Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная
Трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ), состоит из физически полного гидродинамического блока, а также модулей переноса и трансформации детрита и ПХБ. Учитываются процессы адсор...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2011
|
| Назва видання: | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112810 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная / А.В. Багаев, С.П. Любарцева // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 325-336. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-112810 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1128102017-01-28T03:02:38Z Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная Багаев, А.В. Любарцева, С.П. Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ), состоит из физически полного гидродинамического блока, а также модулей переноса и трансформации детрита и ПХБ. Учитываются процессы адсорбции/десорбции ПХБ на оседающих частицах детрита; знакопеременный поток на границе вода – седименты; деструкция детрита. Реализуется spin-up расчет сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Георгиевского Гирла Дуная. Анализируется динамика полей ПХБ, сформированных в результате применения искусственного сорбента для минимизации пагубного воздействия на экосистему. Тривимірна чисельна модель, призначена для розрахунку забруднення водної товщі і донних опадів північно-західного шельфу Чорного моря поліхлорбіфенілів (ПХБ), складається з фізично повного гідродинамічного блоку, а також модулів переносу і трансформації детриту і ПХБ. Враховуються процеси адсорбції/десорбції ПХБ на осідаючих частках детриту; знакозмінний потік на кордоні вода − седимент; деструкція детриту. Реалізується spin-up розрахунок сценарію миттєвого аварійного викиду ПХБ з Георгіївського Гирла Дунаю. Аналізується динаміка полів ПХБ, сформованих в результаті застосування штучного сорбенту для мінімізації згубного впливу на екосистему. The 3-D model, which is aimed at simulation of polychlorinated biphenyl (PCB) contamination of the water column and sediment on the Black Sea north-western shelf, consists of full physics hydrodynamic block as well as modules which describe detritus transport and transformation and PCB transport. PCB adsorption/desorption on the settling particles of detritus; alternating-sign flux at the water – sediment boundary; destruction of detritus are taken into consideration. Spin-up simulation of the scenario of the accident instantaneous accident PCB spill from the St George Arm of Danube is carried out. PCB field dynamics, which comes from artificial sorbent use in order to minimize hazardous impact on the ecosystem, is analyzed. 2011 Article Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная / А.В. Багаев, С.П. Любарцева // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 325-336. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1726-9903 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112810 551.465.5+574.5.001.57:51 ru Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах |
| spellingShingle |
Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах Багаев, А.В. Любарцева, С.П. Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| description |
Трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ), состоит из физически полного гидродинамического блока, а также модулей переноса и трансформации детрита и ПХБ. Учитываются процессы
адсорбции/десорбции ПХБ на оседающих частицах детрита; знакопеременный поток на границе вода – седименты; деструкция детрита. Реализуется spin-up расчет
сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Георгиевского Гирла Дуная.
Анализируется динамика полей ПХБ, сформированных в результате применения
искусственного сорбента для минимизации пагубного воздействия на экосистему. |
| format |
Article |
| author |
Багаев, А.В. Любарцева, С.П. |
| author_facet |
Багаев, А.В. Любарцева, С.П. |
| author_sort |
Багаев, А.В. |
| title |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная |
| title_short |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная |
| title_full |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная |
| title_fullStr |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная |
| title_full_unstemmed |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная |
| title_sort |
модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне дуная |
| publisher |
Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Экология и рациональное природопользование в прибрежной и шельфовой зонах |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112810 |
| citation_txt |
Модельная оценка эффективности использования активного сорбента при аварийном выбросе полихлорбифенилов в устьевой зоне Дуная / А.В. Багаев, С.П. Любарцева // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2011. — Вип. 25, т. 2. — С. 325-336. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| work_keys_str_mv |
AT bagaevav modelʹnaâocenkaéffektivnostiispolʹzovaniâaktivnogosorbentapriavarijnomvybrosepolihlorbifenilovvustʹevojzonedunaâ AT lûbarcevasp modelʹnaâocenkaéffektivnostiispolʹzovaniâaktivnogosorbentapriavarijnomvybrosepolihlorbifenilovvustʹevojzonedunaâ |
| first_indexed |
2025-07-08T04:44:00Z |
| last_indexed |
2025-07-08T04:44:00Z |
| _version_ |
1837052557976928256 |
| fulltext |
325
УДК 551 .465 .5+574 .5 .001 .57 :51
А.В. Багаев, С.П. Любарцева
Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
АКТИВНОГО СОРБЕНТА ПРИ АВАРИЙНОМ ВЫБРОСЕ
ПОЛИХЛОРБИФЕНИЛОВ В УСТЬЕВОЙ ЗОНЕ ДУНАЯ
Трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения вод-
ной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорби-
фенилами (ПХБ), состоит из физически полного гидродинамического блока, а так-
же модулей переноса и трансформации детрита и ПХБ. Учитываются процессы
адсорбции/десорбции ПХБ на оседающих частицах детрита; знакопеременный по-
ток на границе вода – седименты; деструкция детрита. Реализуется spin-up расчет
сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Георгиевского Гирла Дуная.
