Морской гидрофизический журнал. 2019; 35: 5-15
Моделирование распространения загрязняющей примеси в Севастопольской бухте
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-5-15Аннотация
Введение. Одни из важнейших задач мониторинга морской среды – контроль за распространением различных загрязнений и разработка систем оперативного реагирования на аварийные выбросы. В работе на основе диагностических расчетов циркуляции вод в Севастопольской бухте проведено моделирование процессов переноса загрязняющей примеси, поступающей из разных источников.
Материалы и методы. Расчет поля течений проводился по σ-координатной модели, являющейся версией модели РОМ (Princeton Ocean Model), адаптированной к условиям Севастопольской бухты. Чтобы рассчитать перенос загрязняющей примеси, в модель циркуляции была инкорпорирована модель переноса − диффузии субстанции. Использовались данные о направлении и скорости ветра на метеостанции Севастополь, климатические поля температуры, солености и плотности, рассчитанные по 2,7 тыс. гидрологических станций в Севастопольской бухте, средний сезонный ход стока воды реки Черной, цифровой массив рельефа дна бухты с пространственным разрешением 68 м.
Анализ результатов. Численные эксперименты по распространению загрязняющей примеси от места возможного выброса в бухте Голландия показали, что зависимость направления/траектории движения пятна загрязнения от типа циркуляции вод более всего проявляется в Южной бухте, в меньшей степени – в центральной части Севастопольской бухты. В случае выброса загрязнений в устье реки Черной, вне зависимости от ветровых условий, пятно примеси, двигаясь в северо-западном направлении, достигает района бухты Голландия. Дальнейшая эволюция объема загрязненных вод аналогична процессу в ситуациях выброса примеси непосредственно в бухте Голландия.
Обсуждение и заключение. Проведенные численные эксперименты показали работоспособность и адекватность воспроизведения в модели исследуемых процессов, что позволяет в дальнейшем планировать проведение прогностических расчетов по моделированию сезонного хода циркуляции и термохалинной структуры вод Севастопольской бухты и более точно описывать пути распространения загрязнений.
Список литературы
1. Влияние океанографических факторов на экологическое состояние Севастопольской бухты (Черное море) / Л. Н. Репетин [и др.] // Морской гидрофизический журнал. 2003. №2. С. 66–80.
2. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В. А. Иванов [и др.]. Севастополь : МГИ НАН Украины, 2006. 90 с.
3. Шапиро Н. Б., Ющенко С. А. Моделирование ветровых течений в севастопольских бухтах // Морской гидрофизический журнал. 1999. № 1. С. 42–57.
4. Михайлова Э. Н., Шапиро Н. Б. Моделирование циркуляции и пространственной структуры термохалинных полей в Севастопольской бухте с учетом реальных внешних данных (зима 1997 г.) // Морской гидрофизический журнал. 2005. № 2. С. 60–76.
5. Simulation of pollutants dispersion in the Bay of Tangier (Morocco) / A. Belcaid [et al.] // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2012. Vol. 8, no. 2. P. 241–256. https://doi.org/10.3970/fdmp.2012.008.241
6. Improvement of the ocean pollutant transport model by using the surface spline interpolation /X. Zong [et al.] // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2018. Vol.70, iss. 1. p. 1–13. https://doi.org/10.1080/16000870.2018.1481689
7. Vikas M., Dwarakish G. S. Coastal pollution: A review // Aquatic Procedia. 2015. Vol. 4. P. 381–388. https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.051
8. Coastal water quality monitoring and modelling off Chennai city / P. Mishra [et al.] // Procedia Engineering. 2015. Vol. 116. P. 955–962. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.386
9. Periáñez R. Water circulation, sediment transport, and pollutant dynamics in Southern Iberia Waters: A review on numerical modelling studies // ISRN Oceanography. 2013. Vol. 2013. Article ID 424572. 27 p. http://dx.doi.org/10.5402/2013/424572
10. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three Dimensional Coastal Ocean Models / N. S. Heaps (ed.). Washington, D. C.: AGU, 1987. P. 1–16. (Coastal and Estuarine Sciences, vol. 4). https://doi.org/10.1029/CO004p0001
11. Hunter J. R. OzPOM: A Version of the Princeton Ocean Model. URL: https://www.johnroberthunter.org/science/ozpom/index.html (date of access: 07.11.2018).
