Заурбеков Н.С. –
д.т.н., профессор, зав.каф ИТ АТУ
Заурбеков
И.С. – преподаватель Академии КНБ РК
Умаргалиева А.А. – магистрант ИС КазЭУ им.
Т.Рыскулова
Алматы, Республика Казахстан
Численная реализация математической модели переноса
вредных веществ в атмосфере
Общая
структура и основные входные данные для реализации модели переноса в атмосфере. Для реализации рассмотренных в
работе методов и алгоритмов решения задачи пограничного и приземного слоя и
переноса примесей создан комплекс программ, построенных на модульном принципе,
что позволило упростить построение основных программ расчета, комплектуя их из
отдельных программ-модулей.
Рассматриваемый
комплекс программ включает в себя программы модули, реализующие следующие
основные методы и алгоритмы [480]:
- алгоритм решения системы
уравнений гидротермодинамики в криволинейной системе координат;
- алгоритм решения уравнений
для квазиоднородного приземного слоя;
- алгоритм расчета
температуры и влажности на поверхности подстилающей поверхности;
- алгоритм решения уравнения
турбулентного переноса примесей в атмосфере региона;
- алгоритм расчета
вертикальных и горизонтальных коэффициентов турбулентного обмена;
- блок задания и
идентификации входной информации;
- блок организации выдачи
выходной информации в виде изолиний и таблиц, в этом блоке используется
сервисные программы математического обеспечения графопостроителей и системы
визуализации.
На основе
комплекса моделей решен следующий
класс практических и
исследовательских задач по
изучению локальной циркуляции в ограниченной области:
-
исследование влияния антропогенных изменений свойств (термических, динамических,
влажности и др.) подстилающей поверхности на динамику пограничного слоя атмосферы;
- изучение закономерностей
распространения загрязняющих примесей совместно с развитием
гидротермодинамических процессов при различных погодных условиях (инверсии,
штиле, внешнем потоке и др.) и с учетом изменений характеристик подстилающей поверхности
региона;
- оценка и контроль
загрязнения атмосферы и промышленных регионов;
- численное моделирование
гидрометеорологического режима региона.
Комплекс
программ построен таким образом, чтобы подключение определенного блока,
необходимого при решении конкретной задачи, можно было осуществить через задание
входных параметров модели.
Основные
входные параметры, необходимые для моделирования микро климата локальной
области: географические координаты и
размеры рассматриваемой области; параметры
дискретной области; время суток;
зенитный угол и склонение Солнца; характеристики подстилающей поверхности (рельеф, параметры шероховатости, альбедо, теплофизические
свойства почвы); значение фоновых полей метеоэлементов: компонент вектора
скорости, температуры и влажности;
распределение и мощности
искусственных источников тепла, влаги и примесей.
Все
величины, задаваемые во входной информации, являются функциями пространственных
координат. Фоновые значения метеополей и примесей могут быть получены либо по
данным наблюдений в атмосфере, либо из крупномасштабной модели динамики атмосферы. Шаги по времени и пространству задаются из
конкретных требований поставленной задачи.
В
результате работы комплекса программ может быть получена следующая выходная
информация:
-
значения пространственных полей метеоэлементов и примесей в любой момент времени;
-
поля интегральных концентраций примесей.
Выходная информация выдается в следующих
формах:
-
численные значения полей метеорологических элементов и концентрации
примесей во всей области, ее частях или сечениях;
-
изолинии полей метеоэлементов и концентраций примесей в различных
сечениях;
-
векторные поля скорости для различных сечений области.
Требования к моделям,
методике выходной информации,
метеорологической информации и расчетов приземной концентрации отдельных ингредиентов от группы источников.
Суть требовании изложена в [2].
1. Модель трехмерная,
гидродинамическая, нестационарная.
2. Модель описывает все процессы, определяющие
выброс и перенос газоаэрозольной смеси нескольких примесей с учетом
трансформации химических загрязняющих веществ: адвективный перенос; трехмерной
турбулентной стратификации и шероховатости подстилающей поверхности; подъем
вертикальными движениями (крупномасштабными, орографическими и мезомасштабными
конвективными движениями); подъем выброса за счет начального импульса струи и
ее перегрева окружающего воздуха; гравитационное осаждение примеси с
подстилающей поверхности и ее вторичный перенос.
3.
Математическая формулировка модели включает описание трехмерного уравнения
сохранения массы и постановку начальных и граничных условий на земле, верхней и
боковых границах, не препятствующих свободному вытеканию примеси за расчетную
область.
4. Численная
реализация модели использует численную схему обладающую: малой счетной
вязкостью (2-ой порядок аппроксимации по пространству и времени); имеет малую
фазовую ошибку; консервативная и монотонная.
5. Программа реализована на компьютере и имеет
диалоговый режим задания основных начальных (входных) параметров.
