CC BY
22
УДК 519.6:551.5
НЕКОТОРЫЕ СЦЕНАРНЫЕ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ЮГО-ВОСТОКА ЗАБАЙКАЛЬСКОГО КРАЯ ВЫБРОСАМИ БЫСТРИНСКОГО ГОКА
Эльза Андреевна Пьянова
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математический наук, научный сотрудник, e-mail: pianova@ngs.ru
Лариса Михайловна Фалейчик
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, 672014, Россия, г. Чита, ул. Недорезова, 16а, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, e-mail: lfaleychik@bk.ru
Представлены некоторые результаты численного моделирования переноса атмосферных примесей в Юго-Восточном Забайкалье. На основе математического моделирования локальных атмосферных процессов и сценарного подхода получены предварительные оценки возможного загрязнения воздуха после введения в эксплуатацию Быстринского горнообогатительного комбината. Результаты расчетов по зимним сценариям с северо-западным ветром показали, что факел «легких» пассивных примесей от выбросов Быстринского ГОКа может проходить над северной частью Борзинского заказника.
Ключевые слова: гидротермодинамика и качество атмосферы, математическое моделирование атмосферных процессов, природоохранное прогнозирование.
SCENARIOS OF ATMOSPHERIC POLLUTION BY EMISSIONS FROM
THE BYSTRINSKY MINING COMPLEX IN THE SOUTH-EASTERN TRANSBAIKALIE
Elza A. Pyanova
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Ph. D., e-mail: pianova@ngs.ru
Larisa M. Faleychik
Institute of Natural Resources, Criology and Ecology SB RAS, 672014, Russia, Chita, Nedorezov st., 16a, Ph. D., e-mail: lfaleychik@bk.ru
The results of numerical modeling of pollutant transport in the South-Eastern Transbaikalie are presented. On the basis of mathematical modeling of atmospheric processes and a scenario approach a preliminary assessment of possible air pollution and changes in air quality produced by the construction of the Bystrinsky Mining Complex is made. The results of winter scenario calculations with north-western wind have shown that a cloud of passive pollutant from the Bystrinsky Complex can reach Borzinsky refuge.
Key words: atmospheric dynamics, air quality, mathematical modeling of atmospheric processes, environmental prediction.
В настоящее время почти вся территория Юго-Востока Забайкальского края (ЮВЗ) вовлечена в развитие его горнопромышленного комплекса. В первоначальном варианте здесь планировалось создание Забайкальского территориального горно-металлургического комплекса, включающего в себя строительство пяти
ГОКов на базе Быстринского, Бугдаинского, Култуминского, Лугоканского и Со-лонеченского месторождений, освоение других месторождений территории.
Одним из первых объектов будет Быстринский ГОК, ввод в эксплуатацию которого запланирован на конец 2017 года. Добыча золото-медной руды предполагается открытым способом. Это означает проведение взрывных работ, создание отвалов пустых пород, хвостохранилищ, обогатительной фабрики, котельной и других объектов. Все эти промышленные объекты являются источниками различных выбросов вредных веществ. В связи с этим возникает риск загрязнения окружающей среды близлежащих территорий, в частности за счет атмосферного переноса загрязнений. Актуальность этого вопроса усиливается тем, что наиболее «освоенные» узлы и планируемые крупные ГОКи сосредоточены как раз в непосредственной близости от существующих особо охраняемых природных территории (ООПТ) (рис. 1) или особо ценных природных территорий [1]. К северо-западу и северо-востоку от Быстринского месторождения расположены Туровский и Урюмканский заказники. Но ближе всего от промышленных площадок ГОКа - Борзинский заказник.
Ряд исследований и оценки увеличения антропогенной нагрузки на природную среду при освоении минерально-сырьевой базы ЮВЗ представлены в работах [1, 2]. Некоторые сценарные оценки зимнего атмосферного переноса выбросов котельной Быстринского ГОКа опубликованы в [3, 4]. В настоящей работе авторы продолжают исследования возможных сценариев распространения загрязнений в атмосфере месторождения и его окрестностях в результате ввода в эксплуатацию Быстринского ГОКа.
Зимний период для Забайкальского края характеризуется установлением над его территорией Сибирского антициклона, что, в свою очередь, приводит к частым температурным инверсиям и маловетреной погоде [5]. Инверсионное распределение температуры по вертикали, когда с увеличением высоты температура атмосферы возрастает, а не падает, способствует застойным явлениям в котловинах. При таких сценариях атмосферный перенос загрязняющих выбросов затруднен, примеси локализуются и оседают недалеко от источников выбросов. Такой сценарий был рассмотрен в работе [4].