Анализируется динамика полей ПХБ, сформированных в результате применения
искусственного сорбента для минимизации пагубного воздействия на экосистему.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : междисциплинарная численная модель, адсорбция, де-
сорбция, детрит, активный сорбент, северо-западный шельф Черного моря.
Полихлорбифенилы (ПХБ) принадлежат к группе стойких органиче-
ских загрязнителей, которые даже в низких концентрациях пагубно влияют
на морскую экосистему. Им присущи:
– глобальная распространенность;
– исключительная стойкость к физическим, химическим и биологиче-
ским трансформациям;
– биоаккумуляция и токсическое воздействие на живые организмы.
ПХБ попадают в море с разгрузкой рек, атмосферными осадками, а
также с техногенными и коммунальными стоками. Считается [1], что в дан-
ный момент, основным, кроме нелегальных сбросов, источником этого за-
грязнения в морских экосистемах являются донные осадки прибрежной и
шельфовой зоны Мирового океана. Конечным этапом биогеохимического цик-
ла ПХБ является их захоронение в глубоководных седиментах. Среди всех
хлорорганических загрязнителей ПХБ обладают наибольшей сорбционной спо-
собностью на взвешенных частицах, обогащенных органическим углеродом.
Была разработана математическая модель динамики полихлорбифени-
лов на северо-западном шельфе Черного моря. С ее помощью был реализо-
ван spin-up расчет сценария аварийного выброса 4 кг ПХБ из Георгиевского
Гирла Дуная. В результате было показано, что на основе адсорбции/де-
сорбции на оседающих частицах детрита в экосистеме шельфа поддержива-
ется эффективный буферный механизм, препятствующий распространению
загрязняющего вещества в экосистеме. Целью данной работы является про-
ведение численного эксперимента по оценке эффективности применения
искусственного сорбента для снижения концентрации полихлорированных
бифенилов в водной толще.
© А.В. Багаев, С.П. Любарцева, 2011
326
Описание модели. Реализованная трехмерная численная модель явля-
ется междисциплинарной и объединяет в себе три блока: гидродинамиче-
ский, модуль переноса и трансформации детрита, а также блок транспорта
ПХБ. Биогеохимические модули связаны с физическим в off-line режиме. То
есть, изначально рассчитываются физические поля, которые затем исполь-
зуются в качестве входных для биогеохимических блоков. При этом под-
держивается односторонняя связь между блоками. Это означает, что пре-
небрегается влиянием биогеохимических переменных состояния на цирку-
ляцию и термодинамику моря. Для решения поставленной задачи – модель-
ной оценки эффективности использования активного сорбента при аварий-
ном выбросе ПХБ, данная модель была дополнена уравнениями переноса
активного сорбента и уравнением переноса ПХБ на активном сорбенте.
Для расчета скорости течений, температуры и солености воды исполь-
зуется численная трехмерная z-координатная модель [2] со свободной по-
верхностью, которая основана на полной системе нелинейных уравнений
движения и переноса тепла и соли в приближении Буссинеска, гидростати-
ки и несжимаемости морской воды. Горизонтальный турбулентный обмен
импульсом, теплом и солью задается в виде бигармонических операторов.
Подсеточная турбулентная вязкость и диффузия по вертикали параметри-
зуются с использованием гипотезы Филандера-Пакановски [3]. На поверх-
ности задаются суточные поля тангенциального напряжения трения ветра,
суммарный поток тепла и соли. На дне и твердых боковых стенках исполь-
зуются условия непротекания для нормальной составляющей вектора ско-
рости и прилипания для тангенциальной составляющей, а также отсутствия
потоков тепла и соли. На жидкой границе ставится условие Дирихле на вто-
ке и потоки импульса, тепла и соли на вытоке.
