Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской средеНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде
Результаты этапа: Усовершенствованы параллельные алгоритмы расчета лагранжевых трассеров в LES-модели. Выполнено сравнение различных методов переноса трассеров с использованием подсеточной стохастики и без нее. Обнаружены эффекты ложного накопления мелкомасштабной пространственной изменчивости концентрации частиц при их переносе в бездивергентном турбулентном модельном поле скорости и протестированы способы устранения данного эффекта. Проведены тестовые эксперименты с помощью модели COSMO_CLM с параметризацией городской застройки TEB с горизонтальным разрешением 1.2 км. Получена мультимасштабная база данных характеристик городских каньонов города Москвы с разрешением 200, 500 и 1000 м. Определен интерфейс и принципы использования полученной БД при метеорологическом моделировании. Для отработки методики изучения и картографирования геохимических барьеров в городских ландшафтах проанализированы ландшафтно-геохимические данные, собранные на территории Восточного округа Москвы в 2010 г. Материалы исследований организованы в виде ГИС, содержащей координаты 73 точек опробования, характеристику ландшафтных условий и антропогенных факторов, физико-химические свойства поверхностных горизонтов почв и концентрации в них тяжелых металлов (ТМ). Сочетания природных и антропогенных факторов, при которых формируются геохимических барьеры в почвах, определены путем построения в пакете SPLUS регрессионных деревьев, связывающих уровни содержания ТМ с наиболее сильно влияющими факторами. Результаты анализа показали, что аккумуляция ТМ контролируется физико-химическими свойствами почв и рядом антропогенных факторов и ландшафтных условий (геохимической позицией, мезорельефом, видом использования территории, величиной пылевой нагрузки, выбросами автотранспорта, структурой застройки, степенью озелененности, запечатанностью почв). В поверхностном слое городских почв диагностируются щелочной (Cd, Cu, Zn), хемосорбционный (Bi, Sb, As, Cu, Pb, Zn), органоминеральный (Sb, As, Pb) и сорбционно-седиментационный (Cd, Cu) геохимические барьеры. Результаты снегомерной съемки на территории ВАО показали, что средняя по округу пылевая нагрузка в холодный период года примерно в 3 раза выше фонового значения, наибольшими выпадениями пыли характеризуются автомагистрали и промышленные зоны. Техногенная геохимическая специализация твердой фракции снега в Восточном округе определяется накоплением Mo (Кс=19, т.е. в 19 раз выше фона), Ag, Sb, As, W, Sn (6-4), V, Fe, Cr, Sr, Ni (3,9-2), Cd, Со, Bi (1,7-1,5). В выпадениях доминируют: Mo (Kd=176), W, Sb, As, Ag (18-14), Sn, Fe, Sr, V, Cr, Ni (10-6), Co, Zn, Mn, Cu, Bi, Cd, Ti (5-3). Наиболее высокая техногенная нагрузка поллютантов характерна для автомагистралей и промышленных зон, где размещены предприятия машиностроения и металлообработки, химической промышленности, энергетики, переработки твердых бытовых отходов. К элементам с высокой имиссией во всех зонах, кроме рекреационной и сельскохозяйственной, относятся Sb и As. Особую экологическую опасность представляют элементы с максимальными величинами выпадений и одновременно имеющие высокие концентрации в снеговой пыли – Mo, Ag, Sb, As, W, Sn. Для них увеличение имиссии на территории ВАО на порядок и более превышает фоновый уровень. Дополнительное загрязняющее воздействие на городские ландшафты оказывают Sr, V, Cr, Cd, Ni, Cu, Zn, Bi, для которых характерна значительная имиссия в сочетании в повышенной концентрацией в пылевых частицах.
2 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде
Результаты этапа: 1. В вихреразрешающей модели пограничного слоя атмосферы ИВМ РАН/НИВЦ МГУ реализованы процедуры лагранжева переноса частиц в областях со сложной геометрией, в частности, при моделировании идеализированной городской застройки. Проведены тестовые расчеты по обтеканию тел простой формы, в которых одновременно рассчитывались траектории до 1 млрд. частиц. В модель включены параметризации процессов вовлечения частиц с поверхности с учетом их взаимодействия с течением и гравитационного оседания. Проведены расчеты турбулентного переноса взвеси тяжелых частиц вблизи поверхности, аналогом которых в природе является снежная поземка, с целью изучить ее способность воздействовать на турбулентность и приводить к изменению потока импульса на поверхности за счет эффектов стратификации двухфазной жидкости и инерции трассеров. В модель включена также параметризация воздействия слоя растительности на турбулентность и проведены тестовые расчеты при различных значениях индекса площади листьев и условий стратификации в пограничном слое. Таким образом, в основном создана вычислительная технология для расчета атмосферной турбулентности в городской среде и ее взаимодействия с процессами переноса примесей в городской среде. 2. На основе проведенной оценки чувствительности региональной климатической модели COSMO-CLM к изменению различных опций и используемых параметризаций определена оптимальная конфигурация, обеспечивающая наилучшее качество воспроизведения климатических условий Московского региона (фоновых загородных территорий) как для летнего, так и зимнего периодов. Проведен критический анализ сопряженной с моделью параметризации городской застройки TEB; выявлен ряд проблем, осложняющих ее дальнейшее применение для решения задач проекта; начата работа по апробации альтернативной параметризации городской застройки – схемы TERRA-URB. 3. На основе открытых пространственных данных OpenStreetMap сформирована база данных характеристик структуры подстилающей поверхности и геометрических параметров городских каньонов на сетке с пространственным разрешением 1 км, предназначенной для реализации модели COSMO_CLM. Сетка охватывает территорию Москвы и ближнего Подмосковья с пространственным размахом 145 км х 145 км. 4. Выполнена количественная оценка условий формирования и параметров аномалий тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в поверхностном слое городских почв как результат решения ряда взаимосвязанных задач на основе экспериментальной информации, полученной в 2015-2016 гг. для территории жилой зоны вблизи одной из крупных автомагистралей Восточного административного округа (ВАО) Москвы – Вешняковской ул. Выделены парагенетические ассоциации ТММ и элементов-приоритетных поллютантов в городских почвах ВАО, обладающих близким поведением, общими источниками и зонами аккумуляции; проведен анализ пространственного распределения отдельных ТММ и суммарного загрязнения на модельной территории в данном округе Москвы; определены ведущие техногенные и почвенно-геохимические факторы формирования аномалий ТММ в почвенном покрове. Установлено, что формирование техногенных аномалий ТММ в городских почвах обусловлено выпадением техногенных частиц определенной крупности, содержащихся в выбросах автотранспорта и промышленных предприятий. В результате, в городских почвах формируется сорбционно-седиментационный барьер, причем роль физико-химических свойств почв в закреплении техногенных металлов незначительна.