6. Методика
расчета рассматривает опасные метеорологические условия загрязнения, их
классификацию и позволяет обобщать отдельные синоптические (опасные) ситуации
на длительные периоды времени с целью прогноза возможного загрязнения
окружающей среды, с учетом трансформации химических загрязняющих веществ.
Требования к выходной информации:
- плотность выпадения каждой примеси (H2S, SO2
и NO2) на
подстилающую поверхность;
- концентрация каждой примеси: приземная (0-10 м) и на высоте 100 м.
Если нужна дополнительная информация, то
требуется указать.
Расчетная информация выдается в узлах расчетной сетки с шагом сетки,
если требуется в пунктах, указать их координаты.
Требования к заданию метеорологической
информации:
- наименование
и координаты ближайшей аэрологической станции зондирования;
- доступная
информация по этой станции:
а) ежедневная (таблица 1);
б) среднемесячная (таблица 2);
в) давление (Р), температура
(Т), точка росы (Td), направление (ff) и
скорость ветра (dd), высота (H), изобарическая поверхность в м;
- названия и координаты приземных синоптических
станций;
- доступная информация по каждой станции: ежедневная и среднемесячная.
Требования к заданию расчетной области:
-
топографическая карта с нанесенным квадратом (областью расчета), указанием сторон
света и нанесенными источниками;
- задание коэффициента
шероховатости по всей области;
- задание шага сетки (необходимая детализация
расчетов).
Требования к заданию
источников (таблица 3):
- мощность источников в
г/м3 или задание концентрации в 2г/м3 каждой примеси (H2S, SO2, NO2) в объеме выброса в м3;
- одинакова ли
концентрация при различных регламентах работы (отдувка и т.д.). Отдувки и
прочие режимы существуют в интервалах времени; указанных в документе (15-25
мин.) или же это данные выборки;
- высота труб, из которых происходят выбросы; эффективная высота выброса
или температура выброса, диаметр устья трубы.
Функциональная блок-схема
программы модели переноса примесей в атмосфере. Разработанный комплекс программ GIDROMAIN включает в себя программные модули,
реализующие основные методы и алгоритмы, излагаемые в данной диссертационной
работе [2, 3]. Программа осуществляет обращение ко всем параметрическим процедурам,
а также интегрирование по времени на заданное число суток. Функциональная схема
реализации модели переноса примесей в атмосфере приведена в рис.1.
Таблица 1 – Требования к
заданию ежедневной метеорологической
информации
|
Число |
Давление
(мб) |
Температура (ОС) |
1.1.1.1
Td
(ОС) |
ff (град) |
dd (м/c) |
H (м) |
|
|
1003 |
|
|
|
|
|
|
|
925 |
|
|
|
|
|
|
|
850 |
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
Таблица 2 – Требования к заданию ежемесячной
метеорологической информации
|
Число |
Давление
(мб) |
Темпера-тура
(ОС) |
Td (ОС) |
Ff (град) |
dd (м/c) |
Балл облачности |
Осадки |
Инверсии |
|
Среднемесячное
|
1003 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
925 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
850 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
500 |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 –
Требования к заданию источников
|
Дата |
№ источника |
Название пункта |
Название |
Объем выброса,мм |
Время |
||
|
режим работы |
концентрация, г/м |
начало и окончание |
|||||
|
HS |
SO |
NO |
|||||
|
|
1 |
Карачаганак |
отдувка,
выжигание и т.д. |
15 |
100 |
20 |
17.00-17.30 21.10-21.40 |
METEO.LST – блок задания микро климата региона. Вводится
основные входные параметры, необходимые для моделирования микроклимата
локальной области: географические координаты и размеры рассматриваемой области;
параметры дискретной области; время суток; зенитный угол и склонение Солнца;
характеристики подстилающей поверхности (рельеф, параметры шероховатости, альбедо, теплофизические свойства
почвы); значение фоновых полей метеоэлементов: компонент вектора скорости,
температуры и влажности; распределение
и мощности искусственных источников тепла, влаги и
примесей; количестве суток на которое ведется расчет; количество, местоположение,
высота и мощность источников как непрерывного действия, так и дающих аномальный
выброс на заданном шаге по времени.
Кроме того, считывается информация о вертикальном
профиле давления, трехмерных полях температуры, точки росы и компонентов скорости
ветра в узлах регулярной сетки, полученные в результате объективного анализа
этих метеоэлементов и т.д.
GIDROTRN.DAT - блок
задания и идентификации входной информации. Считывается информация о высоте
уровней на которых ведется расчет и массивы, определяющие геометрические высоты
и параметр шероховатости в точках регулярной сетки.
