научная статья по теме РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЛАГРАНЖЕВА ПОДХОДА Геология

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЛАГРАНЖЕВА ПОДХОДА»

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 1, с. 56-62

КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

УДК 532.543

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЛАГРАНЖЕВА ПОДХОДА

© 2015 г. Б. В. Архипов, В. В. Солбаков, M. Б. Соловьев, Д. А. Шапочкин

Вычислительный центр им. А.А. Дородницына РАН 119991 Москва ГСП-1, ул. Вавилова, 40 E-mail: arhip@ccas.ru Поступила в редакцию 15.12.2011 г.

Предложен метод расчета характеристик загрязнения водной среды. Показано, что корректное определение и расчет этих характеристик возможны только с использованием лагранжева подхода. Для преодоления сложностей расчета на деформирующейся лагранжевой сетке рассмотрены особенности интерполяции расчетных величин при переходе с деформированной лагранжевой сетки на недеформированную. Предложен оригинальный прием, позволяющий обеспечить сохранение значений основных функционалов при выполнении такого интерполирования. Проанализирован характер возмущений расчетных величин, возникающих из-за перестроения сетки и последующей интерполяции. Показано, что эти возмущения несущественны.

Ключевые слова: гидродинамические процессы, лагранжев подход, оценка воздействия на окружающую среду.

Б01: 10.7868/80321059614060029

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Хозяйственная деятельность часто сопровождается загрязнением водоемов, рек и морей. Загрязняющие вещества оказывают отрицательное воздействие на различные группы гидробионтов, в том числе на промысловые виды рыб и зообен-тоса. Последствия антропогенного воздействия на гидробионты представляют научный, практический и экономический интерес [6]. Для расчета размера ущерба гидробионтам при попадании загрязняющих веществ (ЗВ) в водную среду необходимо в качестве основы расчета определить набор гидрологических характеристик.

Рассмотрим следующую модель гибели микроорганизмов. Предположим, что за время ТЦт гибнет 100% микроорганизмов в некотором объеме V, концентрация ЗВ в котором выше некоторого заданного порогового значения СЦт, а за время ' < ТЦт гибнет доля их общего количества, равная ?/ТЦт. Такой подход приемлем при определении доли погибших организмов в неподвижной жидкости в лабораторном сосуде, когда фиксировано время существования загрязнения и его концентрация. При непрерывном продолжительном поступлении ЗВ в движущийся поток, скорость которого меняется во времени и пространстве, ис-

пользование описанной модели затруднено в связи с необходимостью определения объема загрязненных вод и продолжительности загрязнения. Эти трудности обусловлены тем, что различные объемы воды загрязняются в разной степени и в течение разных периодов времени, как это обычно бывает при попадании ЗВ от некоторого длительно действующего источника в водную среду. Для точного определения этих величин необходимо использовать лагранжево описание движения сплошной среды [3].

Напомним, что лагранжевы координаты х = = (хь х2, х3) маркируют материальную частицу жидкости, а эйлеровы координаты X = (Х1, Х2, Х3) маркируют точку неподвижного пространства. Эйлеровы координаты частиц жидкости в начальный момент времени '0 используются в качестве их лагранжевых координат. Связь лагранжевых и эйлеровых переменных задается уравнениями гидродинамики в лагранжевой форме ([4]):

X (х, ') = х + IV [X (х, Г), Г]Г, (1)

'0

где V(X,- поле вектора скорости. Любую функцию, например концентрацию ЗВ, можно рассматривать как функцию эйлеровых переменных

СЕ (X ,Т) и как функцию лагранжевых переменных С^ (х, г):

Сь (х,г) = Се [X(х,г),Т]. (2)

Пусть О0 - область изменения лагранжевых координат. Для определения массы микроорганизмов, погибших в результате попадания ЗВ в водную среду, введем величину г Цт (х, г) — суммарное время, в течение которого в точке х наблюдалось превышение заданного СЦт:

tlim (x, t)= J dt'.