Наряду с преобладанием в зимнее время штилевых условий для Забайкалья в этот период характерны так же несильные ветра западного, северо-западного и юго-западного направлений [5]. Сценарии переноса примеси от котельной Быстринского ГОКа при юго-западном ветре были рассмотрены в работе [3]. Численные эксперименты показали, что при фоновом юго-западном ветре 4 м/с основные концентрации примесей остаются в пределах долины реки Ильдикан, где и находятся основные объекты горно-обогатительного комплекса. Существенного переноса загрязнений в сторону Урюмканского заповедника, находящегося по направлению ветрового потока в рассматриваемом сценарии, в численных экспериментах не наблюдалось.
В данной работе мы рассмотрим еще один сценарий, характерный для изучаемой территории: перенос загрязняющих примесей при северо-западном фоновом ветре 4 м/с. Как и в работе [3], численные расчеты проводились на осно-
ве мезомасштабной негидростатической модели динамики атмосферы и пере-
л
носа примеси [6, 7] для расчетной области 100х100 км (рис. 1).
Рис. 1. Территория Юго-Востока Забайкальского края и расчетная область
Модель адаптирована к орографическим условиям ЮВЗ. На основе численного моделирования воспроизводился суточный ход метеорологических параметров над рассматриваемой территорией. То есть рассчитывались поля вектора скорости ветра, температуры, влажности и т.д. Расчет переноса загрязняющих примесей осуществлялся на основе вычисленных динамических полей. Построение численных схем для задачи атмосферной динамики и переноса пассивной примеси осуществлялось на основе аппроксимации интегрального тождества вариационной формулировки модели [6]. Полученные схемы аппроксимируют исходные дифференциальные уравнения со вторым порядком точности по пространству, являются энергетически сбалансированными. Для аппроксимации конвективно-диффузионных операторов задачи использовались монотонные дискретно-аналитические схемы [8]. Вариационный подход обеспечивает точный учет естественных краевых условий на границах области моделирования. Это особенно важно на нижней границе воздушных масс в условиях сложного рельефа подстилающей поверхности. Более подробное описание используемой модели и методов построения конечно-разностных уравнений можно найти в работах [6, 7, 9].
Численные расчеты проводились на сетке 251х251х50 узлов с шагами сетки по горизонтали Ах = Ду = 400 м. Вертикальный шаг Дz задавался равным 30 м в нижних слоях сетки, выше размер шага постепенно увеличивался до 50, 100, 150 и 200 м. При моделировании в начальный момент времени предполагалось, что атмосфера находится в состоянии покоя. На верхней границе задавался северо-западный фоновый поток ветра. Температура поверхности в начальный момент времени, альбедо поверхности и другие параметры модели задавались в соответствии с климатическими характеристиками выбранного ре-
гиона. Расчеты первых модельных суток рассматривались как приспособление фонового ветрового потока к подстилающей поверхности и к ее суточному неравномерному прогреву. Опытным путем было установлено, что к началу вторых расчетных суток модель выходит на квазипериодический режим, описывающий суточный ход метеорологических параметров. Поэтому перенос примесей моделируется с момента начала вторых расчетных суток. В качестве источника выбросов в наших сценариях рассматривалась котельная с высотой трубы 60 м. В экспериментах моделировалось распространение двух видов пассивной примеси: «легкой» (невесомой) и «тяжелой». К первой можно отнести СО и др., вторая может имитировать неорганическую пыль, составляющую значительную долю всех выбросов котельной. В начальный момент времени поле примеси полагалось нулевым во всей расчетной области. Во всех экспериментах мощность источника задавалась как 1 условная единица выброса за единицу времени Дt = 60 с.
Ниже на рисунках представлены изолинии полей «тяжелой» и «легкой» примесей на высоте 30 м над подстилающей поверхностью. Анализ результатов численных экспериментов показал, что основные концентрации как «тяжелой», так и «легкой» примесей локализуются в радиусе 1-1.5 км от трубы котельной (рис. 2).