GIDROTD - алгоритм решения системы уравнений гидротермодинамики
в криволинейной системе координат;
KVAZIPC - алгоритм решения уравнений для квазиоднородного
приземного слоя;
TEMPVLAGA - алгоритм расчета температуры и влажности на поверхности
подстилающей поверхности;
TURBOPER - алгоритм решения уравнения турбулентного переноса
примесей в атмосфере региона;
TURBOOBM - алгоритм расчета вертикальных и горизонтальных
коэффициентов турбулентного обмена;
GIDROPRINT - блок организации выдачи выходной информации в виде изолиний и
таблиц, в этом блоке используется сервисные программы математического
обеспечения графопостроителей и системы визуализации.
Основные выходные
информации: значения пространственных полей метеоэлементов и примесей в любой
момент времени; поля интегральных концентраций
примесей.
Выходная информация выдается в следующих
формах: численные значения полей метеорологических элементов и концентрации
примесей во всей области, ее частях или сечениях; изолинии полей метеоэлементов
и концентраций примесей в различных сечениях; векторные поля скорости для
различных сечений области.
Процедура также выводит на экран дисплея и на принтер
карты изолиний, плотности осажденных загрязняющих веществ и приземных концентраций.
На основе
комплекса моделей решен следующий класс практических и исследовательских задач
по изучению локальной циркуляции в ограниченной области: исследование влияния
антропогенных изменений свойств (термических, динамических, влажности и др.)
подстилающей поверхности на динамику пограничного слоя атмосферы КНГМ; изучение закономерностей распространения
загрязняющих примесей совместно с развитием гидротермодинамических процессов
при различных погодных условиях (инверсии, штиле, внешнем потоке и др.) и с
учетом изменений характеристик подстилающей поверхности региона; оценка и контроль
загрязнения атмосферы и промышленных регионов;
численное моделирование гидрометеорологического режима региона.
Комплекс
программ построен таким образом, чтобы подключение определенного блока,
необходимого при решении конкретной задачи, можно было осуществить через задание
входных параметров модели.
Все
величины, задаваемые во входной информации, являются функциями пространственных
координат. Фоновые значения метеополей и примесей могут быть получены либо по
данным наблюдений в атмосфере, либо из крупномасштабной модели динамики атмосферы. Шаги по времени и пространству задаются из
конкретных требований поставленной задачи.
Результаты численных экспериментов на ЭВМ с моделью переноса загрязняющих
веществ по реальным данным дают возможность говорить о достаточно
реалистических прогнозах как траекторий переноса примеси в заданных регионах,
так и о значениях концентраций примесей в атмосфере. Программная реализация
модели и организация начальных данных позволяют легко модифицировать параметры
настройки модели, выбирать произвольный регион на территории республики, число
точек сетки интегрирования, количество уровней, координаты источников выбросов
и т.д.
Разработанные программные средства могут быть
использованы для численных прогностических экспериментов при моделировании
переноса примесей в атмосфере от поля источников с различной интенсивностью и
плотностью загрязняющих веществ. В дальнейшем при исследовании процессов
переноса вредных примесей в пограничном и приземном слое используем данную программу
с некоторыми адаптациями, излагаемыми в третьем и четвертом разделе
соответственно. В основном программа не имеет принципиальных отличий, все
изменения учтены в подпрограммах соответствующих поставленным задачам.
Блок-схема программы и результаты вычислении приведены
в приложении 2-3.
Литература:
1.
Айдосов А.А., Айдосов
Г.А. Теоретические основы прогнозирования природных процессов и экологической
обстановки окружающей среды // Теорет.
основы прогнозирования атмосфер. процессов и эколог. обстановки окруж. среды. –
Кн.1. – А.: Қазақ университетi,
2000. – 290 с.
2.
Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков
Н.С. Модельная оценка экологической обстановки
окружающей среды при аварийных ситуациях. - Алматы, 2010. – 414 с.
3. Айдосов А.А., Айдосова Г.А., Заурбеков Н.С. Модели
экологической обстановки окружающей среды при реальных атмосферных процессах. -
Алматы, 2010. – 368 с.
Функциональная
схема реализации модели переноса
примесей в атмосфере
Рис. 1 - Функциональная схема реализации модели
переноса примесей в атмосфере
Рисунок 2-
Алгоритм в виде блок-схемы для реализации на ЭВМ математические модели
прогнозирования состояния окружающей среды
Cx=55*m*k/(v/(1,4l+b+x)^2) Cy=Cx*s1 C=7,2*m*k/(v*l*(h+x)) S1=exp(-30*y^y/(1,4l+b+x)^2) Cx=1,3*m*k/v(0,6/(h*l)-42/(1,4l+b+x)^2) Cy=1,3*m*k/v(0,6/(h*l)-42/(1,4l+b+x)^2)*s1 C=2*m*k/(v*l*h)
Рисунок 3 - Алгоритм в виде блок-схемы для реализации
на ЭВМ математической модели
загрязнения выбросами нижних слоев атмосферы.