Моделирование на основе сопряженных уравнений переноса загрязнений для задач комплексного экологического мониторинга

Ю. Н. Рябцев, М. В. Цыганова✉

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: m.tsyganova@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Решение задачи выбора мест для оптимального размещения источников загрязнения в Севастопольской бухте с помощью сопряженных уравнений переноса примеси – цель данной работы.

Методы и результаты. В качестве природоохранного объекта выбраны набережные центра города, Артбухта и зона городского пляжа. Решая сопряженную задачу переноса пассивной примеси, получим функцию влияния, позволяющую выявить районы побережья, размещение в которых источников загрязнения может причинить ущерб природоохранной зоне при заданной структуре течений. Чтобы убедиться в корректности решения сопряженной задачи, мы можем решить прямую задачу для различных положений источников примеси. Решение сопряженной задачи позволяет получить информацию о количестве примеси в заданной природоохранной зоне и в заданный период времени при произвольном расположении источника примеси. Для расчета скоростей течений используется линейная баротропная модель установившихся ветровых течений.

Выводы. По результатам численного моделирования определены районы, размещение в которых источников загрязнения приведет к нарушению санитарных норм в рассматриваемой природоохранной зоне. Эксперименты показали, что наиболее опасными являются ветры северных и восточных румбов, поэтому размещение промышленных объектов, ливневых и канализационных стоков жилых районов на Северной стороне Севастопольской бухты может нанести вред экологическому состоянию рассматриваемого района. При восточном и юго-восточном ветре основным источником опасности являются продукты хозяйственной деятельности в Южной бухте. При ветрах южных румбов опасность представляет размещение источников загрязнения на побережье самой рекреационной зоны.

Ключевые слова

численное моделирование, прибрежная зона, сопряженная задача, перенос примеси, Севастопольская бухта

Благодарности

Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ по теме № 0827-2019-0004 «Комплексные междисциплинарные исследования океанологических процессов, определяющих функционирование и эволюцию экосистем прибрежных зон Черного и Азовского морей», при финансовой поддержке РФФИ и г. Севастополя в рамках научного проекта № 20-45-920019 «Междисциплинарное исследование влияния физико-географической конфигурации городской ливневой канализации в полузакрытой антропогенно-нагруженной бухте эстуарного типа на экологическое и рекреационное состояние береговой зоны».

Для цитирования

Рябцев Ю. Н., Цыганова М. В. Моделирование на основе сопряженных уравнений переноса загрязнений для задач комплексного экологического мониторинга // Морской гидрофизический журнал. 2020. Т. 36, № 2. С. 214–225. EDN VHTKHX. doi:10.22449/0233-7584-2020-2-214-225

Ryabtsev, Yu.N. and Tsyganova, M.V., 2020. Modeling of Pollution Transport for the Integrated Environmental Monitoring Based on the Adjoint Equations. Physical Oceanography, 27(2), pp. 197-209. doi: 10.22449/1573-160X-2020-2-197-209

