, вміст споживних речовин у водах Азовського і Чорного морів у порівнянні з сучасним станом був значно більшим. Концентрація валового азоту у Азовському морі досягала 1110 мкг/дм3, у Чорному морі – 350 мкг/дм3; фосфору валового, відповідно, - 80 мкг/дм3 та 27 мкг/дм3 [5].

Тому виходячи з цих даних , згідно з результатами прогнозних розрахунків у перспективі після відновлення економічної активності у регіоні слід очікувати значного зростання вмісту споживних речовин (насамперед лімітуючого фосфору) у Таманській затоці, що призведе до зростання її евтрофікації ( див.табл.4 та рис.3-4 ), а також росту нафтопродуктів з перевищенням рівня ГДК (див. рис.5). При цьому прогнозується значне погіршення в літній період якості води у затоці, викликане масовим розвитком планктонних водоростей, та як слідство, подальше погіршення кисневого режиму, що може призвести до явищ задуху. Негативні наслідки цього явища можуть спостерігатися і в Керченській протоці під час винесення біомаси водоростей у протоку з Таманської затоки.
  1   2

Схожі:

1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconПетюшенко людмила миколаївна, публікація, секція №2
Київ, Український науково-дослідний інститут медико-біологічних проблем та біоенергетичних технологій, директор
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconМіжнародна науково-практична конференція “ україна в системі світових...
Друкується за рішенням Вченої ради Міжнародного Слов’янського університету. Харків
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconХix міжнародної Науково-практичної конференції Інформаційні технології:...
Україна, 61002, Харків, вул. Фрунзе, 21, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconНастанова
Орендне підприємство «Науково-дослідний інститут будівельного виробництва» (оп «ндібв»)
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconПлан роботи методичної ради єлизаветівської сзш обговорено на засіданні методичної ради
«Усвідомлення учнями екологічних проблем, характерних для сільської та міської місцевості, формування в них досвіду спілкування у...
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconРозділ І: Роль І значення принципу міжнародного співробітництва в...
Загальна характеристика глобальних екологічних проблем в міжнародному праві навколишнього середовища
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconСистема забезпечення надійності та безпеки будівельних об'єктів
Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Мінрегіонбуду України (ндібк)
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconПротипожежний захист
Внесено: Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки мнс україни (Укрндіпб мнс україни)
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconКонкурс проводиться у два етапи
Просимо Вас забезпечити участь школярів 8 – 11 класів Донецької області в Міжнародному конкурсі з українознавства, який проводить...
1 Українській науково-дослідний інститут екологічних проблем м. Харків, Україна iconЛокальна автоматизована система моніторингу та оповіщення для потенційно...
Всеукраїнський науково-дослідний інститут цивільного захисту населення І територій від надзвичайних ситуацій техногенного та природного...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Школьные материалы


База даних захищена авторським правом © 2014
звернутися до адміністрації
uchni.com.ua
Головна сторінка