текст
В СПб ФИЦ РАН создали модель прогнозирования внутренней нагрузки водных объектов тяжелыми металлами на примере крупнейшего в России водохранилища
Ученые Института озероведения РАН — Санкт-Петербургского Федерального исследовательского центра РАН (ИНОЗ РАН — СПб ФИЦ РАН) совместно с Институтом экологии Волжского бассейна РАН (ИЭВБ Сам ФИЦ РАН, г. Тольятти) разработали математическую модель, которая позволяет оценить внутреннюю нагрузку на водный объект тяжелыми металлами.
Куйбышевское водохранилище. Фото: пресс-служба СПб ФИЦ РАН.
Результаты моделирования для Куйбышевского водохранилища показывают, что при сильном ветре концентрация загрязняющих веществ, поднимающихся со дна акватории повышается в 2-6 раз. Разработанная математическая модель может быть использована при принятии решений по дополнительной очистке воды на водозаборах, цехах водоочистки и водоподготовки питьевой воды при угрозе усиления ветра до штормовых значений.
Куйбышевское водохранилище — это крупнейшее в Евразии искусственное озеро на Волге, созданное при строительстве Жигулёвской ГЭС около города Тольятти в 1957 году. Оно обладает огромной площадью — 6450 км², объемом — 58 км³ и используется для производства электроэнергии и судоходства. Вблизи водохранилища расположены такие крупные промышленные центры, как Казань, Тольятти, Ульяновск, Новочебоксарск, а также еще около 50 городов и посёлков городского типа, более 1900 сельских населённых пунктов, для которых водоем является основным источником орошения сельскохозяйственных земель, водоснабжения предприятий и местных жителей. Кроме того, Куйбышевское водохранилище — популярное место отдыха и рыбалки.
В силу высокой антропогенной нагрузки водохранилище неизбежно накапливает различные загрязнители, особенно тяжелые металлы. Один из наиболее распространённых — медь, повышенное содержание которой в живом организме может привести к острому отравлению и даже летальному исходу.
За годы эксплуатации Куйбышевского водохранилища (с 1958 года) в в донных отложениях накоплено большое количество тяжелых металлов. Адсорбированные на поверхности частиц донного грунта и взвесей тяжелые металлы при взмучивании донных отложений увеличивают валовое содержание поллютантов в водных массах. Негативное влияние тяжелых металлов на организмы гидробионтов усугубляется тем, что тяжелые металлы устойчивы к разрушению в течение многих лет, они быстро накапливаются в гидробионтах и очень медленно выводятся из организмов. Помимо этого, в результате вторичного загрязнения повышенное содержание тяжелых металлов в акватории существенно ухудшает качество водопользования. Поэтому для сохранения экологического благополучия подобных социально значимых водных объектах требуется инструментарий, позволяющий оценивать концентрацию и прогнозировать распространение загрязняющих веществ в акватории.
«Для решения этой задачи мы разработали моделирующую систему внутренней нагрузки тяжелыми металлами на водный объект, которая представлена гидродинамической моделью «Волна», алгоритмами двухфазного массопереноса и схемой учета разнофракционности донных отложений, участвующих в процессах взмучивания. Разработанная модель позволяет оценить содержание загрязняющих веществ, поступивших с донными отложениями в водные массы, в условиях ветрового волнения или в результате антропогенной деятельности», — рассказывает ведущий научный сотрудник Лаборатории математических методов моделирования ИНОЗ РАН — СПб ФИЦ РАН д.г.н. Марина Шмакова.
В основе предлагаемого подхода лежит гидродинамическая модель «Волна», она позволяет учитывать явления течений волн и ветров на взмучивания донных отложений. Апробация модели проводилась для Куйбышевского водохранилища на примере меди. В качестве экспериментальных данных (концентрации и распределения тяжелых металлов, гидрометеорологических показателей, особенностей течений и прочего) привлекались материалы экспедиций в данном водоеме специалистов ИЭВБ РАН. Для детализации и точного моделирования течений и перемещения частиц меди ученые “наложили” на водоем регулярную прямоугольную сетку, которая “разбивала” всю территорию водохранилища на 143 562 расчетных узла.
Исследователи ИНОЗ — СПб ФИЦ РАН и ИЭВБ РАН промоделировали внутреннюю нагрузку медью для двух гидрометеорологических сценариев: в штиль (при нулевой скорости ветра) и при штормовом ветре доминирующего направления скоростью 15 м/с. Результаты показали, что при шторме концентрация меди возрастала в 2–6 раз на мелководных участках Куйбышевского водохранилища и местах водозабора. Кроме того, на распределение концентраций серьезное влияние оказывал сложный рельеф дна.
«Предлагаемый расчетный метод может быть использован при принятии решений о дополнительной очистке воды на водозаборах, в цехах водоочистки и водоподготовки питьевой воды при угрозе усиления ветра до штормовых значений. Модель позволяет делать прогноз качества воды при наличии надежной исходной информации о направлении и скорости ветра на трёхсуточный период. Разработанная моделирующая система является универсальной и при наличии соответствующих данных, может быть использована для других водоёмов, которые требуют регулярного экологического мониторинга», — отмечает Марина Шмакова.
Первые результаты исследования опубликованы в научном журнале «Вычислительные технологии».
Наука
Машины и Механизмы
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Прорыв в хирургии: врач СПбГУ удостоен премии за операцию, не имеющую аналогов в мире
Ученые СПбГУ сделают дешевле межпланетные полеты и доставку грузов на МКС