(3)

[o, x Й G

(4)

N

M » £ CoVi

i=1

Ji_ T

lim

C0

T

N

^ £V-t;,

lim i=1

(7)

где C0 - начальная концентрация микроорганизмов в объеме G[. В пределе при max Vt ^ 0 сумма

в правой части этого выражения переходит в интеграл

TSnrn — Jt limdx

lim"

(8)

Пусть М0 = С0¥{ - начальная масса микроорганизмов в объеме 0[. Тогда доля погибших микроорганизмов М/М0 удовлетворяет соотношению

С(х,г ')>Сцт

Рассмотрим следующие области (зависящие от времени 1): область 0[, состоящую из тех точек, в

которых гЦт (х,г) > 0; О'2 — область, состоящую из точек, в которых концентрация ЗВ превышает значение СЦт в текущий момент времени.

Характеристические функции соответствующих множеств обозначим 0п (х,г),п = 1,2:

M = 1Н ^. T

Mo Tim V

rt Jtlimdx =

Ti

lim

где

T = Vt Jtlimd V . Vi i

(9)

(10)

Назовем величину

Vfresh (г) = V = | йх = 10! (х, г) йх (5)

Оо

объемом протекших загрязненных вод, а величину Vplume (г) = ^ = |йх = 102 (х, г) йх (6)

О2 Оо

объемом шлейфа загрязненных вод. О соотношении этих величин говорится ниже.

Возникает вопрос о том, какую величину следует использовать в качестве интегрального показателя времени загрязнения частиц жидкости при определении доли организмов, погибших в результате воздействия ЗВ во всем рассматриваемом объеме жидкости. Разобьем весь объем О1 на N частей с объемами V, так что V/ = ^^ V, и зафиксируем длительность загрязнения г{ выше заданного порогового значения СЦт в каждом из этих объемов. Оценим массу микроорганизмов

М, погибших в объеме О[, по формуле (предполагается, что г1 < ТЦт)

Таким образом, знание величин Vfresh и T позволяет определить долю микроорганизмов, погибших в течение некоторого рассматриваемого промежутка времени во всем рассматриваемом объеме жидкости.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В КАНАЛЕ

Проиллюстрируем вычисление введенных величин на примере задачи о распространении ЗВ в канале с постоянным уклоном дна глубиной H = const и шириной 2L = const. Поле течений в таком канале определим на основе решения задачи мелкой воды [1], взятой в следующем виде:

дн + d(HU) + d(HV) = 0

dt дх1 дх2 '

dHU , dHU , dHVU

dt

д

дХ1 с

vH

дХ2

dU

д (gH 2/2)

дХ1

дХ1 ^ дХ1

dHV , dHUV , dHV

-д-ívH—

дХ2 ^ дХ2

д (gH 2/2)

dt

д

дХ1 f

vH

дХ2 dV'

дХ

2

дХ1 V дХ1 dh

д

дХ2

г

v H—

v дХ2

gH

дХ1 -в U,

gH ^

дХ 2

-в V,

(11)

(12)

(13)

= const, —— = 0, U(X,,0) = 0, U(X,,2L) = 0.(14)

dxx dx2 1

Здесь H = ^ + — - полная глубина, — - невозмущенная глубина, q - отметка свободной поверхности, U и V - компоненты скорости течения, g - гравитационное ускорение, v - коэффи-

G

циент турбулентной вязкости, р - коэффициент трения.

Ищем решение в виде

U = U(X2), V = 0, U (0) = 0, U (2L) = 0, H = const.

В таком случае уравнения (11)—(13) сводятся к одному уравнению

g — + -в U = 0, dX dX2 H

решение которого — следующее параболическое по форме поле скорости в области (—да < X1 <

< +да, 0 < X2 < 2L):

U (X1, X2, t) = a exp (a X2) + b exp ( -a X2) + »m V (Xi, X2, t ) = 0,

(15)

где

a = -m,

M b=», (1^20)

2sh (2a)

2sh(2a)

a = LA-*—,

H dh

Um = g--.

ßÖx

(16)

M =

M0 = const, t < Ts,

0, t > t„

действующим в течение времени Ts и расположенным в точке XS = ( X1s, X2s ) = (0, L):

dCE + и дСж + v дСА =

= к

dT

Гд 2Ce

+ ■

dX1 д 2c 4

dXi dX:

2 J

dX 2

+ § 8 (X - Xs ),

(17)

где 5(X - XS) - дельта-функция, K - коэффициент диффузии.