DOI

10.22449/0233-7584-2020-2-214-225

Список литературы

  1. Мухаметов С. С., Кондратьев С. И. Экстремальные значения гидрохимических параметров в водах Севастопольской бухты в феврале 2015 г. в результате ливневого стока // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2017. № 6. С. 9–17.
  2. Belokopytov V. N., Kubryakov A. I., Pryakhina S. F. Modelling of Water Pollution Propagation in the Sevastopol Bay // Physical Oceanography. 2019. Vol. 26, iss. 1. P. 3–12. doi:10.22449/1573-160X-2019-1-3-12
  3. Accumulations of trace metals in bottom sediments of the Sevastopol Bay (Black Sea) / K. Gurov [et al.] // Proceedings of the 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM. Sofia. 2019. Vol. 19. P. 649–656. doi:10.5593/sgem2019/3.1/S15.083
  4. Совга Е. Е., Мезенцева И. В., Котельянец Е. А. Ассимиляционная емкость экосистем морских мелководных акваторий с различным уровнем антропогенной нагрузки как метод оценки их самоочистительной способности // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2017. Т. 28, № 4. С. 38–51. doi:10.21513/0207-2564-2017-4-38-51
  5. Оценки самоочищающей способности экосистемы Севастопольской бухты по отношению к неорганическим формам азота / В. А. Иванов [и др.] // Процессы в геосредах. 2015. № 2. С. 55–65.
  6. Slepchuk K. A., Khmara T. V., Man’kovskaya E. V. Comparative assessment of the trophic level in the Sevastopol and the South bays using the E-TRIX index // Physical Oceanography. 2017. Vol. 5. Р. 60–70. doi:10.22449/1573-160X-2017-5-60-70
  7. Oithona davisae: Naturalization in the Black Sea, Interannual and Seasonal Dynamics, Effect on the Structure of the Planktonic Copepod Community / A. D. Gubanova [et al.] // Oceanology. 2019. Vol. 59, iss. 6. P. 912–919. doi.org/10.1134/S0001437019060079
  8. Марчук Г. И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. Москва : Наука, 1982. 319 с. URL: https://b-ok2.org/book/3120804/4e6c49 (дата обращения: 15.08.2019).
  9. Zhmenya Е. S., Buzalo N. S. Sensitivity of biological sewage disposal efficiency functional to parameters of biogen concentration dynamics model // Vestnik of Don State Technical University. Vol. 18, iss. 1. P. 85–91. doi:10.23947/1992-5980-2018-18-1-85-91
  10. Marchuk G. I., Penenko V. V. Application of optimization methods to the problem of mathematical simulation of atmospheric processes and environment // Modelling and Optimization of Complex System. Lecture Notes in Control and Information Sciences / Ed. G. I. Marchuk. Berlin, Heidelberg : Springer, 1978. Vol. 18. P. 240–252. doi.org/10.1007/BFb0004167
  11. Бузало Н. С., Никифоров А. Н. Сопряженные уравнения в задачах управления концентрацией неконсервативной примеси // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. №4 (141). С. 203–209.
  12. Чувствительность функционалов задач вариационного усвоения данных наблюдений / В. П. Шутяев [и др.] // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2015. Т. 51, № 3. С. 392–400.
  13. Дымова О. А., Кочергин В. С., Кочергин С. В. Идентификация местоположения возможного источника загрязнения в акватории Гераклейского полуострова на основе метода сопряженных уравнений // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2018. Т. 15, № 3. С. 72–77. https://doi.org/10.31429/vestnik-15-3-72-77
  14. Ivanov V. A., Cherkesov L. V., Shulga T. Ya. Investigation of effects of spatially and temporally variable wind on currents, surges, and admixture spread in the Sea of Azov // Russian Meteorology and Hydrology. 2012. Vol. 37, iss. 8. P. 553–559. doi: 10.3103/S1068373912080079
  15. Ivanov V. A., Cherkesov L. V., Shulga T. Ya. Dynamic Processes and Their Influence on the Transformation of the Passive Admixture in the Sea of Azov // Oceanology. 2014. Vol. 54, iss. 4. P. 426–434. doi:10.1134/S0001437014030023
  16. Кочергин В. С., Кочергин С. В., Станичный С. В. Использование метода сопряженных уравнений при идентификации источников загрязнения в Азовском море // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14, № 1. С. 50–57. doi:10.21046/2070-7401-2017-14-1-50-57
  17. Рябцев Ю. Н., Шапиро Н. Б. Оптимизация размещения источников загрязнения на севастопольском взморье с учетом минимизации ущерба рекреационным зонам // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2007. Вып. 15. C. 280–298.
  18. Шапиро Н. Б. Моделирование течений на севастопольском взморье // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2006. Вып. 14. С. 119–134.
  19. Михайлова Э. Н., Шапиро Н. Б., Ющенко С. А. Моделирование распространения пассивной примеси в севастопольских бухтах // Морской гидрофизический журнал. 1999. № 3. С. 29–42.

Скачать статью в PDF-формате