Перенос и трансформация детрита определяются уравнением для его
концентрации Sd(x, y, z, t) [4], в котором учитывается оседание в поле силы
тяжести монодисперсных частиц детрита и их деструкция, которая форма-
лизуется кинетикой первого порядка. На поверхности моря задается поток
детрита, моделирующий продукционно-деструкционные процессы в экоси-
стеме. На дне в соответствии с моделью транспорта донных наносов [5] ста-
вятся условия седиментации и эрозии. На боковой границе принимается ус-
ловие отсутствия потока детрита.
Для формализации транспорта ПХБ активным сорбентом по аналогии с
уравнением для концентрации детрита [4] вводится уравнение, описываю-
щее концентрацию активного сорбента Sa(x, y, z, t). Блок транспорта поли-
хлорбифенилов представляется уравнениями для концентрации растворен-
ных ПХБ C(x, y, z, t); концентрации ПХБ на детрите Сd(x, y, z, t) и концентра-
ции ПХБ в верхнем слое донных осадков Сb(x, y, t). Выписывается дополни-
тельное уравнение для концентрации ПХБ на активном сорбенте Сa(x, y, z, t):
∂
∂
∂
∂+∇−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
z
S
z
S
z
S
w
z
S
w
y
S
v
x
S
u
t
S a
vah
aa
s
aaaa κκ 4 , (1)
327
),()( 4,1
2,1
4
aasaddsd
vh
CCKSaCCKS
a
z
C
z
C
z
C
w
y
C
v
x
C
u
t
C
−−−−
−
∂
∂
∂
∂+∇−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
β
κκ
(2)
),(
2,14
ddsd
d
vdh
d
s
dddd
CCKS
a
z
C
z
C
z
C
w
z
C
w
y
C
v
x
C
u
t
C
−+
∂
∂
∂
∂+∇−=
=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
β
κκ
(3)
),(4,1
4
aasa
a
vah
aa
s
aaaa
CCKSa
z
C
z
C
z
C
w
z
C
w
y
C
v
x
C
u
t
C
−+
∂
∂
∂
∂+∇−=
=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
κκ
(4)
a
e
a
d
d
e
d
dbdb
b EEFFCCKZa
t
C −+−+−=
∂
∂
)( *3,1 . (5)
Здесь a
s
w − скорость гравитационного оседания активного сорбента;
a1,2(T) – удельная скорость обмена в системе вода-детрит с учетом различ-
ных скоростей процессов адсорбции и десорбции ПХБ на частицах детрита:
;
/,
/,
21
12
2,1
<
>
=
CCKa
CCKa
a
dds
dds
β – доля детрита во взвеси; Kds – константа равновесия растворенной и сор-
бированной на детрите форм ПХБ; a1,4(T) – удельная скорость обмена в сис-
теме вода-активный сорбент:
;
/,
/,
41
14
4,1
<
>
=
CCKa
CCKa
a
aas
aas
Kas – константа равновесия растворенной и сорбированной на активном сор-
бенте форм ПХБ; a1,3(T) – удельная скорость обмена в системе вода-донные
осадки:
;
)/(,
)/(,
*31
*13
3,1
<
>
=
CZCKa
CZCKa
a
bdb
bdb
Z* – толщина эффективного слоя донных отложений; Kdb – константа равнове-
сия в системе вода – донные осадки; Fd
d, Fe
d, Ed
a, Ee
a – потоки депонирования
и взмучивания для ПХБ на детрите и на активном сорбенте соответственно.
На поверхности (z = 0) задается концентрация активного сорбента SS
a,
отсутствие потока растворенных ПХБ и равенство нулю полных потоков
ПХБ на детрите и активном сорбенте:
328
0,0,0, =
∂
∂+=
∂
∂+=
∂
∂=
z
C
Cw
z
C
Cw
z
C
SS
a
va
a
s
d
vdsv
a
Sa κκκ , (6)
На дне (z = H(x, y)) задаются диффузионный обмен растворенными
ПХБ с верхним слоем донных осадков, а также потоки депонирования и
взмучивания для активного сорбента, ПХБ на детрите и активном сорбенте:
,),( *3,1
a
e
a
d
a
va
a
sbdbv FF
z
S
SwCCKZa
z
C −=
∂
∂−−=
∂
∂ κκ
a
e
a
d
a
va
a
s
d
e
d
d
d
vds EE
z
C
CwFF
z
C
Cw −=
∂
∂−−=
∂
∂− κκ , ,
где Fd
a, Fe
a – потоки депонирования и взмучивания для активного сорбента.