Переходя в (17) к лагранжевым координатам xb x2 и к новой искомой функции CL(x1, x2, t), получаем уравнение переноса—диффузии в лагран-жевой записи:

dcL JW + W + M5(x - xs), (18)

dt

где

dx1 dx2 OCl

H

дСт

W1 = Kn^ + Kl2-^

W2 = K21

K11 = K

1 +

dX 1 dx2

dx1

дСт дх1 2"

K

22

дх 2

дСт дx,

(19)

K12 - -K

dX 1 dx2 '

(20)

положе-

В случае распространения ЗВ в канале, когда профили скоростей течений определены зависимостями (15), формула перехода от лагранжевых координат х = (х1, х2) к эйлеровым координатам X = (Х1, Х2) имеет следующий вид:

Х1 = XI (х1, х2,') = и (х2)(' - '0) + хь

X2 = Х2 (x1, x2, ') = х2.

Для моделирования процесса распространения ЗВ в канале воспользуемся двухмерным уравнением переноса—диффузии с точечным источником с интенсивностью М:

ЙУ

1

K 21 - -K --, K 22 - K,

0x2

xs = К, x2s) = (X1s - U(X2s) (t - to ) , X2s ) -ние источника в лагранжевой системе.

Уравнение (18) рассматриваем в конечной области

G0 = {(x1,x2):L1 < x1 < L2,0 < x2 < 2L},

выбирая L1 и L2 так, чтобы источник ЗВ находился достаточно далеко от ее границ в течение всего времени его действия. В начальный момент времени полагаем С L = 0, а в качестве граничных условий задаем отсутствие потоков на берегах канала:

W = K21 ^ + K22 ^ = 0

(21)

дх1 дх2

при х2 = 0 и х2 = 2Ц,

и однородные граничные условия: СЦ = 0 на границах х1 = Ь1 и х1 = Ь2. Последнее означает, что рассматривается достаточно протяженная область потока Ц < х1 < Ц и в течение рассматриваемого времени концентрация ЗВ на ее границах остается пренебрежимо малой.

ЧИСЛЕННАЯ СХЕМА Для решения поставленной задачи введем в области 00 равномерную прямоугольную сетку лагранжевых координат с узлами

x1,i = L + ikxh x2j = jAx2, 0 < i < N1, 0 < j < N2,

(22)

где Дх1 = (Ц2 - Ц)/Иъ Ах2 = 2Ц/И2. Через х1,1 и х2,/ обозначим координаты центров ячеек:

х1,1 = Ц + ( + 0.5)Дх1, х2,/ = (/ + 0.5)Дх2,

0 < I < Ж1, 0 < / < ж2.

Нумерация ячеек соответствует нумерации их левых нижних узлов.

Значения Ci

искомой функции СЦ будем относить к центрам ячеек, а потоки ЗВ Ж1 и Ж2 -

i+1/2,j+1/2

(23)

к центрам границ ячеек (х1;, х2, ■) и (х1;, х2,j), обозначая их соответственно ^,;+1/2 и Щ-+1/2,;. Через X1,;■,j■ и X2,;■,j■ будем обозначать координаты подвижных узлов эйлеровой сетки, отвечающих введенным лагранжевым узлам (22):

Xу,■ = X1>;. ■ (г) = и (х2,■) (г - го) + ху,

X2,1,] = X2lj (г) = х2,■, о < ; < N1, о < ■ < N2.

Из закона движения узлов сетки (23) видно, что исходные прямоугольные ячейки с течением времени превращаются в параллелограммы, но при этом площадь каждой из ячеек остается неизменной.

Применяя метод контрольного объема [5], аппроксимируем уравнение (18) явной разностной схемой

Ч+1/2,у+1/2 - С;+1/2,■+1/2 _

дг "

Щ+1

■+1/2 ■+1/2 , Щ+1/2, ■+1 - ^+1/2, ■ + м; +1/2,■+1/2

Axj Ax2

1 < i < N1 -1, 0 < j < N2,

H

C/2,j+1/2 = 0, 0 < i < N1, 0 < j < N2, = 0, i = 0, N1 -1, 0

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком