Морской гидрофизический журнал. 2020; 36: 214-225
Моделирование на основе сопряженных уравнений переноса загрязнений для задач комплексного экологического мониторинга
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-2-214-225Аннотация
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.
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.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2020; 36: 214-225
Modeling of PollutionTransport for the Integrated Environmental Monitoring Based on the Adjoint Equations
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-2-214-225Abstract
Purpose. The aim of the present paper is to solve the problem of choosing the localities in the Sevastopol Bay for optimal placing the pollution sources using the adjoint equations of the admixture transfer.
Methods and Results. The sea-fronts in the city center, the Artilleriyskaya Bay and the city beach zone are chosen as the nature protection areas. Solution of the adjoint equation of the passive admixture transport yields the influence function that permits to reveal the areas on the coast, where, in case the pollution sources are placed there, the sanitary standards will be violated, and, at the existing currents’ structure, these nature protection zones will suffer significant damage. To make sure that the adjoint equation is solved correctly, the direct problem can be solved for various locations of the impurity sources. Solution of the adjoint equation makes it possible to obtain information on the impurity amount in the preset nature protection zones during the preset time period at an arbitrary location of the impurity source. The currents velocities are calculated by the linear three-dimensional barotropic model for the steady wind currents.
Conclusions. The numerical modeling results revealed the regions, where placing of the pollution sources would violate sanitary standards in the nature protection zones under study. The experiments showed that the north and east winds were the most hazardous. Hence industrial facilities, storm and sewage discharges having been placed at the northern side of the Sevastopol Bay, can be extremely harmful for the ecological state of the regions under consideration. At the east and southeast winds, the industrial activity products in the Yuzhnaya Bay constitute a basic source of contamination. At the south winds, the most hazardous situation occurs in case the pollution sources are placed at the coast of the very recreational zone of the city.
References
1. Mukhametov S. S., Kondrat'ev S. I. Ekstremal'nye znacheniya gidrokhimicheskikh parametrov v vodakh Sevastopol'skoi bukhty v fevrale 2015 g. v rezul'tate livnevogo stoka // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 5: Geografiya. 2017. № 6. S. 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. Sovga E. E., Mezentseva I. V., Kotel'yanets E. A. Assimilyatsionnaya emkost' ekosistem morskikh melkovodnykh akvatorii s razlichnym urovnem antropogennoi nagruzki kak metod otsenki ikh samoochistitel'noi sposobnosti // Problemy ekologicheskogo monitoringa i modelirovaniya ekosistem. 2017. T. 28, № 4. S. 38–51. doi:10.21513/0207-2564-2017-4-38-51
5. Otsenki samoochishchayushchei sposobnosti ekosistemy Sevastopol'skoi bukhty po otnosheniyu k neorganicheskim formam azota / V. A. Ivanov [i dr.] // Protsessy v geosredakh. 2015. № 2. S. 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. R. 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. Marchuk G. I. Matematicheskoe modelirovanie v probleme okruzhayushchei sredy. Moskva : Nauka, 1982. 319 s. URL: https://b-ok2.org/book/3120804/4e6c49 (data obrashcheniya: 15.08.2019).
9. Zhmenya E. 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. Buzalo N. S., Nikiforov A. N. Sopryazhennye uravneniya v zadachakh upravleniya kontsentratsiei nekonservativnoi primesi // Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki. 2013. №4 (141). S. 203–209.
12. Chuvstvitel'nost' funktsionalov zadach variatsionnogo usvoeniya dannykh nablyudenii / V. P. Shutyaev [i dr.] // Izvestiya Rossiiskoi akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2015. T. 51, № 3. S. 392–400.
13. Dymova O. A., Kochergin V. S., Kochergin S. V. Identifikatsiya mestopolozheniya vozmozhnogo istochnika zagryazneniya v akvatorii Gerakleiskogo poluostrova na osnove metoda sopryazhennykh uravnenii // Ekologicheskii vestnik nauchnykh tsentrov Chernomorskogo ekonomicheskogo sotrudnichestva. 2018. T. 15, № 3. S. 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. Kochergin V. S., Kochergin S. V., Stanichnyi S. V. Ispol'zovanie metoda sopryazhennykh uravnenii pri identifikatsii istochnikov zagryazneniya v Azovskom more // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2017. T. 14, № 1. S. 50–57. doi:10.21046/2070-7401-2017-14-1-50-57
17. Ryabtsev Yu. N., Shapiro N. B. Optimizatsiya razmeshcheniya istochnikov zagryazneniya na sevastopol'skom vzmor'e s uchetom minimizatsii ushcherba rekreatsionnym zonam // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2007. Vyp. 15. C. 280–298.
18. Shapiro N. B. Modelirovanie techenii na sevastopol'skom vzmor'e // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2006. Vyp. 14. S. 119–134.
19. Mikhailova E. N., Shapiro N. B., Yushchenko S. A. Modelirovanie rasprostraneniya passivnoi primesi v sevastopol'skikh bukhtakh // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 1999. № 3. S. 29–42.