В соответствии с моделью переноса донных наносов [5] потоки Fd
a, Fe
a,
Fd
d, Fe
d, Ed
a, Ee
a являются функциями придонных сдвиговых напряжений τb:
≤
−=
иначе,0
,1 cdb
cd
b
ab
a
a Sw
F s
d
ττ
τ
τ
;
≥
−=
иначе,0
,12 ceb
ce
b
a M
F
e
ττ
τ
τ
,
≤
−=
иначе,0
,1 cdb
cd
b
dbsd Cw
F
d
ττ
τ
τ
;
≥
−=
иначе,0
,11 ceb
ce
b
e
M
F
ττ
τ
τ
,
≤
−=
иначе,0
,1 cdb
cd
b
ab
a
a Cw
E s
d
ττ
τ
τ
;
≥
−=
иначе,0
,13 ceb
ce
b
a M
E
e
ττ
τ
τ
,
( )22
2
0
2
0 ln vu
z
z
K b
b +
=
−
ρτ . (9)
Здесь Sab, Cdb, Cab − концентрация на дне: активного сорбента, ПХБ на дет-
рите и на активном сорбенте соответственно; M1, M2, M3 − соответствующие
параметры интенсивности взмучивания; τcd и τce − критические по отноше-
нию к седиментации и эрозии значения придонных сдвиговых напряжений;
K − постоянная Кармана; zb − толщина слоя трения, z0 − шероховатость дна.
На боковых границах для концентрации активного сорбента, раство-
ренных ПХБ, ПХБ на детрите и активном сорбенте задаются граничные ус-
ловия, подобные граничным условиям для температуры и солености [2] за
исключением латерального потока растворенных ПХБ FC, который посту-
пает с речным стоком на интервалах жидкой границы L, где впадают реки:
C
L
hn F
n
C
Cu =
∂
∂− κ . (10)
(7)
иначе иначе
иначе иначе
иначе иначе
(8)
329
Начальные условия (t = 0) для (1) – (10) следующие:
),(),,,(),,,(),,,(),,,( 00000 yxCCzyxCCzyxCCzyxCCzyxSS bbaaddaa ===== .
Пространственная дискретизация реализуется на равномерной сетке
В.И. Лебедева [6]. По вертикали расчет скорости течений, температуры, со-
лености, уровня моря, концентрации детрита, растворенных ПХБ и ПХБ на
детрите проводится на 45 неравномерно распределенных горизонтах. Вер-
тикальная компонента скорости вычисляется между основными горизонта-
ми. Шаг по времени ∆t составляет 5 мин. Уравнения переноса и трансфор-
мации активного сорбента и ПХБ, с учетом граничных и начальных усло-
вий, решаются численно с помощью TVD1 схем [7], для аппроксимации
оператора адвективного переноса используется схема superbee. Как было
показано в [8], этот подход позволяет удовлетворительно описать поля с
большими градиентами концентрации, в частности – фронтальные зоны.
