ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ

Основным источником загрязнения озера Байкал считается крупнейший приток озера – река Селенга, дающая более 50% общего речного стока. Вместе с водой Селенга приносит в Байкал 60% общего объёма поступающих в озеро загрязняющих веществ [4]. Большой вклад в загрязнение р. Селенги вносят предприятия металлургической и деревообрабатывающей промышленности г. Петровск-Забайкальский, а также несколько предприятий в Хилокском и Красночикойском районах. Загрязнители поступают в озеро Байкал по главным притокам Селенги – рекам Чикой и Хилок. Эти предприятия ежегодно сбрасывают суммарно более 20 млн. м3 сточных вод, в том числе десятки тысяч тонн взвешенных и органических загрязняющих веществ [4]. Кроме того, значительное количество загрязняющих веществ поступает в Байкал из Монголии. По данным Агентства водных дел Монголии в бассейне Селенги расположены 104 предприятия по добыче угля, золота и меди, в том числе крупнейший горно-обогатительный комбинат в г. Эрдэнэт [4]. Согласно предварительному отчёту экспедиции «Селенга–Байкал», проходившей под патронажем Русского географического общества с 22 июля по 21 августа 2011 года, крупное месторождение золота в Улан-Баторе и другие месторождения полезных ископаемых в Монголии являются источником поступления загрязняющих веществ в бассейн реки Селенги и в последующем – в озеро Байкал [5]. Участниками экспедиции проведён отбор 60 проб воды, 70 проб донных отложений, 7 проб влекомых наносов, 250 проб взвеси (на бумажные и мембранные фильтры), 5 проб планктона и проведена общая геохимическая оценка состояния городов Эрдэнэт, Дархан, Улан-Батор. Кроме того, построены карты распределения мутности воды и выполнен анализ содержания основных ионов в реках бассейна Селенги. Анализ содержания тяжелых металлов, ртути в воде, биогенов, взвеси и донных отложениях осуществляется в лабораториях Эколого-геохимического научно-образовательного центра МГУ и во Всероссийском научно- исследовательском институте минерального сырья им. Н. М. Федоровского [3].

В связи с вышеизложенной проблемой важно оценить качественные показатели распространения загрязнения, поступающего из Селенги в озеро Байкал. С этой целью разработана негидростатическая математическая модель, включающая в себя уравнения количества движения, неразрывности,  энергии, концентрации примеси. В модели предполагается, что загрязняющие вещества, растворённые в воде, не всплывают на поверхность и не выпадают в осадок. Иными словами,  плотность загрязнителей совпадает с плотностью воды.

Численный метод решения задачи основан на методе конечного объёма, обеспечивающем выполнение интегральных законов сохранения. Согласно методу конечного объёма скалярные величины (температура, концентрация примеси и т.д.) определяются в центре сеточной ячейки, в то время как компоненты вектора скорости – в средних точках на границах ячеек. В целях приближения расчётной области к прибрежному профилю озера применяется метод блокировки фиктивных областей [2]: приравниваются нулю компоненты скорости в выключенной зоне за счёт использования больших значений коэффициентов вязкости в этой зоне.

В качестве исследуемой области выбрано поперечное сечение на границе Южного и Среднего Байкала: протока Средняя (устье р. Селенги) – Бугульдейка. Данные о рельефе дна, соответствующие указанному сечению, взяты из батиметрической электронной карты озера Байкал (см. Рисунок 1). Селенгинское мелководье расположено между 51.9º – 52.5º с. ш. и 106.1º – 106.9º в. д. от южной части Истокского Сора до мыса Облом.

В расчётах в качестве начального распределения температуры в озере Байкал принято постоянное значение, равное 3°C, в то время как температура воды в р. Селенге составляет 5°C и нагревается на 0.4°C в день, что соответствует реальному температурному режиму в мае месяце. Река впадает в озеро со скоростью 0.015 м/с (это значение отражает среднюю скорость стокового течения при среднегодовом расходе воды р. Селенги 1000 м3/с [1]). Минерализация воды в озере составляет 0.096 г/кг, а в реке линейно растёт от 0.140 г/кг до 0.150 г/кг. Переменный поток тепла, поступающий на водную гладь, включает в себя длинноволновую радиацию, а также потоки скрытого и чувствительного тепла. На свободной поверхности задаётся напряжение ветра, на дне – геотермальное тепло Hgeo=0.1 Вт/м2. Разрезу протока Средняя – Бугульдейка соответствует географическая широта φ=52.33º, а угол сечения относительно восточного направления равен 142º.

Вычислительная область имеет протяженность 18 км и глубину 300 м (см. Рисунок 1в). Открытый участок речного стока (на левой границе) составляет 15 м от поверхности озера. Расчётная область (см. Рисунок 1в) покрывается равномерной ортогональной сеткой с шагами hxм= 50 и hzм= 5 . Шаг по времени Δt=60 с.

Общая динамика распространения загрязнения на Селенгинском мелководье представлена на рис. 2. Из рисунка видно, что 90% загрязнённой речной воды на 5-е сутки достигает расстояния 2.6 км от устья Селенги, на 10-е сутки – 4 км, на 20-е – 6 км и на 30 – 7.2 км. Заметна тенденция опускания концентрации примеси по склону.

Список литературы

1.      Иванов В. Г. Формирование и эволюция весеннего термобара за счет стока реки (на примере Селенгинского мелководья озера Байкал) : автореф. дис. … канд. геогр. наук / В. Г. Иванов. – Иркутск, 2012. – 24 с.

2.      Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости : пер. с англ. / С. Патанкар ; под ред. В. Д. Виоленского. – М. : Энергоатомиздат, 1984. – 124 с.

3.      Проект «Селенга – Байкал»: новые результаты [Электронный ресурс] // Географический факультет МГУ им. Ломоносова : новости [06.12.2011]. – Электрон. дан. – URL: http://www.geogr.msu.ru/news/news_detail. php?ID=6077 (дата обращения: 28.11.2013).

4.      Справка – кто загрязняет Байкал [Электронный ресурс] // Федеральная служба по надзору в сфере природопользования. – Электрон.  дан. – 2013. – URL: http://rpn.gov.ru/node/1022 (дата обращения: 06.11.2013).

5.      Учёные определили главные источники загрязнения Байкала [Электронный ресурс] // РИА Новости [16.08.2011]. – Электрон. дан. – URL: http://ria.ru/danger/20110816/418461278.html (дата обращения: 06.11.2013).

6.      Цыденов Б. О. Численное моделирование эффекта весеннего термобара в глубоком озере : автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук / Б. О. Цыденов Б. О. – Томск, 2014. – 24 с.