3 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Моделирование турбулентности и переноса загрязнений в городской среде
Результаты этапа: 1. При помощи LES-модели, содержащей блок лагранжева переноса частиц, проведены расчеты турбулентности и распространения мелкодисперсных примесей в городской среде. Рассматривалась упрощенная геометрия периодической последовательности городских каньонов при поперечном направлении среднего ветра. Для того, чтобы выяснить оказывают ли влияние граничные условия и избыточная вязкость среды на структуру среднего течения и турбулентность, а как следствие и на перенос примесей, выполнены LES-расчеты при двух значениях числа Рейнольдса (Re = 12000 и Re = 2 × 10^7 ) и проведен сравнительный анализ их результаты между собой и с данными лабораторных измерений. Показано, что для воспроизведения структуры течения в каньоне и корректного вычисления концентрации примеси в городской среде необходимо пространственное разрешение модели около 40 узлов сетки на ширину "улицы" и более. Численно показано, что для данной конфигурации обтекаемых объектов величина числа Рейнольдса не оказывает определяющего влияния на структуру течения и на распространение газообразной примеси, что говорит о возможности рассматривать данные лабораторных измерений при Re ~ 10^4 как аналог турбулентности в реальной городской среде. Выполнены расчеты переноса частиц сажи с размерами до семидесяти микронов в диаметре. Получены оценки предельных размеров частиц, для которых возможен перенос по последовательности каньонов. Показано, что наибольшая концентрация загрязнения в каньонах достигается для примесей, состоящих из частиц с размерами, близкими к предельному. Используя преимущества лагранжева подхода, изучены временные характеристики переноса примесей в городских каньонах при двух значениях отношения высоты "зданий" H к ширине "улиц" W (H/W=1 и H/W=2). Найдены и объяснены некоторые закономерности вентиляции "улиц". В частности, показано, что через определенное время от одномоментного выброса примеси наступает продолжительный этап экспоненциального убывания ее концентрации. На этом этапе коэффициент турбулентного обмена концентрацией безынерционной примеси между пограничным слоем атмосферы над городом и внутренней частью городских каньонов не зависит от геометрических характеристик каньонов и структуры турбулентного течения в них. Основные результаты проведенного исследования описаны в статье: Глазунов А.В. "Численное моделирование турбулентности и переноса мелкодисперсной примеси в городских каньонах" (принята к печати в журнале "Вычислительные методы и программирование"). 2. Впервые для основной депонирующей среды в городе – почвенного покрова – получена количественная оценка роли искусственного рельефа в его загрязнении тяжелыми металлами и металлоидами. На примере Восточного округа Москвы установлено, что загрязнение почв дифференцировано в зависимости от параметров застройки, которая на расстоянии от зданий менее 23-36 м при их суммарной площади более 660 м^2 и высоте более 7,5-21 м создает защитные барьеры-экраны для внутридворовых территорий, уменьшающие концентрации в почвах. в 1,2-3 раза. Противоположное, то есть, загрязняющее воздействие застройки проявляется в «колодцах-ловушках», образующихся в зависимости от металла на расстоянии менее 25-30 м от окружающих зданий при их высоте более 8,5-20 м, средней площади более 118-323 м^2 и общей площади более 323-1300 м^2. Влияние этих двух конфигураций застройки проявляется только при определенном направлении атмосферных потоков. В восточной Москве преобладают южные, западные и восточные ветры, защитой от которых служат здания, расположенные в северо-западном секторе относительно точки исследования. Увеличение их высоты и уменьшение расстояния до точки способствуют уменьшению концентраций в почвах. При увеличении средней или суммарной площади зданий в северо-восточном и юго-западном секторах формируются зоны осаждения из атмосферы. Различие пороговых значений параметров застройки, при которых происходит увеличение концентраций в городских почвах селитебной зоны, связано с неоднородностью обогащения частиц различного диаметра, поступающих с транспортными и промышленными выбросами и переносимых воздушными потоками на разное расстояние.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".