Постановка численного эксперимента. Представленная модель была
использована для расчета трехмерных полей ПХБ, сформировавшихся в ре-
зультате гипотетического аварийного сброса 4 кг ПХБ из Георгиевского Гирла
Дуная. Исследовалась динамика загрязнения акватории северо-западного
шельфа в ранневесенний период. Напряжение трения ветра было получено по
приземному давлению на основании данных наблюдений за 1988 − 1998 гг. с
дискретностью 6 ч. Ежедневные значения потоков тепла, осадков, испаре-
ния, рассчитывались по натурным данным [9]. На заданном интервале по
времени (20 сут) решалась нестационарная задача переноса пятна ПХБ на
фоне развитого поля детрита, которое поддерживалось постоянным пото-
ком на поверхности в устьевой зоне Дуная [4]. Чтобы минимизировать не-
гативные последствия аварии, через 5 часов после ее начала в поверхност-
ные 12 ячеек, расположенные перпендикулярно среднему вектору перемеще-
ния пятна (см. рис. 1, правая колонка, фрагмент «1 сут»), мгновенно сбра-
сывается по 10 т активного сорбента в каждую. Такая схема соответствова-
ла значению концентрации сорбента SS
a = 0,16 мг/л в соответствующих
ячейках расчетной сетки в момент выброса сорбента. Конкретное место опти-
мального «впрыскивания активного сорбента» было выбрано в результате спе-
циальной серии расчетов. Эффективность применения активного сорбента
контролировалась с помощью бюджета ПХБ. Физико-химические свойства
активного сорбента определяются набором полуэмпирических параметров (пе-
речислены в таблице), который был найден в процессе тщательного тюнинга –
многократного решения задачи с различными значениями параметров. Они
выбирались из соображения оптимизации. С одной стороны, необходимо
было максимизировать эффективность сорбента, с другой стороны, – сохра-
нить реальный порядок варьируемых величин. Рассматриваемый нами сор-
бент был назван активным, так как удельная скорость адсорбции на его час-
тицах превышает скорость адсорбции на детрите в три раза; удельная ско-
рость десорбции на порядок меньше скорости таковой для детрита, а также
скорости адсорбции на сорбенте. Отдельно варьировался параметр скорости
1 TVD – Total Variation Diminishing – уменьшение полной вариации.
330
гравитационного оседания активного сорбента с целью поиска оптимально-
го значения этого показателя. В качестве начального для ws
a было выбрано
значение 10-3 см/с, равное скорости оседания детрита. Затем значение ws
a
увеличивалось до 5·10-3 см/с, что приводило к небольшому возрастанию
эффективности сорбента. Дальнейшее увеличение ws
a до 15·10-3 см/с приво-
дило к обратному эффекту, т.к. сорбент оседал много быстрее, чем проис-
ходящая на его поверхности адсорбция.
Т а б л и ц а . Полуэмпирические параметры модели.
Наименование параметра Обозначение
параметра
Значение
параметра
Блок переноса ПХБ
1. Скорость гравитационного оседания детрита ws 10-3 см/с
2. Удельная скорость адсорбции/десорбции
ПХБ
в системе вода-детрит
a1,2 1,16·102 см3/(г·с)
3. Скорость обмена растворенной фазой ПХБ
в системе вода-донные осадки
a1,3 1,16·10-7 с-1
4. Коэффициент равновесного распределения
ПХБ в системе вода-детрит
Kds 1/2
5. Коэффициент равновесного распределения
ПХБ в системе вода-донные осадки
Kdb 1/8
6. Эффективная толщина слоя донных осадков Z* 10 см
7. Доля детрита во взвеси β 1/3
8. Параметр интенсивности взмучивания ПХБ
на детрите на границе вода-донные осадки
M1 10-18 г/(см2·с)
Блок переноса активного сорбента и ПХБ на нем
1. Скорость гравитационного оседания активно-
го сорбента
a
s
w 5·10-3 см/с
2. Параметр интенсивности взмучивания актив-
ного сорбента
M2 10-4 г/(см2·с)
3. Удельная скорость адсорбции ПХБ в системе
вода-активный сорбент
a14 5·102 см3/(г·с)
4. Удельная скорость десорбции ПХБ в системе
вода-активный сорбент
a41 50 см3/(г·с)
5. Коэффициент равновесного распределения
ПХБ в системе вода-активный сорбент
Kas 1/2
6. Параметр интенсивности взмучивания ПХБ
на активном сорбенте на границе вода-
донные осадки
M3 10-18 г/(см2·с)
Анализ результатов моделирования. На рис. 1 показана временная
эволюция пятна растворенных ПХБ на горизонте 3 м без сорбента (слева) и
с его применением (справа). Пятно ограничено контуром с концентрацией
растворенных ПХБ 10-3 пкг/л. Пятно активного сорбента ограничено конту-
331
ром с концентрацией 1 мкг/л. Ядро загрязнения, которое определяется мак-
симальными значениями концентраций, локализовано в толще воды. Тем не
менее, приведенное на рис. 1 распределение соответствует проекции ядра
на горизонт 3 м, который соответствует поверхностному слою в модели.
Р и с . 1 . Траектория пятна растворенных ПХБ на горизонте 3 м (фиолетово-
синяя гамма). Левая колонка – без сорбента, правая – с его применением.
Пятно сорбента показано зеленым цветом.
Из-за преобладания типичных для этого сезона северо/северо-восточ-
ных ветров со скоростями до 10 – 15 м/с в исследуемой области формиру-
332
ется вдольбереговое течение, проходящее в юго-западном направлении.
