CC BY
123
УДК 622.4:519.67
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЫЛЕНИЯ ХВОСТОХРАНИЛИЩА В.А. Маслобоев1, А.А. Бакланов1,2, С.И. Мазухина1, П.В. Амосов3
1Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН 2Danish Meteorological Institute 3Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Представлены результаты анализа численного моделирования процессов переноса мультидисперсной примеси, вздымаемой ветровым потоком. Оценивается влияние высоты пылящей поверхности на загрязнение приземного слоя атмосферы вниз по потоку при вариации интенсивности пыления. Установлено, что с ростом высоты пылящей поверхности прогнозируется существенное увеличение (от 50 до 150%) концентрации загрязнения атмосферы.
Ключевые слова:
пыление, хвостохранилище, загрязнение, атмосфера, моделирование.
Введение
Актуальность проблемы пыления от хвостохранилищ продолжает оставаться высокой. Например, Управление Росприроднадзора по Мурманской области проблему пыления хвостохранилища АНОФ-2 считает одной из главных экологических проблем г. Апатиты, а на форуме сайта г. Апатиты открыта обновляемая страничка по проблеме пыления [1]. По данным Управления Росприроднадзора по Мурманской области зафиксированное 1 июля 2011 г. превышение предельно допустимой концентрации пыли в воздухе вызвало ряд обращений жителей города в различные властные инстанции [2]. Дополнительным «раздражителем» для населения города выступает Проект реконструкции хвостохранилища АНОФ-2, который предусматривает увеличение высоты пляжа хвостохранилища на 20 м. Есть определенные опасения, что пыление хвостов после реконструкции может увеличиться.
В 1980-1990-х годах сотрудники Кольского научного центра РАН под руководством
А.А. Бакланова [3, 4] сделали попытку численно смоделировать процесс рассеяния пыли на ближайшем к г. Апатиты хвостохранилище. При этом расчеты выполнялись по авторским моделям и компьютерным программам, в которых уравнения, описывающие процессы аэротермогазодинамики, решались конечно-разностными методами на неравномерных прямоугольных сетках.
За прошедшие годы отмечен существенный прогресс в разработке моделей и компьютерных кодов, позволяющих выполнять расчеты процессов распространения загрязнений в разных средах. Примеры таких программ - PORFLOW, AQUA3D, COMSOL, FLUENT и др. Поскольку задача, посвященная прогнозу рассеяния пыли от хвостохранилища АНОФ-2, в связи с предложенным изменением высоты дамбы остается весьма актуальной [1, 2], авторы сделали попытку промоделировать указанный процесс с помощью современной компьютерной программы COMSOL [5].
Таким образом, целью выполненного исследования является оценка влияния высоты пляжа хвостохранилища на потенциальное загрязнение воздушной среды при переносе сдуваемой сильным ветром мультидисперсной примеси. Дополнительный побуждающий фактор -демонстрация факта, когда недоучет основных параметров модели приводит к ошибочным выводам.
Постановка задачи
Численные эксперименты по расчету аэродинамических параметров обтекания и конвективно-диффузионного переноса примеси выполнены на численной модели в плоской постановке с использованием программы COMSOL. Размер моделируемой области 3000х300 м. Расчет аэродинамики с заданными начальными и граничными условиями выполнен на базе (k-s)-модели турбулентности. Значение горизонтальной скорости на входной и верхней границах модели выбрано равным 20 м/с. Высота пляжа хвостохранилища варьировалась от 20 м до 40 м с шагом 10 м. Поверхность за объектом пыления моделировалась плоской.
Интенсивность пыления на поверхности пляжа хвостохранилища промоделирована для двух ситуаций:
1-я ситуация: независимо от высоты пляжа задавалась постоянная интенсивность пыления 27 г/(мс);
2-я ситуация: принята во внимание линейная зависимость интенсивности пыления от высоты: 27, 42 и 57 г/(мс) на указанных выше высотах пляжа (см. рис. 1).
Представленные на рис. 1 зависимости интенсивности пыления от высоты пляжа получены А.А. Баклановым и О.Ю. Ригиной [4] на основе анализа и обработки эмпирических зависимостей интенсивности пыления от скорости набегающего потока, приведенных в ранних публикациях Б.В. Иванова и В.Г. Борисова
Указанные выше значения интенсивности пыления отвечают линейной зависимости, обозначенной на рис. 1 символом «а».