12. Black Sea coastal forecasting system / A. I. Kubryakov [et al.] // Ocean Science. 2012. Vol. 8, iss. 2. P. 183–196. https://doi.org/10.5194/os-8-183-2012
13. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Reviews of Geophysics. 1982. Vol. 20, iss. 4. P. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
14. Численное моделирование динамики вод южных морей России в рамках задач опера-тивной океанографии / А. В. Григорьев [и др.] // Труды ГОИН. М. : ГОИН, 2011. Вып. 213. С. 80–90.
15. Modelling of circulation in the Gulf of Izmir / V. A. Ivanov [et al.] // Physical Oceanography. 1997. Vol. 8, iss. 1. P. 47–55. https://doi.org/10.1007/BF02522565
16. Sommerfeld A. Partial Differential Equations. Lectures on Theoretical Physics. N.-Y. : Academic Press, 1949. Vol. 6. 335 p.
17. Konovalov S. K., Kubryakov A. I., Demyshev S. G. Parametrization of the biochemical processes of oxidation and numerical modeling of the seasonal behavior of the distribution of oil hydrocarbons in the aerobic zone of the Black Sea // Physical Oceanography. 2004. Vol. 14, iss. 1. Р. 27–41. https://doi.org/10.1023/B:POCE.0000025368.38540.a7
18. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91, no. 3. P. 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
19. Smolarkiewicz P. K. A fully multidimensional positive definite advection transport algorithm with small implicit diffusion // Journal of Computational Physics. 1984. Vol. 54, iss. 2. P. 325–362. https://doi.org/10.1016/0021-9991(84)90121-9
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2019; 35: 5-15
Modelling of Water Pollution Propagation in the Sevastopol Bay
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2019-1-5-15Abstract
Introduction. Tracking of spread of various contaminations and elaboration of the operational systems to control wrecking discharges are among the important tasks of marine environment monitoring. The processes of transport of the contaminating impurity inflowing from different sewers were modeled based on the diagnostic calculations of water circulation in the Sevastopol Bay.
Data and Methods. The currents field was calculated using the sigma-coordinate version of the Princeton Ocean Model adapted for the regional conditions in the Sevastopol Bay. To calculate the polluting impurity transport, the model of the matter transfer and diffusion was incorporated into the circulation model. The data on the wind speed and direction obtained at the Sevastopol met office, the temperature, salinity and density climatic fields calculated using the information of 2.7 thousands hydrological stations in the Sevastopol Bay, average seasonal variations of the River Chernaya water discharge and the digital bottom relief with spatial resolution 68 m were used in the model.
Analysis of Results. Numerical experiments on the contaminant propagation from the point of possible discharge in the Gollandiya Bay reveal that dependence of the pollutant movement trajectory (direction) upon the pattern of water circulation is most evident in the Yuzhnaya Bay and less manifested in the central part of the Sevastopol Bay. In case of a wrecking discharge in the River Chernaya mouth, a contaminant spot, regardless of wind conditions, moves to the northwest and reaches the Gollandiya Bay. Further evolution of the polluted water volume is similar to the process developing after a sewage discharge directly within the Gollandiya Bay.
Discussion and Conclusions. The carried out numerical calculations confirm operational capability of the model and its adequate reproduction of the physical processes under study. It permits both to model the circulation seasonal variation and the thermohaline structure of the Sevastopol Bay waters, and to describe more accurately trajectories of the contaminants’ spread.
References
1. Vliyanie okeanograficheskikh faktorov na ekologicheskoe sostoyanie Sevastopol'skoi bukhty (Chernoe more) / L. N. Repetin [i dr.] // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2003. №2. S. 66–80.