Оно имеет среднюю скорость 20 см/с, которая уменьшается с приближени-
ем к границам бассейна. Расчеты показали, что область распространения
детрита и ПХБ в сторону открытого моря ограничена изобатой 75 м. Видно,
что на третьи сутки после аварии ядро сносится в район г. Тулча (Румыния).
Фронтальная зона вытягивается в юго-западном направлении, что является
косвенным подтверждением доминирования адвективного горизонтального
переноса над диффузионным. Адвекция обеспечивает поставку детрита, на
котором происходит адсорбция ПХБ. В результате пространственное рас-
пределение ПХБ на детрите отличается от ПХБ в растворе только значе-
ниями концентраций, которые достигают 102 пкг/л. На горизонтах 25 − 40 м
отчетливо фиксируется «перекачка» растворенных ПХБ в сорбированную на
детрите форму. В полях детрита и ПХБ на детрите прослеживается образова-
ние линз за счет взмучивания на границе вода-донные осадки. На верхнем пра-
вом фрейме обозначена линия, по которой «впрыскивается» активный сорбент.
На правой серии фрагментов (фреймов) пятно сорбента отображается поверх
пятна ПХБ, так как распределения ПХБ без сорбента и с его применением мало
отличаются друг от друга. Едва заметные отличия прослеживаются на фрей-
мах, соответствующих 8 сут после аварии.
На рис. 2 показаны распределения разности между концентрациями
растворенных ПХБ на горизонте 3 м без сорбента и с его использованием.
2 сут 4 сут
6 сут 8 сут
Р и с . 2 . Разность между концентрациями растворен-
ных ПХБ без сорбента и с его использованием. Пункти-
ром оконтурена концентрация сорбента 1 мкг/л. Приве-
денные распределения соответствуют горизонту 3 м.
45°
44°
43°
45°
44°
43°
Ш
и
р
о
т
а
, с
е
в
е
р
н
а
я
Ш
и
р
о
т
а
, с
е
в
е
р
н
а
я
28° 29° 30° 28° 29° 30°
Долгота, восточная Долгота восточная
2 суток 4 суток
6 суток 8 суток
333
На рис. 1 и рис. 2 видно, как деформируется поле концентрации актив-
ного сорбента на поверхности за счет динамически активной струйной
структуры вдольберегового течения. К шестым суткам происходит разрыв
пятна сорбента. Одна его часть уносится в мористую часть акватории, дру-
гая – накапливается в угловой области прибрежной зоны. Максимальное
значение отображенной на рис. 2 разности, достигающее 20 пкг/л, харак-
терно для локальных пространственных кластеров, в которых активный
сорбент работает наиболее эффективно. Таковыми оказываются прибреж-
ные кутовые зоны, слабо промываемые течениями.
Рис. 3 иллюстрирует временной ход компонент материального бюджета
ПХБ.
Р и с . 3 . Бюджет ПХБ в случае применения активного сорбента.
Видно, что за первые двое суток после аварии масса растворенных в воде
полихлорбифенилов падает на 24 % в основном за счет сорбции на детрите.
Если на пятые сутки после аварии около 30 % ПХБ сорбируются оседающими
частицами детрита, то лишь 6 % выводятся из раствора за счет адсорбции на
активном сорбенте и 4 % за счет поглощения седиментами. Накопленная ак-
тивным сорбентом масса ПХБ значительно меньше таковой на детрите. Тем не
менее, активный сорбент накапливает ПХБ значительно быстрее, чем верхний
слой донных отложений. На пятые сутки после аварии массы ПХБ в седимен-
тах и на частицах активного сорбента на дне уравниваются. Расчет компонент
бюджета ПХБ показал, что использование активного сорбента не приводит к
значительному усилению накопления ПХБ на дне.