Рис. 1. Функциональные зависимости интенсивности пыления и высоты дамбы [4]
(а - по данным Б.В. Иванова; б - по данным
В.Г. Борисова)
В качестве оседающей примеси рассматривались 3 возможных типа загрязнения: пассивная примесь с
нулевой скоростью оседания; мелкодисперсная пыль с очень малой скоростью оседания на уровне 0.005 м/с; частицы пыли размером (по радиусу) порядка 6 мкм, когда скорость оседания в приближении Стокса составляет 0.01 м/с.
Высокая скорость ветрового переноса и турбулентного перемешивания обеспечивает быстрый выход пространственного распределений загрязнений на стационарный режим.
Отметим отчетливые изменения в структуре поля скорости для различных высот хвостохранилища. Особенно в непосредственной близости за пляжем хвостохранилища, где
45
200 ■
Анализ результатов расчетов
прогнозируется образование вихревых течений. В качестве примера на рис. 2а и 2б представлены фрагменты поля скорости непосредственно за пляжем хвостохранилища для минимальной и максимальной высоты объекта: 20 м и 40 м. Несомненно, изменение структуры потока воздуха должно привести к определенным видоизменениям пространственного распределения загрязнений.
а) б)
Рис. 2. Структура поля скорости вблизи пляжа хвостохранилища при вариации его высоты:
а) 20 м и б) 40 м
Вблизи пляжа хвостохранилища (область отрывных течений) имеют место максимальные значения концентрации загрязнений. Например, для скорости оседания 0.01 м/с значения максимальных концентраций пыли с ростом высоты (20, З0, 40 м) пляжа хвостохранилища равны следующим величинам: 1-я ситуация - 10.06; 11.85; 10.59 г/м3 и 2-я ситуация - 10.06; 18.42; 22.З6 г/м3 соответственно.
Указанная особенность более существенного скачка максимальной концентрации пыли при высоте хвостохранилища в З0 м отчетливо повторяется и на кривых (см. рис. За и Зб), демонстрирующих распределение загрязнения вдоль горизонтальной оси на высоте человеческого роста (примерно 2 м).
а) б)
2« 500 ™ 1000 1500 2000 2500 ™ 3000 ™ 500 1000 ,гя 1500 2000 ¡и« 2500 л5“ 3000
Расстояние, м Расстояние, м
Рис. 3. Зависимость концентрации примеси со скоростью оседания 0.01 м/с на высоте 2 м вдоль горизонтальной оси при вариации высоты пляжа: а) 1-я ситуация; б) 2-я ситуация
Как видно на рис. За, б, на высоте 2 м непосредственно вблизи пляжа хвостохранилища высотой 30 м прогнозируется заметно более высокое значение концентрации пыли (1-я ситуация ~ 5.6 г/м3 и 2 ситуация ~ 8.6 г/м3), чем при высотах 20 м (1-я ситуация ~ 4.9 г/м3 и 2-я ситуация ~ 5.0 г/м3) и 40 м (1-я ситуация ~ 3.3 г/м3 и 2-я ситуация ~ 6.9 г/м3) м. Причиной указанного факта являются различия в структуре скоростных потоков непосредственно за пляжем хвостохранилища (о чем указывалось ранее).
По мере удаления от хвостохранилища (около 100 м) устанавливается стабильное превышение концентрации примеси, отвечающей б0льшим высотам пляжа хвостохранилища. Но если в 1-й ситуации указанное превышение не столь значимо, то во 2-й ситуации (увеличение интенсивности пыления с высотой) кривые, соответствующие высотам 30 и 40 м, располагаются на графике существенно выше. Некоторые количественные показатели концентрации загрязнения воздуха (высота 2 м от поверхности) на различных расстояниях от источника пыления при вариации скорости оседания приведены в таблице.