Новоширокинский
Быстринский ГОК
усл. сдишшы
. 0, Борзинский заказник
К »
Л/
ю
-^
Урюмканский заказник
Сопонечный
Новоширокинский
Быстринский ГОК
б)
канскии
ш аказник
Сопонечный
________0, Борзинский'
заказник
<0
20
I
Рис. 2. Изолинии пассивных примесей на высоте приземного слоя через 16 ч с начала работы источника. а) «тяжелая» примесь, б) - «легкая» примесь
Изолиниям со значением 1 усл. ед. соответствуют концентрация пыли 0.7 мг/м3 и концентрация СО 0.51 мг/м3, если предположить по оценочным данным, что мощность источника пыли 57 г/сек, а СО - 40.4 г/сек. Такое распределение полей примесей объясняется зимними инверсионными условиями, которые затрудняют вертикальный перенос загрязнений и дальнейшее горизонтальное рассеивание. Подобное поведение примесей наблюдалось и в зимних сценариях с юго-западным фоновым ветром [3]. Но в отличие от юго-западного северо-западный фоновый поток способствует переносу загрязнений к границам Борзинского заказника, что за продолжительный период времени может привести к значительному негативному антропогенному воздействию на природ-
ный комплекс заказника. В случае «тяжелой» примеси, как показали численные расчеты, границ особо охраняемой природной территории могут достигать только очень незначительные концентрации (рис. 2 а). Расчеты полей концентрации «легкой» примеси указывают на вероятность того, что достигать территории Борзинского заказникам могут концентрации порядка 0.03 мг/м3 (0.1 усл. ед.). В расчетах и оценках учитывалась только работа котельной Быстринского ГОКа, пыление отвалов и проведение взрывных работ не рассматривалось в данном сценарии. Учет других источников загрязнения атмосферы может привести к увеличению концентраций примесей вблизи границ заказника.
По результатам представленного зимнего численного эксперимента можно предположить, что северо-западный фоновый поток в зимнее время является неблагоприятным с точки зрения переноса загрязнений в направлении особо охраняемой природной территории - Борзинского заказника. Этот вопрос требует более детального изучения и учета при планировании работ горнообогатительного комплекса.
Работа выполняется при частичной поддержке проекта РФФИ № 14-01-00125-a, проекта IX.88.1.6 Фундаментальных исследований Сибирского отделения РАН. Расчеты выполнены на ССКЦ СО РАН.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Помазкова Н. В., Фалейчик Л. М., Кирилюк О. К. Геоэкологическая оценка воздействия разработок минерального сырья на экосистемы Юго-Востока Забайкалья // Устойчивое развитие горных территорий. - 2012. - № 3. - С. 183-189.
2. Фалейчик Л. М., Кирилюк О. К., Помазкова Н. В. Опыт применения ГИС-технологий для оценки масштабов воздействия горнопромышленного комплекса на природные системы Юго-Востока Забайкалья // Вестник ЗабГУ. - 2013. - № 6 (97). - С. 64-79.
3. Пьянова Э. А., Фалейчик Л. М. Сценарные оценки влияния объектов ГПК юго-восточного Забайкалья на качество атмосферы // Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики - 2015. Труды Междунар. конф., посв. 90-лет. со дня рожд. ак. Г.И. Марчука ИВМиМГ СО РАН (Новосибирск. 19-23 октября 2015 г.). [Электрон. ресурс]. -Новосибирск: Абвей, 2015. - С. 611-617.
4. Пьянова Э. А., Фалейчик Л. М. Сценарное моделирование процессов переноса примеси в районе Быстринского ГОКа // Экология, экономика, информатика. Сб. стат.: в 3 т. Т. 2: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2015. - С. 620-627.
5. Носкова Е. В., Обязов В. А. Ветровой режим Забайкальского края // Учёные записки ЗабГУ. - 2015. - № 1 (60). - С. 115-121.
6. Пененко В. В., Алоян А. Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. - 256 с.
7. Пьянова Э. А. Исследование трансформации воздушного потока над термически и орографически неоднородной подстилающей поверхностью // Вычислительные технологии. - 2005. - Т. 10. - № S3. - С. 106-111.
8. Penenko V., Tsvetova E. Discrete-analytical methods for the implementation of variational principles in environmental applications // J. of Computation and Applied Mathematics. - 2009. -Vol. 226, - iss. 1. - P. 319-330.
9. Пьянова Э. А., Фалейчик Л. М. Информационно-вычислительная технология для сценарных оценок динамики и качества атмосферы // Вычислительные технологии. -2012. -Т. 17. - № 1. - C. 109-119.
© Э. А. Пьянова, Л. М. Фалейчик, 2016