На рис. 4 представлены диаграммы Хофмеллера на станции В, которая на-
ходится под прямым воздействием загрязнения. Вертикальное движение вод в
исследуемый период характеризуется режимом слабого даунвеллинга со ско-
ростями (2,5 – 7,5)·10-3 см/c (см. рис. 4, д). Пятно растворенных ПХБ с ядром,
концентрация в котором достигает 60 пкг/л, проходит через станцию на 4 – 9
сутки после аварии (см. рис. 4, а). На станции В фиксируются также достаточ-
но высокие концентрации активного сорбента (до 0,02 мг/л), что позволяет
80
40
0
6
4
2
0
1 2 3 4 5 6
Время, сутки
Б
ю
д
ж
е
т
П
Х
Б
,
%
Б
ю
д
ж
е
т
П
Х
Б
,
%
334
оценить эффективность его применения (см. рис. 4, ж). Видно, что, несмотря
на заложенные при постановке задачи доминирующие по сравнению с детри-
том сорбирующие способности искусственного реагента, в динамически ак-
тивной зоне он не может конкурировать с детритом. Действительно, концен-
трация ПХБ на детрите достигает 30 пкг/л, в то время, как на активном сор-
бенте всего 15 пкг/л (см. рис. 4, е). Причиной низкой эффективности актив-
ного сорбента является его нехватка, усугубленная быстрым адвективным
Р и с . 4 .Диаграммы Хофмеллера на станции В, обозначенной на врезке:
а – концентрация ПХБ в растворе; б – концентрация ПХБ на детрите; в – кон-
центрация детрита; г – значение сорбционного слагаемого на детрите; д – вер-
тикальная скорость; е – концентрация ПХБ на сорбенте; ж – концентрация
сорбента; з – значение сорбционного слагаемого на активном сорбенте.
транспортом. В результате получается, что, будучи изначально достаточно
неравномерно концентрированным, сорбент переносится узкими филамента-
ми, и зачастую, просто не достигает цели. В то время, как детрит, пусть в не-
больших концентрациях (до 0,075 мгС/л) присутствует во всей водной толще
(см. рис. 4, в). Хотя скорости адсорбции на активном сорбенте (см. рис. 4, з)
имеют тот же порядок, что и на детрите (см. рис. 4, г), сорбция на активном
сорбенте имеет импульсный характер, и мощности этих импульсов явно не-
достаточно, чтобы остановить перенос пятна загрязнения.
Сравнение временного хода концентрации ПХБ на дне без применения
сорбента и с его применением (см. рис. 5) показывает, что выбранная нами
станция В является достаточно удачной для иллюстрации полезных свойств
с.ш.
45°
44°
43°
28° 29° 30° 31°
335
активного сорбента, которые проявляются в верхнем слое донных осадков.
Действительно, на его частицах происходит очень быстрое, (0,12 пкг/(м3·сут)
против 0,024 пкг/(м3·сут)), выведение взвешенного ПХБ из водной толщи.
Рис . 5. Временной ход концентрации ПХБ в верхнем слое донных
отложений, сорбированных: а – детритом; б – активным сорбентом.
Кроме того, активный сорбент блокирует реконтаминацию водной толщи
загрязненными частицами, которая проявляется на более длительных проме-
жутках времени. Таким образом, расчеты показали, что активный сорбент
хорошо работает в донных осадках на временных масштабах, превышающих
15 дней. Этот вывод согласуется с результатами натурных экспериментов [10].
Выводы. Разработанная междисциплинарная модель динамики ПХБ
позволяет оценить эффективность использования активного сорбента для
очистки водной толщи от загрязнения. Для этого реализуется специальный
численный эксперимент, в котором рассчитываются концентрация ПХБ в
растворе; на детрите; в верхнем слое донных осадков; а также концентрация
активного сорбента и ПХБ на его монодисперсных частицах.
Было показано, что в условиях интенсивного адвективного транспорта,
характерного для весеннего периода, связать на сорбенте удается около 6% от
начального выброса ПХБ. Примерно половина сорбента оказывается выбро-
шенной далеко в море, т.е. оказывается практически бесполезной. Отношение
площади контаминированного дна с применением сорбента к таковой без него
составляет примерно 95 %. Загрязненный полихлорбифенилами сорбент начи-
нает накапливаться в верхнем слое седиментов мелководной южной кутовой
(вершинной) части приустьевой зоны Дуная. Учитывая стоимость сорбента,
его доставки и размещения, а также токсичность всех продуктов реакций мож-
но сказать, что пока не разработаны высокоэффективные сорбенты, с сорбци-
онными свойствами, значительно превосходящими детрит, проведение по-
добных акций в динамически активных прибрежных зонах следует признать
малоэффективными. С другой стороны, в районах со слабым водообменом
эффективность использования искусственных сорбентов возрастает.