2. Gidrologo-gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty i ego izmeneniya pod vozdeistviem klimaticheskikh i antropogennykh faktorov / V. A. Ivanov [i dr.]. Sevastopol' : MGI NAN Ukrainy, 2006. 90 s.
3. Shapiro N. B., Yushchenko S. A. Modelirovanie vetrovykh techenii v sevastopol'skikh bukhtakh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 1999. № 1. S. 42–57.
4. Mikhailova E. N., Shapiro N. B. Modelirovanie tsirkulyatsii i prostranstvennoi struktury termokhalinnykh polei v Sevastopol'skoi bukhte s uchetom real'nykh vneshnikh dannykh (zima 1997 g.) // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2005. № 2. S. 60–76.
5. Simulation of pollutants dispersion in the Bay of Tangier (Morocco) / A. Belcaid [et al.] // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2012. Vol. 8, no. 2. P. 241–256. https://doi.org/10.3970/fdmp.2012.008.241
6. Improvement of the ocean pollutant transport model by using the surface spline interpolation /X. Zong [et al.] // Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography. 2018. Vol.70, iss. 1. p. 1–13. https://doi.org/10.1080/16000870.2018.1481689
7. Vikas M., Dwarakish G. S. Coastal pollution: A review // Aquatic Procedia. 2015. Vol. 4. P. 381–388. https://doi.org/10.1016/j.aqpro.2015.02.051
8. Coastal water quality monitoring and modelling off Chennai city / P. Mishra [et al.] // Procedia Engineering. 2015. Vol. 116. P. 955–962. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.386
9. Periáñez R. Water circulation, sediment transport, and pollutant dynamics in Southern Iberia Waters: A review on numerical modelling studies // ISRN Oceanography. 2013. Vol. 2013. Article ID 424572. 27 p. http://dx.doi.org/10.5402/2013/424572
10. Blumberg A. F., Mellor G. L. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model // Three Dimensional Coastal Ocean Models / N. S. Heaps (ed.). Washington, D. C.: AGU, 1987. P. 1–16. (Coastal and Estuarine Sciences, vol. 4). https://doi.org/10.1029/CO004p0001
11. Hunter J. R. OzPOM: A Version of the Princeton Ocean Model. URL: https://www.johnroberthunter.org/science/ozpom/index.html (date of access: 07.11.2018).
12. Black Sea coastal forecasting system / A. I. Kubryakov [et al.] // Ocean Science. 2012. Vol. 8, iss. 2. P. 183–196. https://doi.org/10.5194/os-8-183-2012
13. Mellor G. L., Yamada T. Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems // Reviews of Geophysics. 1982. Vol. 20, iss. 4. P. 851–875. https://doi.org/10.1029/RG020i004p00851
14. Chislennoe modelirovanie dinamiki vod yuzhnykh morei Rossii v ramkakh zadach opera-tivnoi okeanografii / A. V. Grigor'ev [i dr.] // Trudy GOIN. M. : GOIN, 2011. Vyp. 213. S. 80–90.
15. Modelling of circulation in the Gulf of Izmir / V. A. Ivanov [et al.] // Physical Oceanography. 1997. Vol. 8, iss. 1. P. 47–55. https://doi.org/10.1007/BF02522565
16. Sommerfeld A. Partial Differential Equations. Lectures on Theoretical Physics. N.-Y. : Academic Press, 1949. Vol. 6. 335 p.
17. Konovalov S. K., Kubryakov A. I., Demyshev S. G. Parametrization of the biochemical processes of oxidation and numerical modeling of the seasonal behavior of the distribution of oil hydrocarbons in the aerobic zone of the Black Sea // Physical Oceanography. 2004. Vol. 14, iss. 1. R. 27–41. https://doi.org/10.1023/B:POCE.0000025368.38540.a7
18. Smagorinsky J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment // Monthly Weather Review. 1963. Vol. 91, no. 3. P. 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
19. Smolarkiewicz P. K. A fully multidimensional positive definite advection transport algorithm with small implicit diffusion // Journal of Computational Physics. 1984. Vol. 54, iss. 2. P. 325–362. https://doi.org/10.1016/0021-9991(84)90121-9