Таблица
Концентрация примеси в фиксированных точках расчетной сетки при вариации скорости оседания примеси (высотная отметка 2 м), г/м3
Высота пляжа хвостохранилища Скорость оседания, 0.000 м/с Скорость оседания, 0.005 м/с Скорость оседания, G.G10 м/с
Координаты точек, м Координаты точек, м Координаты точек, м
1GGG 2GGG 3GGG 1GGG 2GGG 3GGG 1GGG 2GGG 3GGG
-я ситуация
20 м 1.118 G.711 G.579 1.123 G.716 G.584 1.129 G.722 G.59G
30 м 1.2G4 G.875 G.683 1.212 G.882 G.69G 1.219 G.889 G.696
40 м 1.2G9 G835 G.682 1.215 G.841 G.688 1.413 G.847 G.694
2-я ситуация
20 м 1.118 G.711 G.579 1.123 G.716 G.584 1.129 G.722 G.59G
30 м 1.874 1.362 1.G63 1.884 1.372 1.G73 1.895 1.383 1.G83
40 м 2.552 1.763 1.44G 2.565 1.775 1.453 2.578 1.787 1.466
Сравнение показателей загрязнения, приведенных в таблице и на рис. 3 а и 3б, позволяет для рассмотренных ситуаций утверждать следующее:
1 -я ситуация 2-я ситуация
с ростом высота пляжа хвостохранилища прогнозируется увеличение концентрации примеси по направлению воздушного потока на расстояниях более
300 м от источника 100 м от источника
В абсолютных величинах увеличение концентрации пыли на расстояниях более 1 тыс. м при удвоении высоты хвостохранилища
не превышает коэффициент 1.2 превышает коэффициент 2
В относительных единицах максимальный прирост концентрации прогнозируется для высоты хвостохранилища в 30 м (почти 23% на отметке 2 тыс. м и почти 18% на расстоянии 3 тыс. м). В относительных величинах увеличение концентрации пыли в воздухе на различных расстояниях от хвостохранилища при вариации его высоты составляет от ~50 до ~15G%.
В «ближней» зоне хвостохранилища отсутствует однозначность утверждения об увеличении опасности загрязнения атмосферы с ростом высоты хвостохранилища. Заметное увеличение уровня опасности указывает на возможность возникновения пылевых бурь и на необходимость аккуратных оценок при принятии ответственных решений по изменению высоты пляжа для реальных объектов пыления (например, хвостохранилище вблизи г. Апатиты).
Как видно из представленного анализа, имеется заметное различие в полученных результатах. Причем недоучет физических зависимостей (интенсивность пыления от высоты) приводит к недооценке потенциальной опасности в «дальней» зоне и переоценке опасности в «ближней» зоне таких объектов для окружающей среды. Таким образом, можно сделать вывод: для обоснования решения по изменению высоты дамбы хвостохранилища АНОФ-2 от отметки 180 м до 200 м целесообразно осуществить трехмерное численное моделирование переноса загрязнений, что позволит иметь объективные оценки предлагаемого решения по прогнозу потенциального воздействия на атмосферу района г. Апатиты. Обозначенный авторами вывод нашел свою поддержку в решении Координационного совета по промышленной и экологической безопасности [2], предложившего выполнить исследование по оценке влияния увеличения проектной высоты пляжа хвостохранилища АНОФ-2 на загрязнение приземного слоя атмосферы в районе г. Апатиты. Первые результаты выполняемых научно-исследовательских работ представлены ниже.
Состояние исследований по созданию трехмерных цифровых моделей
Достаточно непростой оказалась задача, связанная с построением источника пыления. Потребовалось неоднократное уточнение значений геометрических характеристик хвостохранилища и его формы. Результатом выполненных работ явился обоснованный и согласованный набор базовых геометрических параметров источника пыления с учетом водоема. Приняты во внимание следующие геометрические характеристики хвостохранилища: генеральное заложение низового 1:4; длина хвостохранилища по гребню дамбы ~ 11 тыс. м; площадь зеркала 325 га; пляжи основного поля хвостохранилища по данным на 2011-2012 гг. составляют ~ 420-405 га. Таким образом, при отношении продольного и поперечного размеров хвостохранилища 2:1 модель пылящей поверхности хвостохранилища представляет собой эллипс с вырезанным зеркалом водоема, который задан в форме прямоугольника.
Рис. 4. Сетка для оцифровки района площадки [GOOGLE EARTH]
На базе интернетовских карт GOOGLE EARTH района «хвостохранилище АНОФ-2 -г. Апатиты» с шагом сетки 500-700 м (рис. 4) подготовлен файл исходных данных, необходимых для создания геометрии моделируемой области в среде COMSOL. В качестве реперной высотной отметки принимается поверхность о. Имандра (126 м). Очевидно, что помимо самого объекта пыления и г. Апатиты в модели должны быть учтены предгорья Хибин и некоторые возвышенности. Было предпринято несколько попыток создания геометрии моделируемой области. Предполагаемая к использованию геометрия модели (15000х7000 м) в целом отвечает данным карт GOOGLE EARTH, естественно, без конкретизации деталей рельефа. Отметим, что «модельерам» постоянно приходится помнить и выбирать между желаемой точностью
выполнения расчетов и возможностями компьютерной техники. Наибольшие опасения вызывало достижение устойчивого счета в численных экспериментах по расчету поля скорости над сильно неоднородной орографической поверхностью большого масштаба.