Авторы выражают благодарность С.Г. Демышеву за предостав-
ленную модель циркуляции.
0,16
0,12
0,08
0,04
0
К
о
н
ц
ен
тр
ац
и
я
П
Х
Б
, п
к
г/
с
м
2 0,3
0,2
0,1
0
К
о
н
ц
ен
тр
ац
и
я
П
Х
Б
, п
к
г/
с
м
2
0 5 10 15 20 0 5 10 15 20
Время, сутки Время, сутки
а б
336
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клюев Н.А., Бродский Е.С. Определение полихлорированных бифенилов в ок-
ружающей среде и биоте // Полихлорированные бифенилы. Супертоксиканты
XXI века. – М.: ВИНИТИ, 2000. – № 5. – С.31-63.
2. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная энергосбалансированная модель ба-
роклинных течений океана с неравным дном на сетке С // Численные модели и
результаты калибровочных расчетов течений в Атлантическом океане. – М.:
ИВМ РАН, 1992. – С. 163-231.
3. Pacanovsky R.C., Philander G. Parametrization of vertical mixing in numerical mod-
els of the tropical ocean // J. Phys. Oceanogr. – 1981. – vol. 11. – P. 442-1451.
4. Багаев А.В. Совершенствование параметризации детрита в задачах экологиче-
ского моделирования приустьевой зоны Дуная // Экологическая безопасность
прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа.
– Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика». – 2010. – вып.22. – С. 274-280.
5. Алексеев Д.В., Иванов В.А., Иванча Е.В., Фомин В.В., Черкесов Л.В. Исследова-
ние полей концентрации взвеси на северо-западном шельфе Черного моря при
взмучивании донных осадков движущимся циклоном // Морской гидрофизиче-
ский журнал. – 2007. – № 1.– С. 3-19.
6. Лебедев В.И. Разностные аналоги ортогональных разложений, основных диф-
ференциальных операторов и некоторых краевых задач математической физики
// Журн. вычисл. матем. и матем. физ. – 1964. – № 3. – С. 449-465.
7. Pietrzak J. The use of TVD limiters for forward-time upstream-biased advection
schemes in ocean modeling // Mon. Wea. Rev. – 1998. – 126. – Р. 812-830.
8. Фомин В.В. Применение схем TVD для численного моделирования фронтальных
зон солености в мелком море // Метеорология и гидрология. – 2006. – № 2.
– С. 59-68.
9. Кныш В.В., Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Методика реконструкции климатической
сезонной циркуляции Черного моря на основе ассимиляции гидрологических дан-
ных в модели // Морской гидрофизический журнал. – 2002, № 2. – С. 36-52.
10. Ghosh U., Talley J., Luthy R. Particle-scale investigation of PAH desorption kinetics
and thermodynamics from sediments // Environ. Sci. Technol. – 2001. – vol. 35,
№ 17. – P. 3468-3475.
Материал поступил в редакцию 30 .10 .2011 г .
АНОТАЦІЯ Тривимірна чисельна модель, призначена для розрахунку забруднен-
ня водної товщі і донних опадів північно-західного шельфу Чорного моря
поліхлорбіфенілів (ПХБ), складається з фізично повного гідродинамічного блоку, а
також модулів переносу і трансформації детриту і ПХБ. Враховуються процеси
адсорбції/десорбції ПХБ на осідаючих частках детриту; знакозмінний потік на
кордоні вода − седимент; деструкція детриту. Реалізується spin-up розрахунок
сценарію миттєвого аварійного викиду ПХБ з Георгіївського Гирла Дунаю.
Аналізується динаміка полів ПХБ, сформованих в результаті застосування штучно-
го сорбенту для мінімізації згубного впливу на екосистему.
ABSTRACT The 3-D model, which is aimed at simulation of polychlorinated biphenyl
(PCB) contamination of the water column and sediment on the Black Sea north-western
shelf, consists of full physics hydrodynamic block as well as modules which describe
detritus transport and transformation and PCB transport. PCB adsorption/desorption on
the settling particles of detritus; alternating-sign flux at the water – sediment boundary;
destruction of detritus are taken into consideration. Spin-up simulation of the scenario of
the accident instantaneous accident PCB spill from the St George Arm of Danube is car-
ried out. PCB field dynamics, which comes from artificial sorbent use in order to minim-
ize hazardous impact on the ecosystem, is analyzed.
|