Несмотря на хорошие вычислительные характеристики задействованного компьютера (ASUS K95VJ) даже при сетке крупнее, чем нормальная (рекомендуемая разработчиками программного продукта COMSOL), размер требуемой для выполнения расчетов оперативной памяти достигает 5 Гб. Дальнейшее увеличение разрешения модели приведет к операциям записи на диск и существенному возрастанию времени счета, что с учетом неопределенностей по ряду параметров модели представляется нецелесообразным.
В качестве примера на рис. 5 представлены первые результаты расчетов по тестированию созданных аэродинамических моделей. В частности, на рис. 5 при северо-западном ветре для высоты пляжа хвостохранилища 180 м приведены структура поля скорости воздушных потоков, а также распределение в одном из сечений модели (+1 м от поверхности пыления) коэффициентов турбулентной динамической вязкости. Детальный анализ распределений компонентов вектора скорости в различных областях модели, обтекания природных и техногенных препятствий воздушным потоком, изменений в значениях по пространству модели коэффициентов турбулентной динамической вязкости свидетельствует о достаточно объективной картине расчетных аэродинамических параметров модели.
Мкс: 717,57 В «700
600
500
400
300
200
100
Min: 4,073 «-3
Рис. 5. Структура поля скорости и распределение коэффициента турбулентной динамической вязкости района площадки «хвостохранилище АНОФ-2 - г. Апатиты» в сечении +1 м от
поверхности пыления (высота пляжа 180 м)
Выводы
Отмечая актуальность проблемы, связанной с пылением хвостохранилищ и загрязнением атмосферы при определенных метеорологических ситуациях, авторы методами численного моделирования предприняли исследование влияния высоты пляжа хвостохранилища на уровень концентрации пыли по направлению ветрового потока. Рассмотрено два условия по интенсивности пыления: постоянное значение мощности источника и учет линейной
зависимости мощности источника загрязнения от высоты и соответственно скорости ветра у
пылящей поверхности. Проанализированы пространственные распределения разнодисперсной примеси при вариации высоты пляжа хвостохранилища от 20 м до 40 м (с шагом 10 м).
Для условия линейной зависимости интенсивности пыления отмечено, что действительно с ростом высоты хвостохранилища уровень концентрации загрязнения вниз по потоку (более 100 метров от источника) на высоте человеческого роста возрастает. Причем этот рост на разных расстояниях неравномерен и в относительных единицах меняется от 50 до 150% по отношению к «эталонному» загрязнению от хвостохранилища высотой 20 м.
Таким образом, рост высоты пляжа хвостохранилища всего на 20 м существенным образом увеличивает концентрацию пыли на уровне человеческого роста вниз по потоку движения воздуха. А значит, при принятии решения по изменению высоты пляжа на объектах пыления должны быть выполнены строгие оценки по прогнозу воздействия на приземный слой атмосферы.
Авторы выражают надежду, что выполняемые в настоящее время исследования по созданию трехмерных цифровых моделей аэрогазодинамики района «хвостохранилище АНОФ-2 - г. Апатиты» позволят оценить потенциальное изменение загрязнения приземного слоя атмосферы в районе г. Апатиты при увеличении проектной высоты пылящей поверхности хвостохранилища АНОФ-2 с отметки 180 м до 200 м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Спасем город Апатиты от пыли хвостохранилища АНОФ-2. Режим доступа: http://www.hibiny.com/forum/viewtopic.php?p=258231. Загл. с экрана. 2. Решение Координационного совета по промышленной и экологической безопасности Мурманской области №9 от 10 декабря 2012 г. 3. Бакланов А.А. Численное моделирование в рудничной аэрологии // Апатиты: КФАН СССР, 1988. 200 с. 4. Baklanov A. Environmental modeling of dusting from the mining and concentration sites in the Kola Peninsula, Northwest Russia / A. Baklanov, O. Rigina // The XI World Clear Air and Environment Congress, 14-18 September 1998, Durban, South Africa, IUAPPA-NACA // Durban. 1998. Vol. 1, 4F-3, Р. 1-18. 5. Russian COMSOL page.
URL:http://www.humusoft.com/produ kty/co msol/ru/.
Сведения об авторах
Маслобоев Владимир Алексеевич - д.т.н., профессор, директор института; e-mail: masloboev@ksc.ru
Бакланов Александр Анатольевич - д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник ИППЭС; руководитель проекта DMI (Danish Meteorological Institute); e-mail: aabaklanov@yahoo.com Мазухина Светлана Ивановна - к.х.н., ст.н.с., зав. лаб.; e-mail: mazukhina@inep.ksc.ru Амосов Павел Васильевич - к.т.н., ст.н.с., старший научный сотрудник; e-mail: vosoma@goi.kolasc.net.ru
